摘要：对于盾构隧洞而言，采用拼装管片作为衬砌结构代替了繁琐的支架、锚固、喷护等工序，使得盾构机可以连续施工，掘进速度大大提高。同时，集中预制管片实现了批量生产，不但保证了永久工程构件的质量，而且可以在施工前期准备阶段开始制备，有利于调节工程的整体施工强度。
关键词：工程；地铁；盾构；管片；衬砌
前言
地下铁道工程在我国日益发展，逐步担负起了各大城市的交通重任，展示出经济环保、安全便捷、高能高效等各种优势。用盾构机进行地铁隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、质量稳定、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、不影响地面交通等特点。在隧洞洞线大于300m、覆土深度不小于6m、相对均质的地质条件下，用盾构机施工更为经济合理。在盾构施工过程中，衬砌管片的制作、运输、安装以及管片后的背衬注浆等一系列工作至关重要，直接影响到工程施工进度以及质量安全保证。
一、衬砌管片的制备
地铁工程盾构隧洞项目的前期准备工作非常繁杂，包括办理各种许可文件、前期测量调查、始发站的场地准备、衬砌管片的制备、盾构井的施工以及盾构机的订购和制作等等。由于衬砌管片用量非常大，而且地铁工程各标段几乎同时开工、同时完工，对管片的需求比较集中，所以必须及早确定预制方案和送货计划。盾构隧洞结构荷载主要考虑地面超载、结构自重、垂直和水平土压力、水压力、侧向地层抗力、地层反力、施工荷载（盾构千斤顶力）、结构内部荷载、特殊荷载（地震荷载、人防荷载）等。
1、管环的尺寸
管环的外径尺寸需根据盾构机盾尾的内径尺寸来确定，要求能够在盾构机内完整拼装、尽可能地贴紧盾尾内壁而且不影响盾构机继续推进。管环的内径尺寸需满足设计文件要求，一方面是设计图纸对于隧洞内径尺寸的要求，另一方面是为了达到设计要求的承载能力，管片所必须的厚度。常见工程实例中，设计使用寿命100年的隧洞衬砌管片一般采用C50的钢筋混凝土为原材料，厚度300mm。
管环的宽度需根据隧洞的转弯半径等因素来确定。管环越宽，管片接缝越少，因而漏水环节、螺栓数量越少，施工速度越快，费用越省。但盾构机千斤顶的行程要加大，施工难度高，当转弯半径较小时，管环越宽，设计拟合误差越大。在实际工程中要针对不同的情况结合质量、进度和成本等因素进行综合考虑，有时对于特殊地段的管片需要进行特别设计。
在曲线段施工或需要对盾构进行纠偏时都会用到特殊的管环，这种管环的宽度不均一、呈楔形，由左及右或由右及左呈线型均匀变小，多环拼接在一起使得隧洞整体向右或向左转弯。为了统一管环规格，尽量减少管片模具的种类，在工程实践中有时也会将这种特殊管环用于直线段，通过交替使用“左转弯”和“右转弯”管片来实现直线施工。这种应用虽然增加了直线段的管片拼装难度，但由于它适用性强，可以提前大量地生产备用，不需要根据盾构掘进情况来临时制作特殊管环片。
2、管环的分块
管环的分块主要由管片制作、防水、运输、拼装、结构受力性能等因素确定。地铁隧道管片常用分块数为六块和七块两种。上海地铁一号线、广州地铁一、二、三号线盾构区间隧道都采用六块方案，即：一块封顶块，两块邻接块，三块标准块。
考虑到施工方便以及结构受力的需要，封顶块一般采用小封顶块形式。封顶块有径向插入式和纵向插入式等几种形式。对于径向插入式封顶块来说，为了能够实现插入，其外弧长度不得大于内弧长度，这样，受荷后有向下滑动的趋势，受力不利。采用纵向插入形式封顶块受力情况较好，但需加长相应部位盾构千斤顶的行程。
3、管环的连接
管片之间、管环之间一般使用M24的高强螺栓进行连接。直螺栓和斜螺栓连接法是近年来发展起来的，其孔洞体积小，管片强度损失很小，而且容易实现机械快速安装，但安装难度较高，施工误差要求较小。弯螺栓连接法则具有一定的自由度，便于安装。
