盾构隧道拼装成型后，部分管片因外力作用发生位移。在盾构机掘进过程中，隧道管片位移在多数情况下表现为管片上浮，主要受工程地质条件、水文地质条件、衬背注浆质量、盾构机姿态控制等影响 ^[1,2,3,4]。盾构隧道的很多质量问题都与管片位移密切相关，如管片错台、破损，管片姿态超限，隧道渗漏水等。减少隧道质量问题，提高隧道成形质量，须控制引起质量问题的主要源头，即管片位移。通常通过控制盾构机开挖直径、提高管片拼装人员的技能控制管片拼装精度;通过分析工程地质条件、水文地质条件，通过控制二次注浆压力、注浆量、注双液浆及注浆位置调整注浆不均引起的隧道变形 ^[5,6,7];通过控制推进油缸分区压差(≤8MPa)控制管片姿态等方法减少管片位移，进而控制隧道成形质量 ^[8,9]。但以上方法较复杂，且与施工人员的施工经验及地质分析能力有关，在具体操作过程中还受人为因素的影响，因此较难控制。故在盾构机上配备新型隧道管片整形装置，使其能在管片拼装后及时整形，并背后注浆固定管片，预防由于各种外力引起的隧道变形，保证盾构隧道的成形质量及管片拼装效率。

　　 1)结构特点日式隧道管片整形装置如图1所示，采用管片局部仿形法整形，包括1个门式整形架、2个撑紧组件(内含2根撑紧油缸)、2个导向座、2根移动油缸及2根导轨。拼装管片时，管片整形装置中的2根整形油缸伸出，推动整形架上升至已拼装好的管片位置，对管片进行整形。

　　 2)优点整形装置自带移动动力，可防止出现误操作，整形装置无需外力搬运;撑紧组件具有导向功能，防止撑紧油缸受偏载力;整形架与导向座连为一体，安全性好。

　　 3)缺点整形装置只对隧道上部进行整形，可防止管片下沉，但无法控制管片上浮。

　　 1)结构特点德国海瑞克公司隧道管片整形装置如图2所示，采用整体仿形法，包括3个整形架、2根油缸及1根铰接销。拼装管片时，整形装置中的2根整形油缸伸出，推动3个弧形整形架张开至已拼好的管片位置，并对管片进行整形。当管片被推出盾尾时，及时对管片背后进行二次注浆，固定管片。

　　 2)优点整形装置对整环管片的整形效果好。

　　 3)缺点施工过程中如未及时通过管片拼装机将整形装置拉至前端，便缺少移动整形装置的动力;施工过程中整形油缸易向外泄压，存在整形装置倾倒风险。

　　 1)结构特点铁建重工隧道管片整形装置专利产品如图3,4所示，采用管片局部仿形法整形，包括整形架1、整形架2、2个撑紧组件(内含2根整形油缸)、顶升组件(内含1根顶升油缸)、保护销及检测装置 ^[10]。管片拼装前，利用管片拼装机的移动将隧道管片整形装置平移至另一环管片整形位置。顶升组件中的顶伸油缸伸出，带动隧道管片整形装置整体上升，上部弧形整形架抵至管片处，此时管片整形装置中的2根整形油缸伸出，推动下部弧形整形架下降，抵至下部管片位置，对整环管片进行整形并撑紧管片，此时将顶升油缸缩回，使顶升组件与隧道管片整形装置脱离，然后管片拼装机移动抓取管片进行拼装，提升管片拼装效率。当管片被推出盾尾时，施工过程中及时对管片背后进行二次注浆，固定管片的形状。

　　 2)优点整形装置对隧道整环管片上下进行整形，效果好;整形架带自稳撑架，安全性好。

　　 3)缺点施工过程中如未及时通过管片拼装机将隧道管片整形装置拉至前端，便缺少移动整形装置的动力。

　　 新型隧道管片整形装置研发目标包括整形效果好、安全性高、防止误操作、操作简单。

　　 整形装置就位→管片整形→推进管片出盾→注浆固定管片→停止推进拼装管片→管片整形完成→平移整形装置。

　　 对比各类隧道管片整形装置优缺点，新型隧道管片整形装置采用上下局部仿形法进行整形。

　　 由于缺少直接移动隧道管片整形装置的动力，借鉴日式整形装置自带的移动动力，结合研发实际情况，将整形装置的行走轨道设置在管片拼装机行走轨道上。

　　 新型隧道管片整形装置如图5,6所示，包括2个整形架、2个撑紧组件(内含撑紧油缸)、2个滚轮组件、2个平移组件(内含平移油缸)及4根铰接销 ^[11]。管片拼装机准备拼装管片时，撑紧油缸收缩，2个整形架与隧道管片脱离，此时将平移油缸切换至非浮动状态，平移油缸缩回，带动整形装置前移至管片整形位置，撑紧油缸伸出，推动2个整形架进行管片整形。撑紧油缸撑紧后，平移油缸处于浮动状态，然后管片拼装机拼装管片，以提高管片拼装效率。当管片被推出盾尾时，施工过程中及时对管片背后进行二次注浆，固定管片的形状。

　　 管片外径6 600mm、内径5 900mm、宽1 500mm;盾构机穿越土层主要为淤泥质黏土、黏土、粉质黏土、黏质粉土、砂质粉土、粉砂、极细砂、中粗砂;地面环境最低温度-10℃、最高温度60℃;工作面环境最高温度35℃;隧道内最高相对湿度100%。

