CN101705829B - 盾构法隧道管片衬砌质量控制方法及管片构造 - Google Patents

Abstract

本发明提供了盾构法隧道管片衬砌质量控制方法，包括：管片结构设计、管片施工检测、管片拼装质量要求及隧道稳定性控制，其中，管片结构设计是通过管片的连接方式、强度、防水等结构设计提升其防水性及结合强度；管片施工检测是在施工过程中对管片进行8点测量，计算出前一环管片与盾壳之间的同心度关系，并对下一环管片位置做出选择；管片拼装质量要求是对于拼装后之环高差以及纵缝张角加以控制，以确定拼装质量；而隧道稳定性控制则是在拼装后以车架压重、以及配合同步注浆施工方式，有效防止管片的上浮量，亦即，本发明从结构设计到施工全程对管片的质量进行控制，保证了隧道施工质量。

Description

盾构法隧道管片衬砌质量控制方法及管片构造

技术领域

本发明主要涉及盾构法隧道施工中的隧道衬砌质量的控制方法，尤指一种通过管片的防水设计、强度设计，以及拼贴后压重等手段，实现提高隧道衬砌质量的方法。 

背景技术

管片随盾构机推进而在盾尾内拼装成环，是隧道主体结构。每环管片由若干标准块、2块邻接块、以及1块封顶块组成。 

目前根据不同的盾构机施工，管片也有两种主流的拼装形式，其一为封顶块拼装在顶部，其二是封顶块可以拼装在任何一个位置。 

管片类型： 

(1)按照封顶块拼装在顶部为例，其管片组成一般性由左曲环、直线环、右曲环组成。 

(2)按照封顶块可以拼装在一环中任何一个位置的拼装形式为例，其管片一般只有一种类型的型号，称之为通用楔形环即通用管片。 

管片的拼装形式有错缝、通缝两种拼装形式。 

因此隧道管片的组合主要有以下3种组合： 

(1)【左转环+直线环+右转环】+【错缝拼装】 

(2)【左转环+直线环+右转环】+【通缝拼装】 

(3)【通用楔形管片】+【错缝拼装】 

国内对于通用管片的应用起步较晚，原有的管片结构形式是：(1)左转环+直线环+右转环；(2)左转环+右转环。拼装形式分通缝及错缝两种。尤其在管片拼装要求通缝的前提下，施工中轴线纠偏非常困难，必要的时候都要通过粘贴软木条等方法进行管片与设计轴线的拟合，这给施工带来极大不便，而且施工质量难以保证。 

而在隧道质量控制方面，国内的超大直径的隧道椭圆度、隧道轴线以及隧道上浮量等一些质量指标的控制上还不能完全令人满意，尤其是隧道上浮量的控制。 

再者，每一管片与其前、后、左、右相邻的管片之间，以螺栓连接，目前的连接结构，是于各管片上分别设有数个由内弧面凹入的凹槽，两相邻管片的凹槽之间再以穿孔相通，如此，螺栓由其中一管片的凹槽穿入穿孔，进而穿置于另一管片凹槽，并以一位于凹槽内的螺帽螺设，操作者以一扳手钳住螺栓头，再以另一扳手旋紧螺帽，如此，操作不便且耗时，人力可拧紧螺栓的程度亦有限。此外，由于螺栓与穿孔的孔径间隙大，易导致对合偏差。 

此外，关于隧道渗水及强度的问题，亦是另一个亟待解决的：目前关于管片的防水构造请参看图9所示，位于管片60a、60b周围的四个端面设有一道相连通的凹槽61，于凹槽61内嵌设一止水带70，止水带70突出于管片60a、60b表面，并且止水带70表面中间嵌入一遇水膨胀橡胶71，但是遇水膨胀橡胶71在施工过程中，极易因为碰撞而脱落，无法实现防水目的。 

再者，如图10所示，施工拼装管片60时，需要藉由千斤顶推顶压制管片60端面，使管片60与其它已拼贴之管片相并定位，但由于管片60的强度不足，往往受到千斤顶的推顶，以及侧边端面与其它管片碰撞而损坏。 

随着国内施工的隧道断面越来越大，管片质量的控制难度越来越严峻，必须制定一套方法来对盾构法施工的管片质量进行控制。 

发明内容

因此本发明要解决的技术问题隧道衬砌的上浮问题、防水及强度问题。 

为了解决上述问题，本发明所提供的技术手段在于提供一种盾构法隧道管片衬砌质量控制方法，其方法包括： 

管片结构设计：管片具有前端面、后端面及左、右端面，两相邻的管片之间以螺栓连接，且两相邻的管片之间夹设有遇水膨胀挡水条及止水带，该遇水膨胀挡水条及止水带是呈上下排列，遇水膨胀挡水条突出管面表面的厚度小于止水带突出管面表面的厚度； 

