1）自由度要求

管片拼装机在工作时要能够锁紧管片，并能够完成平移、回转和举升等动作。为了保证管片精确安装，还要对管片进行姿势调整。为了方便描述管片的运动，首先建立坐标系，如图3-28所示：

图3-28　盾构管片坐标系

其中：x方向为隧道轴线方向；y方向为隧道周向方向，即围绕着隧道内壁的回转圆周；z方向为隧道的径向方向，指向隧道截面圆心。当管片沿x方向平动时，我们将其称为平移运动；当管片沿y方向运动时，我们称其为回转运动；当管片沿z方向平动时，我们称其为举升运动；当管片以x方向为轴线旋转时，我们称之为横摇运动；当管片以y方向为轴线旋转时，我们称之为俯仰运动；当管片以z方向为轴线旋转时，我们称之为偏转运动。

当定义了上述坐标系之后，我们可以很容易地看出，管片拼装机需要有平移、回转、举升、横摇、俯仰和偏转6个自由度，能完成管片的平移、回转、举升、横摇、俯仰、偏转以及管片的锁紧7个动作。

2）安装精度要求

盾构机每前进一环，就会暂时停止，然后进行这一环管片的拼装。当这一环管片拼装完成后，此环管片会为盾构机的推进油缸提供支撑。推进油缸一端顶在管片侧面，推动盾构机前进，而盾构机刀盘受到前方土壤的阻力作用，盾体受到周围土壤的摩擦力作用和黏着作用，前进阻力很大，因此，管片会受到相当大的轴向作用力。如果安装精度不到位，管片在巨大的作用力下很容易出现破损，如图3-29所示。这将直接影响其结构强度和防渗水能力，大大降低隧道的安全系数和使用寿命。

图3-29　管片在推进反力作用下损坏(www.daowen.com)

另外，由于要在隧道内铺设轨道，这又对隧道内部的平整度提出了要求。一般城市地铁隧道要求将管片拼装成环，每一环中相邻管片的高度差不超过3 mm，不然会对轨道的可靠性产生较大的影响。环与环之间的高度差不超过4 mm，拼装完成后隧道断面的管片会发生一定程度的沉降，其沉降不能超过3 mm。

管片除了作为隧道的支撑，还能为隧道提供防渗水功能。此时，还要对管片之间的拼装间隙提出要求。因为中间有2 mm的密封垫，一般要求环面间隙不超过1 mm，纵缝间隙为（2±0.2）mm。若安装精度太低的话，会造成螺栓孔无法对准，不能安装紧固螺栓，一般要求螺栓孔不同轴度不超过1 mm。如果满足不了这些精度要求，时间一久，隧道内部会发生渗水现象。管片拼装精度要求见表3-3。

表3-3　管片拼装精度要求

3）其他要求

每一环的管片并不是全部相同的，它们的形状和重量会有差异，因此，管片拼装机应能够完成不同管片的抓取和拼装工作。

管片拼装机是为了解决人工拼装危险系数高、效率低下的问题而出现的，因此，它必须能够安全、高效地完成管片的拼装。

管片一般由钢筋混凝土制成，重量很大，而且一条隧道需要拼装数量巨大的管片，也就是说管片拼装机工作在一个重载、周期性重复的环境中，周围也可能会有泥浆土渣，工作条件非常恶劣，这要求拼装机的动力源和执行部件有非常高的可靠性。