盾构机和衬砌环的定位测量及偏差控制体系.pdf

土建技术URBAN RAPI D RA I L TRANSIT 盾构机和衬砌环的 定位测量及偏差控制体系王策民1鞠世健2(1.北京城建设计研究总院 北京100037; 2.广州市地下铁道设计研究院 广州510010)摘 要 盾构机的空间定位用三度直角坐标和三度姿态角,拼装式衬砌环的定位用三度直角坐标加两度“ 侧超前 ” 和横滚角证明衬砌环的姿态偏差(侧超前)是引发常用平端面衬砌环隧道出现连续错台的直接原因定义了“ 超前 ” 、 “ 错台 ” 的概念,导出它们的数量关系为提高装配式隧道的质量,减少环缝的连续错台,更要并杜绝衬砌环的净空侵限,首先要控制盾构机在推进时的位置和姿态偏差,同时也要控制衬砌环拼装时的位置和姿态偏差给出一套控制定位偏差的限量体系,供工程项目试用关键词 定位测量 定位偏差 位置偏差 姿态偏差偏差控制 超前 错台1 盾构机的定位测量如果要准确地描述一个物体的空间“ 处境 ”,一般需要说明其6个空间形位特征同样,描写盾构机的空间处境也要用6个参数,但参照的直角坐标系是盾构机所到里程的“ 线路坐标系 ”,用切口中心的横向偏差Δl、 竖向偏差Δh和里程K表示盾构机的位置,用方位偏差Δ α 、 坡度偏差 Δi和横滚角 κ这三个角度表示盾构机的姿态。

位置 ” 、 “ 姿态 ” 两组参数全面地描述了盾构机的空间处境,这在隧道工程界认识上是一致的但目前对测定这两组参数的操作过程的描述不够统一:有的称定向测量,有的称导向测量,有的称姿态测量,有的称方位测量,也有的称定位测量等笔者认为,称“ 定位测量 ” 较正确,建议在规范类和教科书类文献里率先采用“ 定位测量 ”,以求统一收稿日期: 20070622 修回日期: 20071219作者简介:王策民,男,教授级高级工程师,主要从事地铁工程测量和设计研究工作, wang_ceni m @s ina. com2 衬砌环的定位测量衬砌环虽不是运动物体,但是它一直在向前延续随着盾构机向前推进,衬砌环会逐环脱出盾尾,进入围岩和地下水等永久性介质之中,最后需将隧道结构交付铺轨和设备安装,所以也有定位要求一般要定位2次以上:第一次是当用管片在盾尾环里拼装成环后进行;第二次是衬砌环完全退出盾尾,且经过衬背注浆在地层中固定以后进行这两次定位既要确定衬砌环的位置,也要确定衬砌环的姿态对衬砌环的形位要求是:衬砌环中心应当在隧道设计中心线上,而衬砌环的环面应当与隧道设计中心线的法面重合一般只要测定衬砌环的前端面里程K、 环中心的横向偏差Δl、 竖向偏差 Δh,就解决了衬砌环定位的位置问题;然后检测环端面是否和隧道的设计法面重合,以解决衬砌环定位的姿态问题。

与给盾构机定位不同,对衬砌环的定位一般不是从测定角度偏差着手,而是按线路设计里程,比较环端面左、 右哪一侧“ 超前 ”,上、 下哪一侧“ 超前 ” 实际上,是以另一种方式来确定衬砌环姿态的方位偏差 Δ α和坡度偏差 Δi对于衬砌环的横滚角κ,经常按工程项目的需要安排测或不测根据超前量的大小,更便于判断是否需要对衬砌环的姿态进行纠偏纠偏的方式经常可利用楔形衬砌环3 衬砌环的变形衬砌环的刚度是有限的,受盾构千斤顶的推力(不一定均匀) ,围岩压力、 重力、 浮力,以及后面已成环的姿态、 平整度等诸多因素的影响,将会产生弹性或塑性变形较典型的有椭圆变形和端面翘曲为此,一般比较横、 竖向直径,测定横、 竖向椭变若比较更多方向的直径(如有必要) ,可以更明确衬砌环的实际椭度和椭向94都市快轨交通 · 第21卷 第2期2008年4月URBAN RAPI D RAI L TRANSIT拼装后,衬砌环面常常是不平的,在普通情况下,测上下左右4点,求出侧超前时,可以认为衬砌环端面是平的,但如果测定8～10个点也许能发现端面是翘曲的,甚至是比较复杂的翘曲衬砌环的变形在工程进展过程中应随时抽检,有问题应安排纠正,但一般不为端面翘曲纠平。

