盾构姿态操纵与管片拼装技术1.docx
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盾构姿态操纵与管片拼装技术1
盾构姿态操纵与管片拼装技术
盾构姿态操纵与管片拼装彼此阻碍，彼此制约的两个进程。
盾构姿态操纵与管片拼装应以隧道设计轴线操纵为目标，同时二者彼此和谐，保证管片拼装质量，幸免管片产生破损。
盾构的姿态操纵是盾构施工中的一个重要环节。
盾构姿态操纵的大体原那么：
以隧道设计轴线为目标，误差操纵在设计范围内，同时在掘进进程进行盾构姿态调整确保不破坏管片。
盾构推动进程中，依托千斤顶不断向前推动，为便于轴线操纵，将千斤顶设置分成不同区域。
在切口水压正确设定的前提下，应严格操纵各区域油压，同时操纵千斤顶的行程，合理纠偏，做到勤纠，减小单次纠偏量，实现盾构沿设计轴线方向推动。
设计轴线操纵范围：
平面操纵：
100mm，高程操纵：
-100mm。
本工程采纳通用楔形管片作为隧道衬砌。
其不同的旋转位置，将产生不同的上、下、左、右超前量，通过不同位置管片的拼装，实现对隧道轴线的拟合。
因此拼装前管片的选型相当重要。
选择正确的管片旋转角度，能保证拼装工作的顺利进行提高拼装质量，保证构筑隧道符合设计轴线。
另外，盾构推动施工中，成环管片作为盾构推动后座，对盾构推动起到一种导向作用。
为此，在盾构推动尤其是曲线推动时，应通过严格的计算和量测来确信管片的超前量。
同时应用盾构本身PPS系统综合系统，合理选取管片旋转位置，以达到管片相应的超前量，使管片环面始终垂直于设计轴线。
1.盾构姿态操纵与管片拼装的大体原那么
1.1直线段施工
直线段施工最理想的状态是隧道设计中线与盾构轴线管片中线重合。
但实际施工情形，三条线之间存在误差。
下面分几种大体情形进行讨论：
（1）三条线大体重合：
理论上，管片拼装时K块能够交替放在圆心对称的位置。
可是，为了保证拼装精度，应幸免K显现隧道下部。
最好K块交替放°与270°位置。
K块在右边，左右油缸行程差25mm，K块在左侧，左右油缸行程差－25mm。
（2）盾构轴线与隧道轴线重合
假设管片端面与隧道设计轴线的垂直面存在夹角θ，最不利的情形是两平面在水平面上的投影夹角为θ（顺时针为正）。
现在管片一侧超前Dθ，为维持盾构姿态不变，油缸行程差为D0θ。
通过下环管片拼装，纠正管片轴线，并尽可能与盾构轴线一致。
因此，应常常测量管片端面情形。
（3）管片轴线与隧道设计轴线重合（这种情形不行判定）
1）假设管片拼装后，盾构机轴线与隧道设计轴线存在夹角为θ，这时在盾尾间隙许诺的情形下，一样应保证管片与设计轴线一致，一样通过调整油缸行程调整盾构姿态。
（4）管片中心与盾构中心的有误差
由于盾构机的平行移动．管片与盾构机的关系如图1所示。
图1盾构与管片轴线误差示用意
假设管片与盾构不失圆，管片与盾尾的上下左右间隙值δt、δb、δr、δl可在现场测得，管片中心（Og）与盾构机盾构平行移动示用意中心（Od）的误差δv、δh，如图1所示。
那么可用以下公式计算：
因δmin>0，故尽管盾尾前部与尾端存在间隙，但如δv2＋δh2>1600时，管片与盾构机的尾部就有可能相接触。
实际情形管片拼装后为椭圆形，如图2所示。
若是椭圆度为4%，管片水平方向直径至少增加22mm。
相应一侧盾尾间隙减小11mm。
现在最小盾尾间隙为：
。
图2管片失圆示用意
若是上述情形发生在管片拼装前，管片K块设在间隙大的一侧，使管片中心向盾构中心移动；若是上述情形发生在管片拼装后，若是盾构轴线与管片轴线位于隧道设计轴线一侧，盾构最好沿原先的方向掘进，然后通过下一环管片进行调整，或调整盾构轴线远离隧道设计轴线。
若是盾构轴线与管片轴线位于隧道设计轴线双侧，调整盾构姿态，使盾构中心向管片中心移动。
