盾構隧道管片扭轉原因分析及預防措施摘要:通過廣州地鐵三號線瀝大盾構區間工程施工實踐,對局部管片發生整環扭轉現象的原因進行分析,并提出預防措施及其治理方法,供同行參考。關鍵詞:盾構隧道;管片扭轉;原因分析;預防措施1工程概況 在地鐵盾構推進過程中,受到盾構刀盤扭矩的影響,拼裝成環的管片拼裝位置與設計值相比旋轉了一定角度,給盾構管片的選型和拼裝造成了一定影響,且可能導致后續車架和電機車軌道鋪設不平整,影響設備的運行。 廣州地鐵三號線瀝滘站~大石北盾構區間工程,隧道單線長3051.5m,雙線長6103m,最大縱坡28‰,最小轉彎半徑800m,隧道內徑5.4m,外徑6.0m。本工程施工采用三菱泥水盾構機,主機機體長8.17m,盾構外徑6.26m,最大推力3.6×104kN,最大扭矩6327kN·m,刀盤轉速0～4rpm。管片采用環寬1.5m的標準環、左轉彎楔形環、右轉彎楔形環等3種(5+1模式),轉彎環的楔形量為38mm。 在該區段盾構掘進施工時,兩條線均產生了不同程度的扭轉,局部扭轉角度達18°,具體如圖1所示。由于管片扭轉過大,致使管片選型的點位均發生變化,給管片的選型和拼裝帶來了一定的難度,影響了管片的拼裝質量,也使后續臺車架和電機機車軌道鋪設不平整,影響了設備的運行。
2管片扭轉原因分析2.1力學分析 盾構機刀盤旋轉分正轉及反轉兩種(即順時針和逆時針旋轉),當電機帶動刀盤順時針或者逆時針旋轉切削巖土時,巖土對刀盤產生逆時針方向的反力矩M巖,此時盾構機外殼與土體間的摩擦力對盾構機產生一反方向力矩M盾,以維持盾構機體平衡,如圖2所示。 ⑴當M巖<M盾靜摩擦力矩M盾靜(盾構機與盾構外殼與圍巖間臨界摩擦力矩值)時,盾構機體穩定,管片不會出現扭轉趨勢; ⑵當M巖>M盾靜時,盾構機具有滾動的趨勢,盾構機機體內的推進千斤頂會對管片產生一逆時針方向的扭矩,當管片自身穩定性及圍巖或襯背已凝固的水泥漿對管片的摩阻力產生的反抗力矩M管片能抵抗這一力矩時,盾構機體及管片也都穩定,不會出現扭轉趨勢; ⑶當M巖>M盾靜+M管片時,盾構機機體及管片均會產生逆時針方向的扭轉。 從以上力學分析中,我們得知管片扭轉最主要的原因是圍巖未能提供足夠的摩阻力來阻止盾構滾動的趨勢而帶動管片扭轉。而導致圍巖未能提供足夠摩阻力的內在原因為:①盾構刀盤左右旋轉方向不均衡,刀盤總朝一個方向旋轉;②同步注漿效果不理想,造成圍巖無法提供足夠的摩擦阻力以約束管片的扭轉;③管片螺栓未足夠緊固,故無法有效地傳遞力矩。以下再對其內在原因進行詳細分析。2.2刀盤正反轉不均衡 當盾構機體及管片均具有滾動趨勢時,刀盤順逆旋轉的不均衡將造成管片向某個方向的扭轉大于另一方向的扭轉,造成成型管片的扭轉積累。均衡是指在盾構掘進過程中,刀盤正反轉的時間基本一致,同時也要求刀盤正反轉的扭矩基本一致,這樣管片順逆時針扭轉的趨勢也會一致。 在瀝大盾構區間掘進施工中,最初由于經驗不足,刀盤總是朝著某個方向旋轉,導致盾構機體滾動角度急劇增大,后續臺車軌道也跟著傾斜,管片隨其扭轉了一定角度,造成后續臺車不停地出軌,嚴重影響盾構的掘進施工,后來我們在掘進施工中嚴格控制刀盤正反轉時間和扭矩,有效地控制了管片扭轉和后續臺車的出軌現象。因此在盾構推進過程中,如扭矩較大則應盡量縮短刀盤的單向旋轉時間,若某一環推進過程中未消除該情況對管片造成的扭轉,且在每一環推進完畢后盾構機體滾動角均增大,則管片的扭轉角將會疊加,使扭轉程度變得更嚴重。2.3圍巖未能給予管片足夠的摩阻力 在較穩定的巖層中,由于圍巖的拱效應作用,管片與圍巖之間存在著一定的建筑空隙,需同步注漿進行填充并固結管片。