通用环管片封顶块点位对盾构隧道质量的影响分析

城市建筑Ｉ市政・交通Ｉ　ＵＲＢＡＮＩＳＭ　ＡＮＤ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　ｌ　ＭＵＮＩＣＩＰＡＬ　ＴＲＡＦＦＩＣ　通用环管片封顶块点位对盾构隧道质量的影响分析　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｒｒｉｎｇ　Ｓｅｇｍｅｎｔ　Ｃａｐ　Ｂｌｏｃｋ　Ｐｏｉｎｔ　ｏｎ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｑｕａｌｉｔｙ　■欧阳旋字囊Ｏｕｙａｎｇ　Ｘｕａｎｙｕ　［摘要】本文结合长沙地铁管片拼装的工程实例，从当前　二、　封顶块点位确定的原则和方法　１．线形的拟合原理（设计）　采用双面通用楔形环管片进行隧道线形拟合　时，根据平面线形或竖直线形的不同分为直线拟合　线控制为目标，受各种因素影响，隧道掘进不可能　管片的组合形式入手，分析封顶块点位对隧道防水、管片　破损、隧道线形、隧道结构受力产生的影响，对合理设置　封顶块点位确保盾构隧道施工质量有一定的指导意义。　精确地按照隧道规划线路前进。本工程由于采用通　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。在直线段施工　时，最理想的状态是隧道设计中线与盾构轴线管片　和曲线拟合，曲线拟合又分为平曲线拟合和竖曲线　【关键词】通用环管片封顶块点位隧道质量（设计、施工、　运营）隧道线形管片破损隧道防水　拟合。直线拟合时，采用带有相同楔形量的管片环　在已拼装好的上一环基础上旋转１８０。即可，如图　２。曲线拟合涉及到平曲线拟合和竖曲线拟合，即空　间曲线的拟合，现根据管片环的构造特点，建立数　中线重合，管片拼装时通过Ｋ块交替放在圆心对称　的位置即可实现，如果预拼管片中心与盾构中心存　在偏差，则管片Ｋ块设在间隙大的一侧，使管片中　心向盾构中心移动。在曲线段施工时，盾构轴线与　管片轴线始终是沿曲线割线方向，若在盾尾与管片　间留有一定的盾尾间隙，并根据线路半径计算理论　超前量，则通过Ｋ块的旋转予以实现。另一方面，　在盾构推进施工中，成环管片作为盾构推进后座，　对盾构推进起到一种导向作用。为此，在盾构推进　尤其是曲线推进时，通过严格的计‘算和量测确定管　片的超前量，合理选择封顶块的点位确定施工轴线　线形，有利于隧道掘进方向精度的控制。　ＩＡｂｓｔｒａｃｔｌ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｍｅｔｒｏ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｅｒｅｃｔｉｏｎ，ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉ—　ｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｅｇｍｅｎｔ，ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ　ｂｌｏｃｋ　ｐｏｉｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ，ｓｅｇｍｅｎｔ　ｄａｍａｇｅ，ｔｕｎ—　ｎｅｌ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔ，ｔｕｎｎｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒｃｅ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ　ｉｎ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｂｌｏｃｋ　ｐｏｉｎｔ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｑｕ—　ａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　学模型对线形拟合进行分析。