管片选型方法(含曲线).doc

管片选型方法
1、引言
管片选型的目的就是按照设计线路的要求，选择适宜的点位将管片拼装成型，尽可能得符合设计线路。管片选型的基本思路是根据设计线路和盾构机姿态，计算已成型管片与设计线路的相对趋向，选择下一环管片的安装点位，以拟合成型管片与设计线路的相对误差，同时管片选型还需兼顾盾尾间隙。
2、趋向
2.1趋向的定义
趋向，实际是角度,只是代表的含义不同，趋向表示以此角度的方向上前进1米而在该角度上变化多少毫米，故趋向的单位是mm/m。例如盾构机与设计线路的相对趋向，实为盾构机轴向与设计线路中线的夹角，若VMT上显示盾构机的水平趋向为4，其意义为盾构机按目前的方向每往前推进1米，则盾构机水平方向要偏离设计线路中线+4毫米。垂直方向上的趋向理解同上。
盾构机与设计线路的相对趋向为α，后续管片与盾构机的相对趋向为β，则后续管片与设计线路之间相对趋向为α+β。

2.2趋向的计算
现以海瑞克盾构机(刀盘6.28米)为例，进行趋向的计算。按常规操作规定水平方向右为正，左为负；垂直方向上为正，下为负。
海瑞克盾构机VMT测量系统前点位于切口换处，后点位于中盾内，前点和后点的距离为3.92米，为计算方便取4米；盾构机推进油缸位置处于中心对称半径为2.85米的圆上，相邻油缸距离约4米。
根据VMT测量系统的显示能得知盾构机前点为（x1，y1），后点为（x2，y2），故盾构机相对设计线路的水平趋向为α1=（x1- x2 ）/4 ，垂直趋向为α2=（y1- y2 ）/4。
同理，管片相对盾构机的趋向可以根据推进油缸的行程计算得出。设四组油缸行程分别为LA、LB、 LC、LD,根据推进油缸中心对称的原理得知，水平方向油缸行程差为LA- LD = LB - LC，垂直方向油缸行程差为LA- LB = LD - LC，故管片相对盾构机的水平趋向为β1=（LA- LD）/4 ，垂直趋向为β2=（LA- LB）/4。
所以管片与设计线路的水平趋向为α1+β1 =（x1- x2 ）/4+（LA- LD）/4，垂直趋向为α2+β2 =（y1- y2 ）/4+（LA- LB/4；管片选型的目标是尽量使管片与设计线路的趋向接近于零，故下环管片应尽量选取管片自身水平趋向为-（α1+β1），垂直趋向为-（α2+β2）的点位。
当盾构机正常掘进时，|α1+β1|、|α2+β2 |均应控制在0~3之间，在4~6之间应该调整，绝对不允许大于6。在纠偏线路上，应根据纠偏线路，|α1+β1|、|α2+β2 |可略增加，增加幅度与盾构机实际纠偏线路的趋向一致。
3、管片选型实例计算
3.1 直线段管片选型
在直线段盾构掘进过程中，设计线路的自身趋向为0，盾构机相对设计路线的趋向由VMT显示得知，如：
后点 前点 趋向
水平 2 5 1
垂直 -2 -6 -1
则α1=1，α2=-1。
盾尾内管片与盾构机的相对趋向由推进油缸行程差计算得知，如：A组油缸行程：LA =1842mm，B组油缸行程：LB =1810mm，C组油缸行程LC =1799mm，D组油缸行程：LD =1831mm，则管片相对盾构机的水平趋向为β1=（LA- LD）=（1842-1831）∕4≈3，垂直趋向为β2=（LA- LB）/4=（1842-1810）∕4=8。
因此管片与设计线路的水平相对趋向为α1+β1 =1+3=4，垂直相对趋向为α2+β2 =-1+8=7。下环管片应尽量选取管片自身水平趋向为-4，垂直趋向为-7的点位。
下面以广州常用的左右转环管片为例选择点位。该管片为后楔形，楔形量为38mm。其中标准块长度为1498mm，左、右转环长边为1517mm，短边为1479mm。
根据正弦定律可计算K块拼装在各个点位时的水平和垂直的楔形量，计算结果如下表所示：
左转环
右转环
安装点位
水平楔形量
垂直楔形量
安装点位
水平楔形量
垂直楔形量
1点
-36.14
11.74
1点
36.14
-11.74
2点
-22.34
30.74
2点
22.34
-30.74
3点