4 衬砌环的错台4. 1 错台的分类衬砌环之间和管片接缝之间的错台原因很多,大错台往往产生于衬砌环的受力变形和衬砌管片的破坏这种错台是突出的,在30～50 mm量级,是偶然的、 个别的,既不知会发生在哪个里程、 部位,也不知会发生在哪个时间实际上它可能发生在环缝上,也可能发生在纵缝上,但往往影响范围较小,涉及一两块管片这种错台常会伴生个别管片的开裂、 变形和破损,甚至漏泥、 漏水这些都是工程地质和水文地质异常和管片质量、 工程质量异常造成的,是值得设计、 施工界研究总结的课题,但是大错台发生的几率相对较小另外一种错台是一般性的,不太突出,在10～20 mm量级(不排除这种错台也会发生到30～50 mm量级) ,发生几率高,发生在环缝上,有时同一位置上的错台会接连发生,甚至发生好几起错台往往在新拼衬砌环脱出盾尾后立即被发现,而且有可能在一个位置上的错台逐渐消失,又有其他错台在别的位置上出现,且连续发生在一般情况下,一般性错台虽不说此起彼伏,却屡见不鲜这种一般性错台发生的原因,恰好是由于不重视衬砌环的定位测量,不分析衬砌环的位置,尤其是姿态偏差,并进行衬砌环的姿态纠偏所致因此,在讨论衬砌环定位的时候,应对这种错台发生的机理进行分析。

衬砌环之间有纵向螺栓压紧,发生错台时,纵向螺栓和螺栓孔会因错台而产生变形乃至损坏,甚至会拉裂管片,漏水、 漏泥4. 2 环缝错台的机理新衬砌环在拼装时一般均和旧环对接整齐,为什么一通过盾尾就出现错台呢?这是因为新衬砌环拼装时有纵向螺栓和螺栓孔定位,在盾构尾壳保护下,衬砌环周边不受约束,自由地依托在前一衬砌环面上若新拼的一环是拼在原本姿态不正的旧环基础上,旧环环面朝向和设计隧道中线间存在一个夹角,新拼的衬砌环总会有一定的宽度(1. 2 m或1. 5 m) ,因此盾尾壳里的新拼环端面中心会更加偏离隧道中心,新环面周边在最大超前直径的某一端可能会翘出盾尾密封环周边轮廓,另一端则凹入盾尾密封环轮廓(见图1)图1 衬砌环姿态不正引发环缝错台示意图衬砌环在突出于盾尾密封环轮廓周边的那一侧,将在盾构推进过程中被挤入密封环,而且随着盾构的向前推进,受到的径向约束力越来越大,但另一侧的情况正相反,越向前推约束力越小当两端不平衡的横向力超过新旧环接缝摩擦力时,衬砌环间发生横向错动如小错动不能到位,纵向螺栓和螺栓孔就会承受剪力,导致变形甚至损坏这种剪切错动并非仅由密封环的静紧箍力所引起<5. 5～6. 5 m的盾构机总有约1 000 t的纵向推力,其中包括“ 拖拉 ” 盾尾壳的上百吨力,使其克服与尾壳外围岩的摩擦力和滑过抱紧的衬砌环。

当碰到不均匀挤进密封环的衬砌环时,就产生不均匀紧箍力(由拖拉盾尾环的力产生的法向分力) ,这个力与上述错动趋势一致,助长了错台的发生4. 3 超前和错台的关系盾尾密封环在盾构推进过程中通过上述机理,让图2 衬砌环一侧超前与错台示意图翘出隧道设计周边之外的新环面往设计中线方向归位只有衬砌环以错动方式归至盾尾密封环的中心,才能通得过法向位置相当固定、 弹性变形量很小、 对衬砌环约束又很紧的盾尾密封环但归了心的衬砌环并没有改变固有的不正姿态,超前的一侧依旧超前,只是中心和周边在法向上都比刚拼好时横向移了位错台的大小正和衬砌环归心的法向位移量一致,而错台的数值与衬砌环侧超前量是成比例的(见图2)图2中表示的是沿最大的“ 一侧超前 ” 直径剖开的衬砌环,衬砌环直径两端05盾构机和衬砌环的定位测量及偏差控制体系URBAN RAPI D RA I L TRANSIT 与法线的距离差q表示超前量,衬砌环宽的两端距筒形隧道设计母线的距离差 Δ则表示错台量,两者的比例关系为错台量Δ∶ 衬砌环宽=一侧超前量q∶ 衬砌环外径上式表明,衬砌环姿态的不正(即存在一侧超前)是衬砌环错台的根本原因如果不对衬砌环的姿态问题及时纠偏,错台就会在同一直径位置上重复。