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管片环面外侧设有弹性密封垫槽，内侧设嵌缝槽。环与环之间以纵向螺栓连接，既能适应一定的变形，又能满足防水要求。管片的块与块之间由环向螺栓相连，能有效减小纵缝张开及结构变形。
二、衬砌管片的安装
衬砌管片的安装一般借助盾构机自带的拼装机来完成。管片拼装机由拼装机大梁、支撑架、旋转架和拼装头组成。拼装机有六个方向的自由度，在拼装管片时可以使管片准确就位。
1、拼装的方式
拼装方式可分为通缝拼装和错缝拼装。通缝拼装是使管片的纵缝环环对齐，拼装较为方便，容易定位，衬砌圆环的施工应力较小，可减少管片配筋量，但其缺点是衬砌空间刚度稍差，环面不平整的误差容易积累。错缝拼装是使相邻衬砌圆环的纵缝错开，其整体刚性较好，但当环面不平整时容易引起较大的施工应力，在管片制作精度不够时容易在推进过程中被顶裂。
衬砌拼装方法按拼装顺序，又可分为先环后纵和先纵后环两种。先环后纵法是先将管片拼成圆环，然后用盾构千斤顶将衬砌圆环纵向顶紧。先纵后环法是将管片逐块先与上一环管片拼接好，最后封顶成环。这种拼装顺序，可轮流缩回和伸出千斤顶活塞杆以防止盾构后退，减少开挖面土体的走动。而先环后纵的拼装顺序，在拼装时须使千斤顶活塞杆全部缩回，极易产生盾构后退，故不宜采用。
2、负环管片的安装
负环管片也称临时管片，在盾构始发过程中，通过在反力架与千斤顶之间拼装负环管片来推动盾构机向前方掘进。在安装负环管片之前，为保证负环管片不破坏尾盾刷、保证负环管片在拼装好以后能顺利向后推进，在盾壳内安设厚度不小于盾尾间隙的方木，以使管片在盾壳内的位置得到保证。
第一环负环管片拼装成圆后，用4～5组油缸完成管片的后移。管片在后移过程中，要严格控制每组推进油缸的行程，保证每组推进油缸的行程差小于10MM。在管片的后移过程中，要注意不要使管片从盾壳内的方木（或型钢）上滑落。
负环管片的拼装类型通常采取通缝拼装。盾构井一般只有一个，在施工过程中要利用此井进行出渣、进管片，所以采用通缝拼装可以保证能及时、快速的拆除负环管片。
3、控制管片上浮
采取地铁盾构施工方式，隧道的刚度较小、整体性能偏低，隧道上方大量卸载可能引起盾构隧道的上浮或者坑底隆起问题，对盾构管片造成变形、破坏。同时，受到承压水的影响有时会发生流沙、管涌问题，对盾构隧道构成威胁。
在拼装管片过程中，应尽量控制管片之间的错台问题，及时调整螺栓安装质量，保持管片的定位准确性，提高连接牢固程度。同时，结合实际测量结果，优化调整盾构机的参数，提高管片拼装质量。
三、背衬注浆的施工
盾构施工中，随着盾构的向前推进，因盾构盾尾外径与管片外径之间的差值将会在管片背后产生空隙。为了防止地表沉降，必须将盾尾和衬砌之间的空隙及时压注充填。同时，压注砂浆后还可改善衬砌管片的受力状态，并加强衬砌的防水效果。压浆作业要对称进行，并尽量避免单点超压注浆，以减少对衬砌的不均匀施工荷载。
一次注浆分为同步注浆、即时注浆和后方注浆三种方式。同步注浆是在空隙出现的同时进行注浆、填充空隙的方式，分为从设在盾构的注浆管注入和从管片注浆孔注入两种方式。即时注浆是在一环掘进结束后从管片注浆孔注入的方式。后方注浆是指掘进数环后从管片注浆孔注入的方式。在盾构直径大或冲积黏土和砂质土掘进中多采用同步注浆，而在自稳性好的软岩中多采取后方注浆方式。
结语
隧洞工程中的衬砌施工尤为关键，它关系到隧洞围岩的稳定性，不仅会在施工阶段影响工程安全与进度，而且与隧洞将来的防水、防震以及外观质量密切相关。盾构法施工具有施工速度快、洞体质量比较稳定、对周围建筑物影响较小等优点，越来越多地被运用于各种隧洞工程。因而，管片衬砌的工艺也在应用的过程中不断得到改良和创新。
论文作者:左联宾
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/3
标签：管片论文; 盾构论文; 隧洞论文; 注浆论文; 螺栓论文; 荷载论文; 工程论文; 《基层建设》2018年第34期论文;