0
38
3点
0
-38
4点
22.34
30.74
4点
-22.34
-30.74
5点
36.14
-11.74
5点
-36.14
-11.74
7点
36.14
-11.74
7点
-36.14
11.74
8点
22.34
-30.74
8点
-22.34
30.74
9点
0
-38
9点
0
38
10点
-22.34
-30.74
10点
22.34
30.74
11点
-36.14
-11.74
11点
36.14
11.74
管片外径为6米，故K块拼装在各个点位时的水平趋向和垂直趋向为相应的楔形量／6米，例如左转1点的水平趋向为-36.14／6≈6，垂直趋向为11.74／6≈2。
上述管片与设计线路的水平相对趋向为α1+β1 =4，垂直相对趋向为α2+β2 =7。下环管片应尽量选取管片自身水平趋向为-4，垂直趋向为-7的点位。根据楔形量计算管片自身趋向得出，左转环K块拼装在10点或者右转环K块拼装在4点的位置时水平自身趋向为-22.34／6=-3.7mm／m，垂直趋向为-30.74／6=-5.1 mm／m，能较好的满足拟合趋向的要求。
3.2 已知半径曲线段管片选型
对已知曲线半径的管片选型方法，基本思路跟上述一致，只需多计算设计线路的自身趋势，在管片选型时叠加。
例如:已知设计线路曲线半径为右转400米，每环转弯楔形量为6000×1.5／400=22.5mm，即管片拼装完成后的平均楔形量为22.5mm时就能满足设计线路为400米的半径。设计线路自身水平趋向为γ=22.5∕6≈4，故管片选型时应选取的管片自身水平趋向为-（α1+β1）+γ=-（α1+β1）+4。
设计线路在纵向坡度竖曲线修正时的曲线半径通常很大，管片选型时可以忽略竖曲线修正时的影响。
4、考虑盾尾间隙选型
在盾尾和管片处于真圆状态时，上下盾尾间隙和左右盾尾间隙之和分别应等于150mm，为了管片的受力均匀，管片的走向应使盾尾间隙趋于均等。例如测得盾尾间隙为上：65mm 下80mm 左：60mm 右：90mm，则盾尾间隙差为：上-下=65-80=-25mm；右-左=90-60=30mm，通过盾尾间隙判断，下一环管片走向应是右下方，即选择右转环11点或10点。
盾尾间隙上、下、左、右分别为ζ1、ζ2、ζ3、ζ4，当管片即将拖出盾尾时，对应盾尾间隙ζ1、、ζ2、、ζ3、、ζ4、 其关系如下：
ζ1、 =ζ1 +（L3-L1）L/4 ζ3 、=ζ3 +（L1-L3）L/4
ζ2 、=ζ2 +（L4-L2）L/4 ζ4、=ζ4 +（L2-L4）L/4
注：L为实测管片间隙处距尾刷端部的距离。
当ζ1、、ζ2、、ζ3、、ζ4、 值小于ζ时，管片在脱出盾尾地方受到该方向盾尾的附加压力，容易造成管片开裂和变形。差值越大，受力越大。根据一般经验差值大于30mm时，管片将会破损。
通常情况下管片选型必须按照设计线路和盾构机的姿态来选择K快点位，只有盾尾间隙在≦60mm的情况下，才能根据盾尾间隙来选型。
5、小松盾构机管片选型
小松盾构机管片选型的原理与上述原理完全一致，只是由于盾构机和测量系统的自身差异，计算管片选型时选取的数据有所差异。
测量系统上，小松盾构机分前点、中点和后点，由于小松盾构机的主动式铰接在前盾和中盾之间，所以我们选择测量的中点和后点的距离计算盾构机与设计线路的相对趋向；同理，计算管片与盾构机的相对趋向时，应先根据小松盾构机推进油缸安装的位置计算相邻两组油缸的距离，其他计算过程则与海瑞克盾构机完全一样。

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