所以,建议经常对衬砌环进行定位测量,必要时安排衬砌环的姿态纠偏能把姿态不正的衬砌环变成衬砌环间的错台,是有盾尾密封环盾构的一种属性对于没有盾尾密封环的老式盾构,若管片环不正姿态延续,衬砌环就会抵触到盾构尾壳,而无法继续拼装,这时必须进行衬砌环的姿态纠偏5 盾构机和衬砌环的定位偏差限额5. 1 盾尾密封环的法面度前面曾假设盾尾密封环的环面处在法面上,但实际上盾尾密封环经常不在法面上,因为盾构机推进中也有姿态偏差例如,方位差(偏航角)Δ α和坡度偏差(俯仰差)Δi会带动盾尾密封环发生同样的偏差,使其偏离设计隧道中心线的法面,即盾尾密封环也会发生某一侧超前如果衬砌环拼装得都正确, (端面与法面重合,没有姿态误差) ,但是盾尾密封环的侧超前足够大,可以预期推进时衬砌环间也会发生同类的错台同理,当衬砌环面和盾尾密封环面均不在法面上,且不平行、 夹角足够大时,也会引发错台只是盾尾密封环的姿态误差引发的错台,可能同时伴有隧道走偏,即引发新衬砌环中心更大的位置偏差 Δl、 Δh关于走偏,这里暂不讨论盾尾密封环是否在法面上除了受盾构的姿态偏差影响外,还受另外一个重要因素即盾构机的“ 铰接 ” 影响铰接角度设置得不正确,如直线推进时还保留着铰接角、 弯道(平、 竖曲线)推进时设置的铰接角度数值或方向不正确,也会直接导致密封环的非法面度,如果非法面度足够大,自然也会引发错台。

5. 2 定位偏差的限定如何掌握盾构机的推进和衬砌环的拼装,才能避免或减小衬砌环间的错台和杜绝隧道衬砌侵限呢?除了要正确地控制盾构和管片拼装工艺外,还要对各种定位偏差的合理范围进行限定,加以掌握5. 3 从控制两种环面侧超前讨论起衬砌环间的一般错台源于衬砌环端面和盾尾密封环端面的不平行,若想分别控制这两种面的法面偏差,可设定其限值:每个面的非法面度引发的错台均不得超过1 cm首先讨论衬砌环姿态偏差引发的错台,假设盾尾密封环在法面上没有误差衬砌环环缝上1 cm的错台对应其所在直径上有5 cm的超前量,超前量=错台量 × 衬砌环直径/衬砌环宽=1 cm×6 m /1. 2 m = 5 cm对宽1. 5 m的衬砌环,算出来是4 cm也就是说,需要控制衬砌环的超前量在4～5 cm范围以内,例如,我们限定为 ±5 cm (此处 ± 号表示左或右超前、 下或上超前)再去讨论盾尾密封环姿态偏差引发的错台既然前面限定衬砌环的超前量不得超过 ±5 cm,那么盾尾密封环的超前也应该限定为 ±5 cm,因为两者只要有一处有超前就能促成错台的产生,机理是类似的但是,盾尾密封环的超前量目前是难于检测的因为盾尾密封环的超前源自盾构机姿态的偏差,所以,应把限定超前量换算成限定盾构切口中心和盾尾中心的相对偏差,并以此分别限制切口中心和盾尾中心的绝对偏差值,间接控制盾尾密封环的非法面度。

在横向上,口、 尾相对偏差限额为Δl口-Δl尾=允许的盾尾密封环超前量 × 盾构机长÷ 盾尾密封环直径=±5 cm×8 m÷6m≈ ±7 cm同理,在竖向上,口、 尾相对偏差限额为Δh口-Δh尾≈ ±7 cm最后把 ±7 cm的偏差限额分配给口、 尾中心:口是±4 cm,尾是 ±3 cm (此处 ± 号表示右或左侧 Δl偏差、上或下侧Δh偏差)继而把位置限差再换成姿态角的限差,则方位(偏航)限差Δ α=±70÷8 000ρ ′≈ ±30′( + ,转右/顺时针; - ,转左/逆时针)坡度限差(俯仰偏差)Δi=±70÷8 000×1 000‰≈ ±9‰( + ,比设计坡度“ 更上坡 ”; - ,比设计坡度“ 更下坡 ”)横滚角κ也是姿态角,因为他可以用交替地正反转刀盘来修正,故没有设限5. 4 限差表综上所述,可以归纳出控制盾构机定位偏差和衬砌环定位偏差的限额如表1、 表2所示有了偏差限额表,并在实践中推广应用,预期盾构隧道的形位质量能有所提高盾构机定位和衬砌环定位都是多参量定位,“ 定位偏差限额 ” 也是多参量的综合限额,需综合满足限额要15都市快轨。