（5）三条轴线不重合而且轴线水平移动
通常施工进程中，常常产生上述复杂情形，现在盾构姿态调整应综合考虑掘进方向，同时幸免损坏管片，管片选型应考虑隧道设计轴线并与盾构姿态相适应。
慢慢伐整盾构掘进方向。
图3盾构机位置预测方式
A．盾构姿态调整：
（1）偏移量计算：
管片拼装后，盾构推动2m，对应的角度转变为θ，那么对应打算线性的偏移量的计算由图3所示，δ按下式计算：
式中：
δ1——盾构沿设计方向前进引发的变位量；
δ2——方向修正的变位量；
δh0——刀盘初始误差量；
δt0——盾尾初始误差量；
δp——盾构旋转引发的误差量；
△L——盾构掘进长度；
L——盾构长度；
L1——管片拼装终止油缸撑靴之前的盾构长度；
L2——管片拼装终止油缸撑靴以后的盾构长度；
R——盾构选择角度；
θ——打算盾构轴线转变角度（最大为（δh0－δt0）/L）。
（2）油缸行程差计算
盾构推动ΔLm，对应的角度转变为θ，油缸行程差计算如图4所示。
计算公式如下：
由上式得：
式中：
△S终——掘进ΔL时油缸行程差；
S1终——掘进ΔL时油缸行程；
S2终——掘进ΔL时油缸行程；
D0——油缸间距；
θ——打算转动角度；
ΔS初——初始油缸行程（=S1初-S2初）
图4油缸行程差计算简图
B．管片拼装：
管片拼装的大体原那么是适应盾构姿态调整，选择合理管片拼装位置，使管片中心线旋转。
有关管片超前量的计算见曲线段施工。
1.2曲线段施工
曲线段盾构施工的大体原那么是盾构轴线与管片轴线始终沿曲线割线方向，如图5所示。
隧道轴线从直线转变到圆曲线时，盾构从圆直点开始掘进L，第一偏
转θ/2，然后管片轴线偏转θ/2，以后在圆曲线上，由于盾构掘进始终超前管片拼装，盾构掘进一个循环（管片宽度L＝2m），盾构轴线与管片轴线偏转角度θ从0转变到θ（θ＝2/R）。
因此，曲线段掘进，管片与盾尾需要一个最小的盾尾间隙。
隧道轴线从圆曲线转变到直线，盾构从圆直点开始掘进L，第一偏转θ/2，然后管片轴线偏转θ/2。
1.2.1
图5盾构曲线段掘进示意图
最小盾尾间隙的计算
（1）曲线施工和蛇形修正时必需的最小盾尾间隙（最小曲线半径800m），如图6所示。
图6曲线施工和方向矫正时刻隙
R——隧道曲线半径；
D0——管片外径；
L——盾尾长度。
（2）盾构掘进进程中盾尾间隙的转变
假设盾构始终沿设计轴线的割线前进，油缸撑靴位置始终位于设计轴线上。
盾构机掘进2m，盾构机旋转的角度2/R，如图7所示。
现在盾尾与管片中线距离转变为：
1.2.2管片拼装超前量计算
本工程最小曲线半径800m，管片拟合曲线需要的理论超前量计算如图7所示。
图7管片外弧面楔形量计算简图
。
1.2.3盾构姿态操纵与管片拼装操纵标准
依照武汉长江隧道工程设计轴线操纵标准、盾构机设计参数（盾构机长度、盾尾间隙等）制定盾构姿态操纵与管片拼装标准。
表1管片拼装质量操纵标准
水平偏差（mm）
竖向偏差（mm）
椭圆度
管片与盾构中心偏差（mm）
最小盾尾间隙（mm）
管片环面不平整度（mm）
管片接缝（mm）
管片错台（mm）
直线段
曲线段
纵缝
环缝
纵缝
环缝
100
100
4‰（5‰）
15
5
10
5
2
1
15
10
表2盾构姿态操纵标准
水平偏差（mm）
竖向偏差（mm）
椭圆度
滚动
上下倾斜
左右倾斜
每环的最大纠偏量（mm）
100
100
0～1‰
2％
2％
2％
10
2.盾构姿态操纵技术
2.1盾构掘进方向操纵方式
（1）采纳PPS隧道自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测
该系统配置了导向、自动定位、掘进程序软件和显示器等，能够全天候在盾构机主控室动态显示盾构机当前位置与隧道设计轴线的误差和趋势。
