承插式管片智能化拼装在盾构法隧道安全施工中的应用研究

摘 要：目前，我国盾构法地铁隧道普遍采用传统螺栓连接管片,该管片具有生产简单、施工操作方便等特点,但存在接头连接精度较低、整体性及强度较弱等问题。新型预埋承插式连接管片的应用，能提升盾构隧道管片的连接精度,减少劳动力投入，保证成型隧道质量，提高盾构隧道施工的安全性。新型预埋承插式管片特点，以及智能拼装技术的应用，能大大提高盾构隧道施工质量和安全，是盾构法地铁隧道管片的发展趋势。

关键词：盾构法地铁隧道；承插式管片；智能拼装技术；施工安全

引 言 随着城市轨道交通（地铁）的飞速发展，轨道交通已经成为城市交通的重要组成部分。在城市轨道交通建设中，隧道工程是地铁交通的重要载体，盾构法隧道施工因对周边环境影响小，安全性强，效率高，已成为城市轨道地铁施工的首选，其中盾构隧道管片的连接质量对地铁隧道工程安全质量及后续运营影响重大。

目前国内普遍采用传统螺栓连接管片，螺栓连接式管片的环缝和纵缝之间连接点多，受力方向倾斜，受力面积小，操作空间狭窄，全部人工操作。不但劳动强度大，工作效率低，而且容易损坏管片，存在安全隐患，造成后期渗漏点多，质量难以保证，后期病害多发，维修成本高等问题，进而影响隧道工程的安全性。

在上海轨道交通18号线二期工程土建2标盾构区间中，摒弃了传统的螺栓连接方式管片，采用了新型的预埋承插式管片，该管片采用预埋承插件进行管片环缝和纵缝连接，无需人工复紧，同时将智能化拼装技术应用于管片拼装作业。因此该管片拼装精度更高，成型质量更好，从而提高了施工效率及隧道工程质量和安全性，实现了隧道盾构施工作业自动化。

1 新型预埋承插式管片设计研究

1.1 新型预埋承插式管片

新型预埋承插式管片采用钢筋混凝土通用环管片，错缝拼装，每环管片最大楔形量为39.6mm。管片外径：6600mm；内径：5900mm；厚度：350mm；环宽：1200mm。管片分6小块：1块封顶块(F)、2块邻接块(L1、L2)、3块标准块(B1、B2、B3)。管片采用C55高强度混凝土预制，抗渗等级为P10。

1.2 新型预埋承插式管片接头形式

新型预埋承插式管片接头采用纵缝C-T型连接件接头、环缝螺纹＋倒刺型连接件接头的形式，如图2所示。管片纵缝采用C-T型连接件接头来代替一般的螺栓连接,该类型连接头连接便利,无需设置手孔 ,避免了手孔等位置混凝土局部受损的情况，提高了接头的刚度。管片环缝采用螺纹＋倒刺型连接件接头的形式，连接件材质为聚酰胺和钢材,连接后接头具有一定的可变形能力,对施工误差的适应能力强。在管片纵向面中预埋带螺纹构件,拼装下一环时,只要把接头杆件通过螺纹插入就可连接。杆件一边压入,扩开带螺纹预埋件内部的螺纹,到位后螺纹反弹至空隙处,通过“倒刺”紧密咬合。这种类型接头自动化拼装程度高,管片生产、定位的精度高，插入后接头连接位置螺牙紧固,抗拉拔、剪切荷载性能好。

1.3 新型预埋承插式管片防水设计

新型预埋承插式管片接缝设置双道密封垫（由遇水膨胀橡胶与三元乙丙橡胶复合而成）+挡砂条（材质为表面结皮的海绵橡胶）。

防水密封垫材质要求：

（1）遇水膨胀橡胶和非遇水膨胀橡胶应一次硫化成型，不得使用胶粘剂外贴的工艺方法；

（2）明确反复浸水实验中遇水膨胀橡胶的体积膨胀倍率≥200%，质量变化率≤3%，并对质量变化率的测定方法做出了规定；

（3）密封垫角部应硫化接角成型不允许使用胶粘连接；

（4）密封垫角部应棱角分明，角部与直条接差不超过0.5mm。

1.4 新型预埋承插式管片拼装

因管片连接件的特殊性，首块拼装必须从B2块开始，整环拼装顺序为：B2-B1/B3-L1/L2-F，如图4所示。

具体拼装步骤如下：

（1）B2块（首块）管片拼装：拼装块距与已成型管片端面间距约200mm处停止，操作红蓝油缸及倾角油缸伸出，操作水平油缸向后移动至管片后端面与已成型管片约150mm处位置，对齐三个纵向件与已成型管片标识均共线，操作水平油缸向后移动，使纵向件缓慢插入已成型管片纵向连接孔，移动约100mm，待拼装的管片与已成型管片距离剩余约50mm时，管片平齐后，伸出推进油缸顶推管片至纵向件安装到位。

（2）B1/B3→L1/L2块管片拼装：操作水平油缸，在当前块与已成型管片端面间距约400mm处停止，旋转至与相邻管片侧面约200mm，操作旋转慢档，保证管片块间接缝处前后间隙基本一致，观察C、T件是否碰撞，对齐管片标识线，相邻管片纵缝预留2mm间距，操作水平油缸慢慢靠近已成型管片，过程中观察T件是否正常进入C件凹槽，距离剩余约50mm，管片平齐后，伸出推进油缸顶推管片至纵向件安装到位。