双而通用楔形环管片　的拟合原理如图３所示，在确定起始环的前提下，　根据设计线路要求，当前环通过绕起始环末端面　Ａ　Ｂ　Ｃ　法线Ａ　旋转一定角度控制当前环管片中线　ＡＩＯ产生一定的偏转，使当前环管片的末端中心０　，　与设计轴线偏差最小时，即为当前环的最佳点位。　其特点是：（１）当前环的起始端面中心是固定的，　即当前环的起始端面中心与起始环的末端面中心是　重合的。（２）当前环的末端面中心随旋转角度不同　处在同一平面上。（３）所有可能的轴线位于同‘一圆　锥面上，该圆锥以Ａ　为顶点，以起始环的末端面法　线Ａ　为轴。基于以上三点，说明当前环的末端面　圆心位于如图４所示的圆锥底面的圆周Ｌ。　【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ１　ｇｅｎｅｒａｌ　ｒｉｎｇ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｃａｐ　ｂｌｏｃｋ　ｐｏｉｎｔ，ｔｕｎｎｅｌ　ｑｕ—　ａｌｉｔｙ（ｄｅｓｉｎ，ｃｏｎｓｔｇｒｕｃｔｉｏｎ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎ），ｔｕｎｎｅｌ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔ，ｓｅｇｍ—　ｅｎｔ　ｄａｍａｇｅ，ｔｕｎｎｅｌ　ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇ　２．封顶块点位对管片结构受力的影响分析（运　营）　目前通用楔形环管片的受力分析基于两种计算　模型：一种是修正惯用法计算模型．其特点是未考　虑接头对结构的受力影响；另一种是梁一弹簧法计　引言　盾构隧道结构是由一系列管片排列而成，为了　使施工轴线尽可能符合设计轴线，应对不同的衬砌　管片进行空间线路拟合，确保实际线形控制在允许　的偏差范围内。目前地铁隧道的管片组合类型分为　算模型，其特点是同时考虑了管片的接头刚度、接　头位置以及错缝拼装效应，是一种较为理想的计算　模型。现根据长沙地铁管片的基本数据，结合隧道　土层的相关参数。如表１，采用粱一弹簧法计算模　两类：一类是普通衬砌环，由标准环＋左转弯环＋右　转弯环或左转弯环＋右转弯环组成，在进行管片拼装　时直线地段采用标准环，曲线地段采用转弯环；另　型进行计算，其弯矩如图６所示，根据图上反应的　数据表明：粱一弹簧法由于考虑了接头位置，弯矩　网３拟合示意图　图４可能出现的点位示意图　类是通用环，即整条隧道采用同一种带有楔形量　的管片环，通过其按照一定的规律旋转与组合，拟　合出与设计接近的线形。通用环的管片拼装就是通　过选择封顶块的不同点位实现对平、曲线的拟合，　最大程度的提高盾构隧道成形质量。　一２．封顶块点位确定的方法（设计）　并不对称，最大正弯矩在管片底部．最大负弯矩在　管片右上角。因此，在封顶块点位选择时，应最大　可能的避开弯矩最大处，以确保结构在后期运营中　的质量。　表１隧道土层的相关参数　稷士厚度（ｍ）　覆土密度（　／　）　地Ｆ水协（ｍ）　９　８　Ｉ　９　ｌ２　８　根据线形的拟合原理，在实际管片拼装中，当　前环末端面圆心的位置变化是通过封顶块（Ｋ块）　的不同点位表现出来的，长沙地铁管片纵向由１６根　螺栓连接，即封顶块（Ｋ块）的不同点位共表现为　１６种可能的拼装位置，如图５所示。但由于其受力　及拼装的特殊要求，一般要求封顶块处在隧道腰部　以上部位，且当前环管片的末端中心与设计轴线偏　差最小时，即为顶块处的理想点位。　、工程概况　饱和帮童（ＫＮ／ｒ￣）　ｌ９　２　长沙地铁盾构隧道采用平板型单层钢筋混凝土　管片衬砌，管片环宽１　５００ｌｉｌｉｉ／，外径６　０００ｍｍ，内径　５　４００　ｍｍ，全环周由六块组成，１块封顶块（Ｋ块），　粘聚力（Ｋｏａ）　７　内摩攘角（　）　嚣ｌ　侧压力系数　水平地接反陂系数　０．嚣　５ａ　７　）　２块邻接块（Ｂ１块、Ｂ２块），：ｊ块标准块（Ａ１块、　Ａ２块、Ａ３块），管片采用双面通用楔形环形式，楔　形量为４５　ｍｉｌｌ，纵向采用１６根螺栓连接，如图１所　示，环向采用１２根螺栓连接，错缝拼装。　图５封顼块的１６种位置圈　０　图６管片弯矩图　三、封顶块点位对隧道质量的影响分析　１．封顶块点位对隧道线形的影响分析（设计、　施工）　３．