隧道稳定性控制：在管片拼装后以车架压重、并配合同步注浆施工，控制隧道衬砌的上浮量。 

本发明实施上述技术手段以后，通过上下设置的遇水膨胀挡水条及止水带形成双重的防水作用，而拼装后藉由车架压重以及配合同步注浆施工，得以控制隧道衬砌的上浮量。 

本发明的进一步技术手段在于该质量控制方法包括： 

管片施工检测：在施工过程中对管片进行8点测量，计算出前一环管片 与盾壳之间的同心度关系，并对下一环管片位置做出选择。如此，可以控制管片外弧面与盾壳内弧面的四周间隙。 

本发明的方法，进一步包括：管片拼装质量要求，于管片拼装过程中，其横竖径均控制在1‰D范围内，D＝15000mm；管片拼装后其环高差控制在8mm以内；管片拼装后其纵缝张角控制在2mm以内。藉此达到控制衬砌的椭圆度。 

较佳的，本发明的螺栓是斜向穿置于两相邻的管片，且相邻的其中一管片内预设一供螺栓穿置的螺帽。 

较佳的，本发明于管片的前端面设有供盾构机的千斤顶推顶的前凸块。如此，可以增加管片的强度，以盾构机的千斤顶推顶拼装时，其施力均匀分布于凸块，进而减少管片损坏的机会。 

较佳的，本发明于呈前后连接的二管片之间以多数个剪力销穿置连结。如此，在进洞段施工、进洞段施工、江中泵房、联络通道等特殊段，除了以螺栓连结前后管片以外，可进一步藉由剪力销加强连接，达到预防隧道衬砌错位的效果。 

较佳的，所述的剪力销是设于管片的前凸块中间，穿置套设于另一管片的后端面，管片左端面及右端面分别设有侧凸块。如此，可以加强侧边的强度，减少拼装过程中因为碰撞而损坏的机率。 

本发明进一步提供一种隧道衬砌的管片构造，其中，管片具有前端面、后端面及左、右端面，管片的各端面上嵌设一止水带，于止水带上方设有遇水膨胀挡水条，遇水膨胀挡水条突出于端面的厚度小于止水带突出的厚度，另于管片的前端面位于止水带下方处，至少设有一前凸块。由于遇水膨胀挡水条20突出的厚度小于止水带，因此可以预防拼装过程中因为碰撞而脱落。 

所述的管片构造较佳是于管片前端面的前凸块中间设有一突出的剪力销，另于左、右端面上分别设有侧凸块，管片的前、后端面任一端面设有与管片内弧面连通的第一斜孔，另一端面则设有对应延伸的第二斜孔，该第二斜孔内预设一螺帽； 

管片的左、右端面任一端面设有与管片内弧面连通的第一斜孔，另一端面则设有对应延伸的第二斜孔，该第二斜孔内预设一螺帽。 

由于每一管片的前、后端面；左、右端面均设有对应延伸的第一、第二斜孔，因此，在二管片相并之后，即可以将螺栓由第一斜孔穿入第二斜孔，而与螺帽对应螺固，再以气动工具操作拧紧螺栓。因此，可以强迫对合，而提高并装的精确度，以气动工具操作拧紧，可以提高效率及紧度。 

较佳的，所述的遇水膨胀挡水条是绕设于管片的后端面、左端面、右端面、前端面的其中一侧。 

附图说明

图1为本发明的隧道衬砌前视示意图； 

图2为本发明的局部隧道衬砌组合侧视断面图； 

图3为本发明的局部隧道衬砌立体图； 

图4为本发明的局部侧视断面示意图； 

图5为本发明的管片局部立体示意图； 

图6为本发明的局部俯视平面分解图； 

图7为表现本发明管片受到外力时的局部侧示断面示意图； 

图8为表现本发明以车架压重的平面示意图； 

图9为现有二管片的局部侧视断面示意图； 

图10为表现现有二管片受到外力时的局部侧示断面示意图。 

具体实施方式

下面结合具体工程对本发明超大直径盾构施工管片质量控制作进一步详细说明。以下说明当中，以盾构机掘土前进的该侧界定为前端，相对端为后端。以上海长江隧道工程为例，上海市长江隧道工程是连接浦东五好沟与长兴岛的隧道工程，是我国长江口沿海一项特大型交通建设项目。长江隧道工程分为东线和西线，两条线长度分别为7471.65m、7469.36m，隧道最大坡度为2.9％，最小平面曲率半径为4000m。隧道采用盾构法施工，所使用的盾构是海瑞克公司制造的直径为15.43m的超大泥水盾构，是目前全世界最大直径的盾构机。隧道内径为13.70m，外径为15.00m，厚度为0.65m，环宽为2.0m。 