但在基巖裂隙發育,地下水豐富地段,注漿效果往往較差,管片背填注漿液長時間未能有效凝固,或注漿量嚴重不足導致管片未能充分接觸周圍巖體,因此無法產生足夠的摩阻力組織管片轉動。管片扭轉達18°的情況也正發生在該種地層。 對于巖層較軟弱的地段,盾構掘進開挖后形成的建筑空隙,由于地層的變形和沉降,即使同步注漿也無法有效凝結或注漿量嚴重不足,導致管片受變形沉降的土體所約束。此時,盾構機及管片扭轉受到襯背、盾體外殼的土層所提供的摩阻力,故不易發生扭轉。 通過對施工過程中盾構機及管片扭轉情況進行統計,也證實在軟弱地段不易發生扭轉,而在巖層自穩性較好且含水的地層段,管片發生扭轉的現象較為普遍。2.4管片螺栓未足夠緊固 在管片拼裝時,由于工人對管片連接螺栓未能足夠緊固,故無法加強環間的有效連接和提高管環間的摩擦力,造成管環之間未能有效傳遞盾構機滾動產生的力矩,成型管環整體性較差,也是造成管片扭轉的原因之一。3預防及處理措施 3.1盡量縮短單個方向的旋轉時間,使正反轉時間和扭矩趨于均衡。 3.2盡量縮短同步注漿液的初凝時間,以增強管片的自穩性和及時給予管片足夠的摩阻力。 3.3每一塊管片就位拼裝時,應將每個螺栓初步扭緊,在拼裝完整環后再次緊固,此外在推進過程中推進壓力遠大于管片拼裝時的千斤頂壓力,故此時應對管片螺栓再次緊固,以達到較好的緊固效果,使管片整體性良好以抵抗扭轉的趨勢。 3.4掘進時推進千斤頂上下部壓力差應盡可能小,避免較大的壓力差使管片產生漂浮現象,從而減弱管片的自穩性。施工實踐證明,當盾構機推進千斤頂上下部壓力差達100bar時,管片向上位移較明顯,故施工中宜控制上下千斤頂壓力差小于80bar。 3.5當發現管片有位移跡象時,應及時對管片進行襯背注漿,以防止管片繼續位移,或對管片進行有效的填充,以防止管片產生過大的扭轉。 3.6在發現管片產生扭轉時,可將刀盤與管片扭轉方向同向旋轉,并適當延長旋轉時間,以防止管片繼續扭轉并使管片恢復正常位置。 3.7在管片扭轉過大時,可合理利用管片螺栓孔與螺栓間的公差進行調整,管片拼裝時將管片向扭轉的反方向進行拼裝。拼裝時為便于拼裝和達到最好的效果,可先拼裝就位B塊(當管片逆時針扭轉時)或C塊(當管片順時針扭轉時)管片。參考文獻[1]周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2004[2]朱偉譯.隧道標準規范(盾構篇)及解說[M].北京:中國建筑工業出版社,2001
2管片扭轉原因分析2.1力學分析 盾構機刀盤旋轉分正轉及反轉兩種(即順時針和逆時針旋轉),當電機帶動刀盤順時針或者逆時針旋轉切削巖土時,巖土對刀盤產生逆時針方向的反力矩M巖,此時盾構機外殼與土體間的摩擦力對盾構機產生一反方向力矩M盾,以維持盾構機體平衡,如圖2所示。 ⑴當M巖<M盾靜摩擦力矩M盾靜(盾構機與盾構外殼與圍巖間臨界摩擦力矩值)時,盾構機體穩定,管片不會出現扭轉趨勢; ⑵當M巖>M盾靜時,盾構機具有滾動的趨勢,盾構機機體內的推進千斤頂會對管片產生一逆時針方向的扭矩,當管片自身穩定性及圍巖或襯背已凝固的水泥漿對管片的摩阻力產生的反抗力矩M管片能抵抗這一力矩時,盾構機體及管片也都穩定,不會出現扭轉趨勢; ⑶當M巖>M盾靜+M管片時,盾構機機體及管片均會產生逆時針方向的扭轉。 從以上力學分析中,我們得知管片扭轉最主要的原因是圍巖未能提供足夠的摩阻力來阻止盾構滾動的趨勢而帶動管片扭轉。而導致圍巖未能提供足夠摩阻力的內在原因為:①盾構刀盤左右旋轉方向不均衡,刀盤總朝一個方向旋轉;②同步注漿效果不理想,造成圍巖無法提供足夠的摩擦阻力以約束管片的扭轉;③管片螺栓未足夠緊固,故無法有效地傳遞力矩。