据此调整操纵盾构机掘进方向，使其始终维持在许诺的误差范围内。
随着盾构推动导向系统后视基准点需要前移，必需通过人工测量来进行精准定位，为保证推动方向的准确靠得住性，拟每周进行两次人工测量，以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态，确保盾构掘进方向的正确。
（2）采纳分区操作盾构机推动油缸操纵盾构掘进方向
依照线路条件所做的分段轴线拟合操纵打算、导向系统反映的盾构姿态信息，结合隧道地层情形，通过度区操作盾构机的推动油缸来操纵掘进方向。
在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力；在下坡段掘进时那么适当加大上部油缸的推力；在左转弯曲线段掘进时，那么适当加大右边油缸推力；在右转弯曲线掘进时，那么适当加大左侧油缸的推力；在直线平坡段掘进时，那么应尽可能使所有油缸的推力维持一致。
在均匀的地质条件时，维持所有油缸推力一致；在软硬不均的地层中掘进时，那么应依照不同地层在断面的具体散布情形，遵循硬地层一侧推动油缸的推力适当加大，软地层一侧油缸的推力适当减小的原那么来操作。
2.2盾构掘进姿态调整与纠偏
在实际施工中，由于地质突变等缘故盾构机推动方向可能会偏离设计轴线并达到治理警戒值；在稳固地层中掘进，因地层提供的转动阻力小，可能会产生盾体转动误差；在线路变坡段或急弯段掘进，有可能产生较大的误差。
因此应及时调整盾构机姿态、纠正误差。
参照上述方式分区操作推动油缸来调整盾构机姿态，纠正误差，将盾构机的方向操纵调整到符合要求的范围内。
（1）转动纠偏
当转动超限时，盾构机遇自动报警，现在应采纳盾构刀盘反转的方式纠正转动误差。
许诺转动误差≤ºº时，盾构机报警，提示操纵者必需切换刀盘旋转方向，进行反转纠偏。
（2）竖直方向纠偏与水平方向纠偏
操纵盾构机方向的要紧因素是千斤顶的单侧推力，当盾构机显现下俯时，可加大下侧千斤顶的推力，当盾构机显现上仰时，可加大上侧千斤顶的推力来进行纠偏。
盾构纠偏的大体原那么是盾构与设计轴线水平与竖向误差操纵在75mm（设计允许误差100mm）之内为目标，幸免纠偏过猛，保证管片拼装所需的最小盾尾间隙（初步定10mm），每环的最大纠偏量不大与9.0mm。
（3）盾构上下倾斜与水平倾斜
盾构掘进进程中可能存在盾构机轴线与隧道设计轴线方向的误差，为了维持盾构良好姿态，幸免管片的受力不均，盾构上下倾斜与水平倾斜应操纵在2%之内。
幸免因管片衬砌环的中心和盾构机的中心有偏移，使管片局部受力过大引发管片破损。
2.3方向操纵及纠偏注意事项
（1）在切换刀盘转动方向时，应保留适当的时刻距离，推动油缸油压的调整不宜过快、过大，切换速度过快可能造成管片受力状态突变，而使管片损坏。
（2）依照掌子面地层情形应及时调整掘进参数，调整掘进方向时应设置警戒值与限制值。
达到警戒值时就应该实行纠偏程序。
（3）蛇行的修正应以长距离慢慢修正为原那么，如修正得过急，蛇行反而加倍明显。
在直线推动的情形下，应选取盾构当前所在位置点与设计线上远方的一点作一直线，然后再以这条线为新的基准进行线形治理。
在曲线推动的情形下，应利用使盾构当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。
（4）正确进行管片选型，确保拼装质量与精度。
（5）严格操纵纠偏力度，避免盾构机发生卡壳现象。
（6）盾构始发抵达时方向操纵极为重要，应依照始发、抵达掘进的有关技术要求，做好测量定位工作。
2.4管片拼装技术
2.5管片型式
本工程施工中，采纳错缝拼装通用楔形管片。
拼装方式采纳错缝拼装。
即通过旋转调整管片位置，知足隧道设计轴线要求（曲线），同时使隧道纵向连接缝不在同一直线上。