长江隧道工程有着长、大、深的特点，然而做为目前全世界最大直径盾构来说，要控制好整条隧道的椭圆度、隧道衬砌上浮等复杂情况，管片结构形式、制作工艺以及拼装技术成为尤为重要的控制点。本发明通过各方面的努力，顺利地克服了这些难点，其控制管片施工质量的方法包括管片结构设计、管片施工检测、管片拼装质量要求、及隧道稳定性控制，遂一说明如 后： 

(1)管片结构的设计 

管片的优化项目包括连接方式的设计、防水设计、结构强度设计及剪力销设计： 

请参阅图1、3所示，以长江隧道为例，隧道管片：外径15000mm，内径13700mm，环宽2000mm，管片厚度650mm，楔形量为40mm。隧道衬砌采用单层管片，为通用环楔形管片，每环由10块管片构成，包括一设于顶部的封顶块11a、二块分别邻接于封顶块11a左右两端的邻接块11b、以及7块依序相邻接的标准块11c，以这10块管片组成环型的隧道衬砌10。图式所示系由隧道衬砌10的前方视之的。 

关于管片连接方式的设计： 

本发明将前后相邻隧道衬砌10之间用38根螺栓斜向连接，其中，前后相邻的顶块11a以2根螺栓连接，而邻接块11b与标准块11c则分别以4根螺栓斜向与前后相邻的管片相接。此外，每环左右相邻的管片块与块间以2根螺栓斜向连接，一环隧道衬砌10共需20根弯螺栓。 

螺栓单方向穿入，拼装精度高，而且所有螺栓均是通过气枪拧紧。与以往的对穿螺栓相比，更快捷、定位更精确。 

请参阅图2本发明的局部隧道衬砌组合侧视断面图，以前后相并的顶块11a、12a为例，说明所谓螺栓15斜向穿置的结构。位在后侧的顶块12a前端面与内弧面之间以一第一斜孔120连通，第一斜孔120位于内弧面该端并形成一孔径较大的承窝槽121，而位于前侧的另一顶块11a后端面，则形成与第一斜孔120对应延伸的第二斜孔111，该第二斜孔111内预设一螺帽16，所述第一、第二斜孔120、111及承窝槽121、螺帽16等，均是在制作管片时，即以模具同时形成，每一管片的前、后端面；左、右端面均呈对应延伸的第一、第二斜孔，并且，承窝槽121亦斜向延伸至内弧面，因此，在二管片相并之后，即可以将螺栓由承窝槽121该端穿入第一斜孔120、第二斜孔111，而与螺帽16对应螺固，再以气动工具操作拧紧螺栓。 

关于防水设计： 

请参阅图3、4及5所示，本发明的两块管片之间以上下排列的一遇水膨胀挡水条20及一止水带30形成双重防水效果，其中，遇水膨胀挡水条20 的材料较佳采用聚醚性聚氨酯，而止水带30的材料较佳采用三元乙丙，形成双重防水效果，本发明的结构是于管片的四端面设一环相通的凹槽110，于凹槽110内嵌设一止水带30，止水带30系部份突出于管片表面，该遇水膨胀挡水条20的厚度为3mm，在干燥未膨胀的情况下，其突出管片表面的厚度远小于止水带30，因此，在拼装过程中可以防止遇水膨胀挡水条20因为碰撞而脱落，以在拼装之后，实现预期的防水功能。 

本发明的遇水膨胀挡水条20的较佳设置方式请参阅图5及6所示，以封顶块11a及相邻的邻接块11b为例，每一管片的端面以一条遇水膨胀挡水条20绕设黏固，其是绕设于管片的后端面、左端面、右端面、前端面的其中一端(图式所示为前端面邻近右端面该端，亦可黏贴于前端面邻近左端面该端)，遇水膨胀挡水条20的两末段分别以一软塑性的贴片25压贴固定。 

关于管片强度设计 

为了提高管片的强度，减少拼装过程受到千斤顶的推顶，以及与其它管片拼装而损坏，本发明如图1、5所示于管片的前端面及左右两端面分别设有前凸块113、侧凸块114，管片的前端面即是受千斤顶推顶，图1所示之封顶块11a上设有一前凸块113，其余管片均设有二块前凸块113，前凸块113位置与千斤顶位置对应，使千斤顶的作用力如图7所示均匀作用于前凸块113上，管片不易损坏。而设于左右端面的侧凸块114则可以提升侧向受力强度，使管片拼装时不至于因为侧向撞击而损坏，侧凸块114的突出厚度小于前凸块113。 

