随着盾构法施工技术的迅速发展，越来越多的越江大直径盾构隧道工程涌现出来。管片在拼装过程中，由于管片施工误差，会导致在接缝处产生一定的张角；相比小直径盾构，大直径盾构普遍存在拼装难度大的问题；由于影响管片拼装质量的因素很多，因此管片间的张角很难準确计算和分析。本文以南京某越江大直径盾构为背景，通过建立椭圆度与接缝张角的关係，研究管片拼装阶段纵缝变形规律，进而分析其密封垫张开量，为今后盾构隧道双道密封垫设计、施工提供借鉴。

某盾构隧道越江段线路隧道外径11.2 m、内径10.2 m；採用通用双边楔形环管片，厚度0.5 m，宽2 m，楔形量为55 mm。一环管片由1 块封顶块F、2 块邻接块（L1，L2）、5 块标準块（B1，B2，B3，B4，B5）构成。封顶块圆心角为16.3637°，邻接块、标準块均为49.0909°。

本隧道为越江隧道，存在“隧道线路长、沿线水头压力高、覆土变化大”等特点。因此，其接缝防水採用双道密封垫防水设计，以满足接缝处的防水要求。

3.1 计算方法

作用在管片上的力有多种：在拼装阶段，管片受力主要是拼装力、重力、环间的约束力；而在推出盾尾后，还要增加土压力、水压力对管片的作用。因此，为研究管片间的可能张角，必须进行假设和简化。管片拼装时一般是先从拱底开始拼装标準块、邻接块，最后插入封顶块，管片的拼装工作一般都是在盾壳的保护下进行的。在拼装后作用于管片上的力只有管片的重力；而在管片没有封闭成环时，可以假设管片之间是不传递弯矩的。在最后阶段的封顶块插入后，由于周边的环向和纵向螺栓大部分已拧紧，可认为封顶块的插入对其余管片的影响是不大的，尤其对于错缝拼装，此时环间的凹凸榫对于管片的约束力很大。从保守的角度考虑，假设此时管片间的螺栓仅仅是顺应上环管片的拼装趋势旋紧而已，至此可以假设在管片拼装至推出盾尾期间，管片之间是不传递弯矩的。

为此，可将整环管片假设成一个由梁桿单元组成的铰接圆环，铰接处转角刚度为0，在隧道侧壁按照不同的椭圆度强制施加横向变形，使之变形成横轴椭圆和竖轴椭圆，分析各铰接处的交角变化，以此来估计拼装时可能的张角。

3.2 计算模型及参数的选取

（1）拼装位置

根据管片螺栓的位置，考虑封顶块的不同位置，假定封顶块中心轴线水平时为0°位置（图4）。按照封顶块绕顺时针旋转0°（即不旋转）,32.7272°,-32.7272°，-65.4544°，-98.1816°，-130.9088°，-163.636°，建立7个有限元模型。此处计算採用ANSYS10.0 通用软体。

（2）计算椭圆度

在管片拼装结束后，必须进行整环管片的椭圆度测试。控制椭圆度的目的是为了下幅管片的拼装顺利（尤其是错缝拼装），控制管片的形态以利于受力；而从防水角度来说，更重要的是控制接缝处的管片间张角, 以保证密封垫能有足够的接触面积以及足够的接触压力来抵御外水压力。《GB50446-2008盾构法隧道施工与验收规範》给出了关于各类盾构隧道的拼装质量限值。

参考衬砌环直径椭圆度，本文将计算椭圆度设定为2‰D，4‰D，6‰D，8‰D，10‰D，并根据以上椭圆度计算出隧道断面需施加的强制位移，。

3.3 计算结果分析

变形是相等的， 因此这里仅以封顶块位于 32.7272°位置， 在椭圆度为 2‰D 情况下的张角範围为-0.31°～0.31°；在椭圆度为 4‰D 情况下的张角为-0.621°～0.62°； 在椭圆度 6‰ D 情况下的张角範围为-0.93°～0.93°；在椭圆度 8‰ 情况下的张角範围为-1.243°～1.239°； 在椭圆度 10‰D 情况下的张角範围为-1.549°～1.555°。封顶块位置分别于32.7272°，0°，-32.7272°、-65.4544° ，-98.1816，-130.9088° ，-163.636° 时，很明显可以看出，椭圆度与相应相邻管片间夹角呈线性关係，相邻管片之间的张角（无论是内张角还是外张角）随着椭圆度的增大而增大。在横轴椭圆的情况下，当封顶块位于±32.7272°时外张角最大，当封顶块位于±32.7272°，-130.9088°时内张角最大；在竖轴椭圆情况下，当封顶块位于±32.7272°和-130.9088°时外张角最大，当封顶块位于±32.7272°时内张角最大。由上述分析可以看出，无论是横轴椭圆还是竖轴椭圆，封顶块位于±32.7272°位置时产生的内外张角都是最大的，因此封顶块位于±32.7272°的位置是管片拼装的最不利位置。基于以上计算结果进行分析，由于封顶块位于±32.7272°拼装位置时管片对称于水平轴，其接缝

对于接缝的防水， 密封垫处的张开量比接缝间的张角大小更为重要。为保证盾构隧道安全，基于工程偏安全考虑，认为管片纵缝发生外张变形时，以内侧混凝土接触位置作为中性轴转动， 而计算密封垫中心位置的张开量；纵缝发生内张变形时，以外道密封垫中心作为转轴进行转动。

考虑到《盾构法隧道施工与验收规範》对捷运盾构隧道拼装阶段衬砌环直径椭圆度不得超过±5‰D的规定，本文採用椭圆度为3‰D和5‰D分别进行分析。上节研究结果表明，当封顶块位于±32.7272°及-130.9088°时，管片之间的内外张角最大（-130.9088°位置张角处于最大值时与±32.7272°几乎相等），因此选用±32.7272°的封顶块位置进行研究。

最不利拼装角度下盾构管片发生不同水平直径收敛变形时各纵缝的张开量如表3 所示，表中正数表示外张开量，即为外道密封垫张开；负数表示内张开量，即为内道密封垫张开。

对于封顶块位于32.7°位置的管片，外道密封垫最大张开量发生在B3 与B2 两标準块之间，内道的最大张开量发生在B1 与L1 两块管片接缝处；对于封顶块位于-32.7°位置的管片，接缝外道密封垫最大张开量发生在B4 与B3 两标準块之间，内道的最大张开量发生在L2 与B5 两标準块管片接缝处。在3‰D的椭圆度下，最大内外道密封垫张开量分别为2.42 mm 与3.09 mm。在5‰D的椭圆度下，最大内外道密封垫张开量分别为4.04 mm 与5.14 mm。

在管片拼装阶段，拼装椭圆度与管片间张角呈线性关係。在相同拼装椭圆度下，封顶块位置对张角有影响，并且在封顶块位置角度为±32.7276°时张角最大，其为管片拼装的最不利位置。在封顶块位置角度为±32.7276°时，对于规範要求的椭圆度限值5‰D，其外道密封垫的最大张开量为5.14 mm，内道密封垫的最大张开量为4.04 mm。