封顶块点位对管片破损的影响分析（施工）　在盾构隧道施工过程中．为控制好隧道质量，　必须逐环测量盾构姿态和管片姿态，根据测量资料　（下转第３７３页）　管片拼装与盾构姿态控制是相互影响制约的两　图１管片组成图　图２直线段管片拼装图　个过程。管片拼装与盾构姿态控制均以隧道设计轴　３２３　城市建筑ｌ学者研究Ｉ　ＵＲＢＡＮＩＳＭ　ＡＮＤ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｉ　ＳＣＨＯＬＡＲＳ’ＳＴＵＤＹ　限制的原因，大多规模较小，空间较为分散。整体　形态受到顺沿等高线的主要交通干线影响，呈树枝　式分布，如那丘村、姚家寨等。　台地型聚落一般位于较为开阔的台地，聚落前　视野开阔。这种离散式布局完全与地形相结合，有　机地融入到周围环境当中。　２．线性布局　落中，晒坪有着重要的位置。除了能够晒晾谷物，　进行祭祀典礼以外，还可以作为当地居民休憩、聊　天、玩耍的日常活动中心。部分村落将晒坪与其他　公共建筑相结合，兼作其他功能。不但节约了土地，　还提高了晒坪的利用效率。如永顺县沙土湖村就是　以内部一块开阔地为中心，分布在一片较为平坦的　山坳当中。居民在开阔地上晒衣、交流、劳作，形　线性布局聚落大多呈狭长的带状分布，这种布　局类型主要沿河流或道路的一侧或两侧布置。根据　地理环境的大小限制聚落规模。组合形式比较简单，　聚落建筑沿等高线方向或河道走向呈行排列，朝向　以坐北朝南为主。受到风水观念影响，聚落前方避　开突兀山峰，面向山坳，视野开阔，利于通风采光。　此类聚落的公共活动空间也大多集中在沿河或道路　的主轴之上，道路沿着等高线相对规整单一，布局　空间层次清。　方或中间或有水流通过。聚落大小受到台地规模的　限制，大型的可容纳大型村寨，小的可能只有几十　户人家。此种聚落自然环境优美，又能满足当地居　民生产生活的需要。不过由于地势高峻，交通不便，　以致经济水平相对较低，如永顺县的双凤村。双凤　村坐落在海拔６００　ｍ的山岗上，符合自古以来土家　族聚落“散处溪谷，所居必择高峻”的居住规律，　也因此地理位置长期缺乏与外界联系，故至今仍完　整地保留着土家族的古老传统。　三、　土家族传统聚落的布局形态　成了独特的聚落特色。　四、结语　湘西土家族传统聚落大多依山傍水，坐北朝南，　在顺应地形的同时，满足了生活生产需求。聚落选　址上，有的选址于河谷区域，随周边河流、交通要　道的商业发展逐渐兴旺，形成较大集镇；有的依山　势布置，形态多样，布局灵活，与环境相融。在聚　落形态方面，有的相对分散，聚落建筑呈散点分布；　顺应等高线呈线性布局的典型例子是永顺县双　风村，有“土家族第一村”的美称。双凤村的选址　类型属于台地型，规模较小，整体布局结构非常清　晰，聚落建筑群沿溪流方向延伸平行于等高线的线　性分布，总体排列整齐有序。由于土家族文化受到　风水学的影响，建房听命于风水先生的方位测定，　结合居民生辰八字调整建筑朝向。因此在整体方向　一土家族传统聚落在聚落选址与布局形态上大多　顺应自然地势，考虑到减少土方量以及自然灾害的　问题，一般使得交通干道依据平行等高线布局，同　时也能便于生活生产活动。而有时为了加强聚落之　间的竖向交通，聚落则沿垂直等高线布局。根据土　家族聚落总体平面形态表现的不同，可将其布局分　为线性布局、离散布局、向心布局三种形式。　１．散点式布局　有的顺应地势或河流走向，沿等高线方向线性延伸；　有的围绕某个中心节点组团布置。根据总结分析，　相对与山腰型聚落，其他聚落布局形态相对紧密，　山腰型聚落受到地形限制，空间布局较为松散。湘　西土家族传统聚落形态作为民族文化的物质载体，　对周边环境表现的适应，反映出了土家人与自然环　境和谐相处的可持续发展观。在今天新农村建设的　背景下，研究土家族聚落的选址特点以及整体结构　致的情况下，每户又出现不同程度的偏转角度　条小溪自山而下从村中部横穿而过，聚落建筑群　一被溪流划分为两个部分。主要道路沿溪而上，从主　路上又分出许多小径通往每家每户，各个住所与小　溪紧密联系。村口靠近溪流源头处建有～座摆手堂，　堂前为方中带圆的土坪，原是祭祀祖先的地方，现　在作为土家人休闲娱乐的场所，村内其他活动空间　也大多沿溪而建。　对于土家族传统聚落而言，散点式布局形式主　要存在于山腰型聚落当中，坐落在南面的山坡之上，　因为地形的原因，房屋不易于密集排布，故规模一　般较小。