错缝拼装具有圆环管片接缝刚度散布趋于均匀、圆环整体刚度高、接缝及整体结构变形小等优势。
采纳通用楔形管片通过管片的精准定位，提高了管片的拼装质量，且管片型号单一，便于管片的贮存、运输及施工治理。
盾构隧道管片外径11000mm，内径10000mm，管片环宽2000mm，采纳双面楔形的通用楔型管片，楔形量为55mm，采纳9块等分“大楔型封顶”分块形式。
每环管片由一环封顶块F（小封顶块1/3纵向插入）、两块邻接块L和6块标准块B组成。
环宽2m，厚度500mm，楔形管片的楔形量为2×25.0＝50mm。
环与环间以38根M30的纵向斜螺栓相连，块与块间以30根M36的环向斜螺栓相连。
2.6管片选型
2.6.1程序选形
阻碍管片选型的要紧阻碍因素包括：
隧道线形、盾构姿态（偏离中线的位置及其趋势）、盾尾间隙、油缸行程、交接油缸行程（若是有）、封顶块的位置。
在进行管片选型时需检查其正确性。
●推动油缸（PushRams）
通常这些数值将从TBM的PLC中自动传输，也可采纳人工输入。
若是不直接在那儿测量，这些数值将转换到标识位置：
12，3，6和9点。
上，右，下，左主油缸（推动油缸）的行程
●盾尾间隙
上，右，下，左盾尾间隙测量值。
当测量盾尾间隙的SLUM系统PLC中自动传输不，也可人工测量管片的盾尾间隙，并将之人工输入。
●参考点（ReferencePoint）
此点与当前TBM位置的pps-T显示前端参考点相同。
Chainage（里程）位置：
参考点位置
Offset（偏移）H偏移：
水平参考点偏移
OffsetV偏移：
竖直参考点偏移
Tend.（趋势）H趋势：
盾构机水平趋势
Tend.V趋势：
盾构机竖直趋势
●参考管片类型
通常，这些数值是不被改变的，因为从数据库读取一个数值后，其它数值仅在工作状态改变时才需要更改。
必需毫无错误地输入或确信它。
如不正确那么当前计算的管片序列无效。
●前后参考管片数量
从以前计算的管片序列中读取的管片编号，因其已由当前工作（传输、卸载等）预先确信。
●权重
设定上述阻碍管片选型的各因素的全重。
如最正确下一环计算中油缸伸长差距的相关权重（重要性比）、最正确下一环计算中盾尾间隙差距的相关权重（重要性比）、盾构偏移中线的权重、封顶块的位置等。
本工程采纳通用楔形管片作为隧道衬砌。
其不同的旋转位置，将产生不同的上、下、左、右超前量，通过不同位置管片的拼装，实现对隧道轴线的拟合。
因此拼装前管片的选型相当重要。
选择正确的管片旋转角度，能保证拼装工作的顺利进行提高拼装质量，保证构筑隧道符合设计轴线。
另外，盾构推动施工中，成环管片作为盾构推动后座，对盾构推动起到一种导向作用。
为此，在盾构推动尤其是曲线推动时，应通过严格的计算和量测来确信管片的超前量。
同时应用盾构本身PPS系统结合盾构姿态，合理选取管片旋转位置，以达到管片相应的超前量，使管片环面始终垂直于设计轴线。
2.6.2超前量计算
管片安装点位及超前量如表3。
表3管片旋转型号及超前量
点位编号
k块的位置
超前量（mm）
下
左
右
上
1
10
2
30
3
50
4
70
5
90
-25
6
110
7
130
8
150
9
170
10
190
11
210
12
230
13
250
14
270
15
290
16
310
17
330
18
350
2.6.3不同管片拼装组合管片超前量及中心偏移量
依照不同管片拼装组合计算管片超前量及中心偏移量。
计算结果见表2。
该计算表假设第一环管片轴线与隧道设计轴线平行。
实际施工进程中，管片轴线与隧道设计轴线的关系转变。
管片端面与隧道设计轴线的空间关系，通过油缸行程差（确信管片端面相关于盾构的位置）、盾尾间隙（确信盾构与管片轴线的相对关系）及盾构姿态确信。