以下再對其內在原因進行詳細分析。2.2刀盤正反轉不均衡 當盾構機體及管片均具有滾動趨勢時,刀盤順逆旋轉的不均衡將造成管片向某個方向的扭轉大于另一方向的扭轉,造成成型管片的扭轉積累。均衡是指在盾構掘進過程中,刀盤正反轉的時間基本一致,同時也要求刀盤正反轉的扭矩基本一致,這樣管片順逆時針扭轉的趨勢也會一致。 在瀝大盾構區間掘進施工中,最初由于經驗不足,刀盤總是朝著某個方向旋轉,導致盾構機體滾動角度急劇增大,后續臺車軌道也跟著傾斜,管片隨其扭轉了一定角度,造成后續臺車不停地出軌,嚴重影響盾構的掘進施工,后來我們在掘進施工中嚴格控制刀盤正反轉時間和扭矩,有效地控制了管片扭轉和后續臺車的出軌現象。因此在盾構推進過程中,如扭矩較大則應盡量縮短刀盤的單向旋轉時間,若某一環推進過程中未消除該情況對管片造成的扭轉,且在每一環推進完畢后盾構機體滾動角均增大,則管片的扭轉角將會疊加,使扭轉程度變得更嚴重。2.3圍巖未能給予管片足夠的摩阻力 在較穩定的巖層中,由于圍巖的拱效應作用,管片與圍巖之間存在著一定的建筑空隙,需同步注漿進行填充并固結管片。但在基巖裂隙發育,地下水豐富地段,注漿效果往往較差,管片背填注漿液長時間未能有效凝固,或注漿量嚴重不足導致管片未能充分接觸周圍巖體,因此無法產生足夠的摩阻力組織管片轉動。管片扭轉達18°的情況也正發生在該種地層。 對于巖層較軟弱的地段,盾構掘進開挖后形成的建筑空隙,由于地層的變形和沉降,即使同步注漿也無法有效凝結或注漿量嚴重不足,導致管片受變形沉降的土體所約束。此時,盾構機及管片扭轉受到襯背、盾體外殼的土層所提供的摩阻力,故不易發生扭轉。 通過對施工過程中盾構機及管片扭轉情況進行統計,也證實在軟弱地段不易發生扭轉,而在巖層自穩性較好且含水的地層段,管片發生扭轉的現象較為普遍。2.4管片螺栓未足夠緊固 在管片拼裝時,由于工人對管片連接螺栓未能足夠緊固,故無法加強環間的有效連接和提高管環間的摩擦力,造成管環之間未能有效傳遞盾構機滾動產生的力矩,成型管環整體性較差,也是造成管片扭轉的原因之一。3預防及處理措施 3.1盡量縮短單個方向的旋轉時間,使正反轉時間和扭矩趨于均衡。 3.2盡量縮短同步注漿液的初凝時間,以增強管片的自穩性和及時給予管片足夠的摩阻力。 3.3每一塊管片就位拼裝時,應將每個螺栓初步扭緊,在拼裝完整環后再次緊固,此外在推進過程中推進壓力遠大于管片拼裝時的千斤頂壓力,故此時應對管片螺栓再次緊固,以達到較好的緊固效果,使管片整體性良好以抵抗扭轉的趨勢。 3.4掘進時推進千斤頂上下部壓力差應盡可能小,避免較大的壓力差使管片產生漂浮現象,從而減弱管片的自穩性。施工實踐證明,當盾構機推進千斤頂上下部壓力差達100bar時,管片向上位移較明顯,故施工中宜控制上下千斤頂壓力差小于80bar。 3.5當發現管片有位移跡象時,應及時對管片進行襯背注漿,以防止管片繼續位移,或對管片進行有效的填充,以防止管片產生過大的扭轉。 3.6在發現管片產生扭轉時,可將刀盤與管片扭轉方向同向旋轉,并適當延長旋轉時間,以防止管片繼續扭轉并使管片恢復正常位置。 3.7在管片扭轉過大時,可合理利用管片螺栓孔與螺栓間的公差進行調整,管片拼裝時將管片向扭轉的反方向進行拼裝。拼裝時為便于拼裝和達到最好的效果,可先拼裝就位B塊(當管片逆時針扭轉時)或C塊(當管片順時針扭轉時)管片。參考文獻[1]周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2004[2]朱偉譯.隧道標準規范(盾構篇)及解說[M].北京:中國建筑工業出版社,2001