聚落空间布局形态比较分散，户与户之间　留有耕地，建筑依据地形变化而灵活布局。由于建　筑分布规律性较低，道路成为串联聚落的主要结构，　道路系统相对复杂，或放射状，或树枝状，大都是　主要交通干道在聚落中穿过，然后派生出分支，渗　透到每家每户，有的连通到农田当中，如他沙村姚　家寨就是此类型的聚落。　姚家寨位于山腰上，整体形态属于散点型土家　形态，对现代土家族聚落的规划发展也具有指导意　义。　参考文献　［１］柳肃．湘西历史城镇、村寨与建筑［Ｍ］．北京：中　国建筑工业出版社，２００９．　［２］魏挹澧．湘西风土建筑——巫楚之乡山鬼故家　［Ｍ］．武汉：华中科技大学出版社，２０１０．　［３］段超．土家族文化史［Ｍ］．北京：民族出版　社，２０００．　除了沿着等高线分布外，部分聚落是垂直与等　高线分布的，例如龙山县隆头镇，全村由一条垂直　于等高线的街组成，靠山的一段街高标差十分悬殊，　大部分建筑都集中在街道两侧，街道与建筑呈鱼骨　式排布，多数建筑沿垂直街道的方向纵深展开。这　类聚落前后高差大，给居民日常生活带来诸多不便。　而且房屋之间紧密相连，不利于采光通风，一般此　类聚落布局形式都是出于攻防、商业等目的。　３．组团式布局　［４］贺宝平．鄂西南土家族传统乡村聚落景观的文化　解析［Ｄ３．华中农业大学，２００９．　注：基金项目：教育部人文社会科学研究基金资助　（项目批准号１２ＹＪＡＺＨ１８８）；湖北省社会科学基金　支助（项目编号２０１２２２９）。　（作者单位：华中农业大学。武汉４３００７０）　族聚落。姚家寨规模不大，建筑多顺着山势和道路　分散布置，建筑形态与地形相结合，住宅平面多为　三面围合的“凹”形布局。入村的主要道路蜿蜒于　山谷之间，仅２　１ｉｌ多宽，村寨以主要道路为支撑。　各类不规则但沿山势而行的小径向外发散成树枝状　组团式布局特点在于建筑群体形成明显的块状　组合，组团多以中心节点空间为中心，土家族聚落　中心一般是摆手堂、晒坪或者其他公共活动中心。　在中心周围，建筑单体相对分散布置。在土家族聚　产生的止水效果存在一定的差异。通过仔细研究通　道路，连接各家各户，道路的两旁是一级顺势而下　的梯田。村民的房屋基本上都是“背靠山，面水田”，　（上接第３２３页）　结构受力等方面存在不同程度的影响，基于线形拟　合原理进行封顶块点位优选，能有效提高盾构隧道　工程质量。　及时调整各项推进参数。当管片与盾构机基本保持　同心推进，同时管片法线面与盾构机推进方向垂直　时，管片破损较少。在实际施工过程中，管片与盾　构机的相对关系往往不能处于理想状态，总存在一　定的偏差角度，主要是由于千斤顶产生的作用分力　用楔形环管片的结构设计，发现单环管片存在宽度　差，展开后呈楔形带状，而且每个环面也不是一个　完整的斜平面的特点，当管片错缝拼装时，相邻环　管片在千斤顶推力作用下，有紧密靠近的趋势，其　纵缝的开口必然大于直、曲环组合管片的纵缝，说　明尽管两种组合形式的止水橡胶压缩相同，但实际　参考文献　［１］王滕飞，邓朝辉．盾构法隧道通用楔形环空间线　路拟合技术．铁道勘测与设计，２００２（２）．　［２］刘风华．盾构隧道通用管片拟合排版与管片选型　楔技术研究［Ｄ］．同济大学，２００７（０３）．　［３］鲍绥意．盾构技术理论与实践．中国建筑工业出　版社，２０１２．　造成管片破损所致，尤其是在平曲线和竖曲线半径　较小及纠偏量较大时，管片外弧与盾尾内壁的间隙　上通用楔形环管片止水橡胶的压缩量小于直、曲环　组合管片的压缩量，因而直、曲组合环管片的止水　效果优于楔形环管片。在引入封顶块拼装点位后，　不均匀，造成一侧距离偏大，一侧距离偏小，偏小　处产生卡壳现象，损伤管片。由此可见，当实际拼　装的封顶块点位与目标值差距较大时，必然引起千　斤顶产生较大的分力，从而导致管片破损。　４．封顶块点位对隧道防水的影响分析（运营）　通常普通衬砌环与通用楔形环均是通过在管片　周边的止水沟内安装遇水膨胀止水条实现止水效　果，但由于其管片结构差异，止水性能不尽相同，　若选取的点位不正确，如处在隧道的底部或腰部以　下时，容易出现空间不够，存在封项块强行插入的　情形，导致止水条破坏而引起隧道渗漏水。　四、结语　（作者单位：中铁十七局集团有限公司第六工程有　限公司。长沙４１００００）　从长沙地铁盾构隧道实践来看，通用环管片封　顶块点位对盾构隧道在防水、管片破损、隧道线形、　３７３