　　 管片密度2.6×10³kg/m³，计算知整环管片质量为2.63×10⁵N，整形架质量为3.5×10⁴N，进而可计算知撑紧油缸推力为1.49×10⁴N。整个隧道管片整形装置质量为3.6×10⁴N，可计算出整形装置移动时所受的摩擦力为1.8×10³N，进而计算知平移油缸推力为0.9×10³N。

　　 实际设计中取1.25～1.5的安全系数，同时还可通过设置油缸的额定压力调整油缸推力。

　　 根据管片内径设计弧形整形架，包括垫板和弧形架(见图7)，其中垫板起缓冲作用，防止损坏管片;弧形架起仿形和传递动力作用，设计时需满足强度、刚度要求。

　　 撑紧组件包括上内套筒、导向板、外套筒、连接销、连接法兰、撑紧油缸、下内套筒等(见图8)。根据撑紧油缸的安装距离、行程、连接方式设计撑紧组件。撑紧组件为整形架提供动力，起导向作用，保护油缸不受偏载力，提高油缸使用寿命。

　　 平移组件包括油缸座和平移油缸(见图9)，主要作用为平移整个整形装置的位置。根据管片拼装机的结构形式及平移油缸的行程和推力进行设计。

　　 滚轮组件包括滚轮支座、轴承、轴用挡圈、孔用挡圈及滚轮(见图10)。根据管片拼装机具体结构及与撑紧组件的连接方式、撑紧行程进行设计，满足强度、刚度、可维修性、可加工性及可装配性的要求。

　　 为保证整形效果及安全性，需对撑紧状态及盾构机推进状态进行识别。当撑紧油缸伸出行程到位，且压力大于设定值后，整形装置处于撑紧状态，此时默认盾构机为推进状态，平移油缸处于浮动状态，反之默认盾构机为停止推进状态，平移油缸处于锁定状态。

　　 撑紧油缸需具备行程检测功能(采用外置式或内置式行程传感器)，实时识别撑紧油缸状态，以便识别整形装置工作状态。

　　 为防止整形装置脱出管片拼装机托梁，在托梁尾部应设置行程限位开关与机械限位的双重保护。

　　 为保证盾构机操作人员的安全，需对管片拼装机与整形装置的相对位置进行识别(二者间距<300mm时)，避免夹人。

　　 为保证盾构机的安全，盾构机与整形装置应具备以下自锁功能:(1)盾构机推进模式下管片拼装机不能移动，整形装置运动至托梁尾部行程限位开关位置时，拼装机不允许后移。(2)盾构机拼装模式下，整形装置在未撑紧管片的工况下，托梁尾部行程开关触发，拼装机不允许后移。(3)整圆器撑紧管片状态下，整圆器平移油缸完全伸出时，拼装机不能向前推进;整圆器平移油缸完全缩回时，拼装机不能后移。(4)管片拼装机与整形装置的相对距离为300mm时，运动部件停止或降速运动，避免夹人。(5)整形装置撑紧油缸完全缩回时，才能平移整圆器。(6)整形装置撑紧管片状态下，整形装置平移油缸自动处于伸缩浮动状态。(7)整形装置平移时有声光报警，提示施工人员注意避让。(8)整形装置撑紧油缸压力达到设计定值时，撑紧到位传感器无信号或撑紧伸出检测开关有信号，但撑紧油缸压力小于设计值，此时处于故障状态，需检查故障。(9)整形装置撑紧油缸无法完全缩回，此时为故障状态，需检查故障。

　　 将新型隧道管片整形装置应用于上海地铁17号线朱梅路站—罗秀路站盾构区间铁建重工盾构机上，本区间线路出朱梅路站后沿老沪闵路一路向北，过莘朱东路后上行线以R-1 199.920,R-1 499.980的2个反向曲线、下行线以R-999.907,R-2 999.973的2个反向曲线绕避拆除重建后的老沪闵路3号桥，最终以直线接至本区间终点站(罗秀路站)。区间下穿老沪闵路3号桥、老沪闵路、莘朱东路、淀浦河。区间隧道两侧主要为居民小区、厂房，线路纵断面大致呈V形坡，于最低点处设置联络通道及泵站，上下行线盾构机均由朱梅路站向罗秀路站推进。

　　 盾构机施工过程中，整形装置对脱出盾尾的管片进行整形，以使隧道内周成为预设形状。此时2根撑紧油缸伸出，推动2个整形架整形管片，并通过二次注浆对管片外周进行加固，保持隧道内周的形状。此时平移油缸处于浮动状态，不影响盾构机的掘进或拼装机的拼装。

　　 整形完成后，2根撑紧油缸缩回，带动2个整形架与隧道管片脱离，此时2根平移油缸处于固定状态，整形装置在平移油缸的拉动下移至另一环管片位置处，然后进入下个环节。

　　 1)对现有隧道管片整形装置的结构特点及优缺点进行分析，对整形装置的选型及使用具有一定指导作用。

　　 2)详细论述新型隧道管片整形装置的研发过程，有利于整形装置的研发及隧道质量的研究。

　　 3)新型隧道管片整形装置可提高隧道成形质量和管片拼装效率。

　　 4)建议研究隧道管片整形位置与整形质量的关系，为进一步提高隧道整形质量提供理论依据。