关于剪力销设计 

特殊段施工时，如出洞段施工、进洞段施工、江中泵房、联络通道等特殊段更需要避免环与环之间错位，因此，位于这些特殊段及其前后一定距离的管片，如图3所示进一步设以剪力销40，剪力销40是设于管片的前端面，且位于前凸块113的中心处，每环隧道衬砌共有19个剪力销40，其较佳是以尼龙制成，其往外渐缩而形成锥形，管片后端面则相应设有供剪力销40穿置的孔，每个剪力销40可承受40T的剪切力，因此，管片连接除了以螺栓连接固以外，进一步藉由剪力销40套设连结，防止隧道衬砌环与环之间的错位。 

(2)管片施工检测 

每环推进结束前专人对管片一周8点的间隙进行测量，该8点位置是指定的，差不多是圆周等分8点位置，施工前这8点相对应的位置盾构机上做好标记，测量人员按照每个点标记的位置进行间隙测量，并对应的输入一管片选型系统中，管片选型便可根据间隙计算出前一环管片与盾壳之间的同心度关系，并计算一些相关数据对下一环管片位置的做出选择。 

(3)管片拼装质量要求 

管片拼装质量要求：①管片拼装过程中，其横竖径均控制在1‰D(D＝15000mm)范围内；②管片拼装后其环高差控制在8mm以内；③管片拼装后其纵缝张角控制在2mm以内； 

(4)隧道稳定性控制 

1、车架压重 

一般来说，由于隧道是一个空心体，在管片脱出盾尾后处于有巨大的上浮力，因此，隧道上浮是盾构施工的一种比较普遍的现象。因此，本发明在盾尾处设一车架50(如图8所示)，拼装成环的隧道衬砌在脱出盾尾的时候已经被自重800T的车架压住，有效防止了管片的上浮。 

2、同步注浆压注 

本发明包括了采用超大直径泥水平衡盾构施工同步注浆浆液(专利号申请号200610147635X)，有效控制了隧道的稳定性，隧道后期上浮量控制在20mm以内。 

通过上述的施工技术方法及管片设计，可以改善隧道衬砌的上浮量以及防水性、连结强度等功效。 

Claims (10)

1.一种盾构法隧道管片衬砌质量控制方法，其特征包括：

管片结构设计：管片具有前端面、后端面及左、右端面，两相邻的管片之间以螺栓连接，且两相邻的管片之间夹设有遇水膨胀挡水条及止水带，该遇水膨胀挡水条及止水带是呈上下排列，遇水膨胀挡水条突出管面表面的厚度小于止水带突出管面表面的厚度；

隧道稳定性控制：在管片拼装后以车架压重、并配合同步注浆施工，控制隧道衬砌的上浮量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征包括：

管片施工检测：在施工过程中对管片进行8点测量，计算出前一环管片与盾壳之间的同心度关系，并对下一环管片位置做出选择。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征包括：

管片拼装质量要求：管片拼装过程中，其横竖径的误差均控制在1‰D范围内，D为隧道管片外径的理论值；管片拼装后其环高差控制在8mm以内；管片拼装后其纵缝张角控制在2mm以内。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述螺栓是斜向穿置于两相邻的管片，且相邻的其中一管片内预设一供螺栓穿置的螺帽。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：

管片的前端面设有供盾构机的千斤顶推顶的前凸块。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：

呈前后连接的二管片之间以多数个剪力销穿置连结。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述的剪力销是设于管片的前凸块中间，穿置套设于另一管片的后端面，管片的左端面及右端面分别设有侧凸块。

8.一种隧道衬砌的管片构造，其特征在于：

管片具有前端面、后端面及左、右端面，管片的各端面上嵌设一止水带，于止水带上方设有遇水膨胀挡水条，遇水膨胀挡水条突出于端面的厚度小于止水带突出的厚度，另于管片的前端面位于止水带下方处，至少设有一前凸块。

9.如权利要求8所述的隧道衬砌的管片构造，其特征在于：

管片前端面的前凸块中间设有一突出的剪力销，另于左、右端面上分别设有侧凸块，

管片的前、后端面任一端面设有与管片内弧面连通的第一斜孔，另一端面则设有对应延伸的第二斜孔，该第二斜孔内预设一螺帽；

管片的左、右端面任一端面设有与管片内弧面连通的第一斜孔，另一端面则设有对应延伸的第二斜孔，该第二斜孔内预设一螺帽。

10.如权利要求8或9所述的隧道衬砌的管片构造，其特征在于：

所述的遇水膨胀挡水条是绕设于管片的后端面、左端面、右端面、前端面的其中一侧。

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