（3）F块管片拼装：操作水平油缸，测量L1、L2之间净距（比尺寸大0.5～1mm），确保F块能正常插入，先径向插入搭接1/3，操作大臂伸出，对齐两侧承插件及纵向连接件，止水条侧面涂抹润滑剂，拼装机纵向平移使承插接头与纵向连接件同时缓慢插入已拼装管片，剩余50mm通过伸出千斤顶油缸将管片顶推到位。完成上述工作后，盾构即可进入下一环掘进。

2 智能化管片拼装技术

2.1 提高设备拼装精度技术

新型承插式管片拼装施工要求高，要求拼装零错误率，管片一经拼装则无法拆除，销钉与C-T件两种连接件允许拼装误差皆在1.5mm内。尤其是F块最大插入间隙（1.5mm）仅为传统管片的12%左右，拼装时需要多次精调，对设备的拼装精度提出了更高的要求。

通过拼装机遥控器上的摇杆控制拼装机的旋转动作，摇杆动作的幅度大小对应大小不同的值，放大板将输入的值比例转化为输出电压，通过输出电压大小调节多路比例阀开口大小，从而线性实时的控制流量大小，实现高精度微调，微调量控制在5mm/min以内。通过拼装机遥控器预留开关增加常开开关，新增慢速微调拼装模式，此改动相当于在不改变原有拼装机电液系统控制流程的情况下，将原拼装机速度调节范围进行了扩宽，可调速精度扩大10倍。

2.2 承插式管片拼装工艺技术

首先对承插式管片的拼装工艺进行研究，根据承插式管片的构造特点和连接方式，确定整环的拼装顺序，对拼装过程进行建模模拟，确定每块管片的拼装搭接量、错台和环缝的控制值，以满足拼装误差皆在1.5mm内，保证顺利拼装。

对承插式管片的拼装选型进行研究，通过配置升级，增加盾构间隙自动测量系统、管片预拼装系统、推进参数预警系统，得出最佳的推进参数，提高拼装一次合格率及拼装速率，避免人为操作错误，导致拼装错误，造成总大损失，保证工程进度和质量。同时相对于常规管片施工，对承插式施工技术参数、管片施工的负环设置、过渡环的连接、隧道内的设施布置等进行综合研究。

（1）盾尾间隙自动测量系统

盾尾间隙测量系统是通过多个嵌入在盾构机尾盾上，测量尾盾内表面距离管片外表面之间距离，进而计算管片相对于尾盾的空间位置关系的专用系统。

盾尾间隙测量系统，包括安装在盾构机尾盾上预留安装孔内的测距模块，测距模块电缆通过尾盾内预留通道布置，电缆出了尾盾后，连接至PLC采集系统，PLC采集模块和上位机电脑通过网线连接，进行数据传输。

盾尾内壳配置自动间隙测量功能，可实时在线测量尾盾和管片之间间隙，同时为管片预拼装系统提供更为精确的计算数据。

（2）管片预拼装系统

管环拼装系统通过考虑隧道设计轴线、管环设计、盾尾间隙、油缸行程、机器姿态与方向等，优化管环拼装施工，这样可以避免对混凝土管片和盾体本身造成的损害，是承插式管片施工中的决定性部分。

2.3 承插式管片自动拼装技术

（1）拼装机管片识别技术

通过图像识别、管片芯片预埋等方式，拼装机实现对当前块管片的块号、位置以及上一环已拼装完成管片的块号、位置进行智能识别，为拼装机对当前块管片的抓举、定位以及拼装机自动化拼装动作控制提供数据来源。

（2）拼装机模拟运动轨迹技术研究

计算机通过已识别当前块管片块号、位置以及上一环已拼装完成管片位置计算出当前块拼装管片与已成型管片的相对位置，建立坐标参考系，根据不同拼装点位需求，通过计算机仿真模拟路径，得出完成当前块管片拼装的运动路径。

（3）拼装机动作自动化研究

计算机控制中枢依照仿真模拟路径对PLC控制系统发出动作执行指令，PLC对执行指令进行量化处理，拼装机根据PLC已量化数据发出的举升、旋转、平移、微调等动作控制信号，执行相应动作，完成当前块管片拼装。

（4）推进油缸与拼装机动作联锁控制研究

计算机控制中枢依照仿真模拟路径，对PLC拼装模式推进油缸控制系统发出动作信号，在拼装机动作前，相应点位推进油缸缩回，在拼装机按既定路径执行完毕后，触发相应点位推进油缸自动伸出，顶紧管片，同时拼装机松脱管片并复位。

2.4 智能监控及传感技术

盾构施工现场安装全球眼视频监控及盾构机设备传感器，并与盾构值班室及业主监控平台连接，全过程、多方位地对盾构施工现场情况以及出土量、土仓压力、注浆压力和推进速度等盾构掘进参数进行实时监控，施工方和建设方都能及时有效地掌握了现场施工动态情况，有助于加强管片拼装、盾构掘进施工质量及安全管控。

3 结论

从上海轨道交通18号线二期工程土建2标新型预埋承插式管片的实际施工效果来看，各类施工质量评定指标均大大优于传统的普通螺栓连接的管片，其后期的病害及病害治理费用必将大大低于普通螺栓连接的管片。

图12 成型地铁隧道图

随着城市地铁建设的发展，承插式管片的应用和盾构拼装作业自动化、智能化，是整个盾构施工发展的必然趋势。因此需要打破传统的管片连接及拼装工艺，开展地铁盾构区间承插式管片施工及自动化拼装关键技术研究，弥补人工操作的缺陷，对于提高地下隧道整体质量和长期运行安全具有重要的意义。