依照盾构姿态操纵与管片拼装的大体原那么，盾构沿着线形走，管片适应盾构姿态，为了简化分析，管片依照盾构相对位置进行调整。
管片轴线向盾构轴线调整，假设管片轴线与盾构夹角为θ。
计算见图7。
图7管片与盾构姿态调整图
由于管片采纳的是通用楔形管片，若是下一环管片轴线与盾构轴线重合，由图可知：
管片选型时应知足下式要求：
（（L1－L2）/2－（Sz1－Sz2））/D=θ
△L/2-△S=Dθ（△Lθ＝△H（△V）
表2不同管片拼装组合管片超前量及中心偏移量
点位编号
第一环管片k块的位置
超前量
第一环偏差量
下
左
右
上
上下
左右
1
10
点位编号
第二环管片k块的位置
超前量
水平偏差（mm）
竖向偏差（mm）
下
左
右
上
左偏为正
上偏为正
1
10
2
30
3
50
7
4
70
5
90
6
110
7
130
8
150
9
170
10
190
11
210
12
230
13
250
14
270
15
290
16
310
17
330
18
350
点位编号
第一环管片k块的位置
超前量
第一环偏差量
下
左
右
上
上下
左右
2
30
点位编号
第二环管片k块的位置
超前量
水的偏差（mm）
竖向偏差（mm）
下
左
右
上
左偏为正
上偏为正
1
10
2
30
3
50
4
70
5
90
6
110
7
130
8
150
9
170
10
190
11
210
12
230
13
250
14
270
15
290
16
310
17
330
18
350
点位编号
第一环管片k块的位置
超前量
第一环偏差量
下
左
右
上
上下
左右
3
50
点位编号
第二环管片k块的位置
超前量
水平偏差（mm）
竖向偏差（mm）
下
左
右
上
左偏为正
上偏为正
1
10
2
30
3
50
4.38
4
70
5
90
6
110
7
130
8
150
9
170
10
190
11
210
12
230
13
250
14
270
15
290
16
310
17
330
18
350
点位编号
第一环管片k块的位置
超前量
第一环偏差量
下
左
右
上
上下
左右
4
70
点位编号
第二环管片k块的位置
超前量
水平偏差（mm）
竖向偏差（mm）
下
左
右
上
左偏为正
上偏为正
1
10
2
30
3
50
4
70
5
90
6
110
7
130
8
150
9
170
10
190
11
210
12
230
13
250
7
14
270
15
290
16
310
17
330
18
350
点位编号
第一环管片k块的位置
超前量
第一环偏差量
下
左
右
上
上下
左右
5
90
点位编号
第二环管片k块的位置
超前量
水平偏差（mm）
竖向偏差（mm）
下
左
右
上
左偏为正
上偏为正
1
10
2
30
3
50
4
70
5
90
6
110
7
130
8
150
9
170
10
190
11
210
12
230
13
250
14
270
15
290
16
310
17
330
18
350
点位编号
第一环管片k块的位置
超前量
第一环偏差量
下
左
右
上
上下
左右
6
110
点位编号
第二环管片k块的位置
超前量
水平偏差（mm）
竖向偏差（mm）
下
左
右
上
左偏为正
上偏为正
1
10
2
2
30
3
50
4
70
5
90
6
110
7
130
8
150
9
170
10
190
11
210
12
230
13
250
14
270
50.00
15
290
16
310
17
330
18
350
点位编号
第一环管片k块的位置
超前量
第一环左右偏差量
下
左
右
上
上下
左右
7
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