盾构相关小知识（5）：管片选型

1 盾构机与管片位置关系

在地下施工时盾构机、设计隧道中心线（DTA）、管片的关系如图1。以现今常用的被动铰接系统ϕ6250mm盾构机为例，盾构机司机通过调节四组推进油缸的压力和平均速度沿着设计隧道中心线（DTA）走，主要控制盾构机前点（一般是切口环）和后点（在被动铰接附近）中心与相应位置的DTA的偏差在水平与垂直方向上都不超过50mm。盾构推进一定距离（管片宽度1500mm时，一般掘进1500mm）后，在盾尾内拼装一环管片（管片的外表面与盾尾内表面最小直径“盾尾刷前的凸台”之间的距离定义为盾尾间隙，海瑞克盾构盾尾间隙设计为30mm），然后继续推进1500mm，再拼装管片。在推进过程中，管片位置不动，盾构前盾、中盾、盾尾前移，刚拼装完成的管片要与盾尾、盾尾内的凸台和盾尾刷有相对运动。如盾尾间隙不好，在盾构推进过程中管片背面将与盾尾、盾尾内的凸台或盾尾刷体相挤压，造成管片的损坏或盾尾刷的损坏，影响管片质量和盾构施工的正常进行。因此，在盾构推进过程中，最优的盾尾间隙控制值是一直控制在设计值(30mm)，也就是盾尾的中心线与管片的中心线相重合。管片选型的目的就是要达到最优的盾尾间隙，从而确保成型隧道质量。

图1 盾构机与管片位置关系图

2  普通环管片（直线环、左转弯环和右转弯环）选型原则与方法

普通环管片选型实际上只要做到盾尾间隙控制在一定范围内，管片背面不与盾尾、盾尾凸台和盾尾刷体相干涉，实际只要控制管片背面与盾尾凸台的间隙就可以了。一般盾尾间隙控制在15～45mm之间。现就盾构掘进直线段和曲线段分别进行管片选型原则分析。

2.1 直线段管片选型原则

管片与盾尾、盾尾凸台、盾尾刷存在一定关系，管片前端面还与推进油缸相接触，盾构依靠推进油缸顶在管片上的推力前进。推进油缸的行程差（上下或左右等相对油缸行程的差值）体现了推进油缸与管片的位置关系。

对于主动铰接的盾构（如图2）当上下左右相对位置推进油缸行程差值都为0时，说明推进油缸所在的盾体（中盾和尾盾）中心线与管片的中心线相平行，只有盾尾间隙为30mm时，两条中心线才会重合。

图2 主动铰接盾构示意图

对于被动铰接的盾构（如图3）当上下左右推进油缸行程减去同角度位置铰接油缸行程相对位置差值为0时，说明盾尾中心线与管片中心线相平行，只有盾尾间隙为30mm时，两条中心线才会重合。

图3 被动铰接盾构示意图

因此，油缸行程差来进行管片选型只能体现盾体与管片中心线的平行关系，不能体现盾尾间隙的好与坏。对于主动铰接盾构推进油缸上下左右相对位置行程差控制在0附近为宜，对于被动铰接盾构上下左右推进油缸行程减去同角度位置铰接油缸行程相对位置差值控制在0附近为宜。

综合以上分析，直线段管片选型应以盾尾间隙为主，油缸行程差为辅。

2.2 曲线段管片选型原则

曲线段时由于盾构推进油缸推力不同，使盾构沿着设计的曲线掘进，管片要适应盾尾，理论上曲线管片选型应主要看盾尾间隙，确保盾尾间隙在合理范围内。但管片拼装完成测量盾尾间隙指导下一环管片选型时，下一环的管片已经进入盾构机内，导致测量的盾尾间隙不能及时指导管片选型。同时由于盾尾内管片外表面受盾尾刷的挤压影响，盾尾间隙也无法全部能够反映管片的真实位置状态。但盾构机沿着设计隧道中心线掘进，曲线段管片理论排版能够完全拟合设计的线路，盾构机盾尾中心线和管片理论排版管片中心线都接近设计隧道中心线。因此曲线段管片应以理论排版为主，盾尾间隙和油缸行程差为辅的原则选型，盾尾间隙才能够控制在合理范围内，尤其在小半径缓合曲线中此选型原则显得更加重要。

当然在曲线段盾构进行纠偏（盾构中心向DTA掘进）时，应以实际纠偏情况和盾尾间隙进行管片选型。

3  油缸行程差管片选型

根据主动与被动铰接不同油缸行程差值计算不同外，相对位置油缸行程差值大于40mm才选择转弯环的这种说法不准确。只有油缸行程差值为0时，管片与盾尾中心线相平行。因此，油缸行程差值应控制在0附近，对于最大楔形量38mm的管片，油缸行程差值应控制在±19mm以内，同时油缸行程差值不能一直为正，也不能一直为负。理论上正负交错才是最优的油缸行程差。