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      硬巖隧道土壓平衡盾構(gòu)機(jī)管片錯臺問題分析及對策

      2020-07-29 05:04:04李芳田涌霍守峰
      中國設(shè)備工程 2020年15期
      關(guān)鍵詞:錯臺環(huán)向浮力

      李芳,田涌,霍守峰

      (1.青島市地鐵四號線有限公司;2.青島市西海岸軌道交通有限公司;3.青島市地鐵十三號線有限公司,山東 青島 266000)

      短距離復(fù)雜水文地質(zhì)、構(gòu)造帶及裂隙帶交錯等硬巖地質(zhì)條件下,土壓平衡盾構(gòu)機(jī)相較其他盾構(gòu)機(jī)有更好的經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性,但根據(jù)以往現(xiàn)場工程經(jīng)驗(yàn),管片錯臺的質(zhì)量問題非常普遍,且補(bǔ)救的可能性極小,管片間的錯臺對隧道結(jié)構(gòu)滲漏水及安全性影響較大且這種隱患持久存在。

      1 工程概況

      本項(xiàng)目為青島某地鐵線路區(qū)間,根據(jù)地勘情況,區(qū)間圍巖以花崗巖為主,IV級及以上圍巖占比75.5%,V級圍巖占比約24.5%,穿越2條共軛向裂隙帶,裂隙帶透水性中等,涌水量為14~19.2m3/(d·m)。掘進(jìn)至共軛向裂隙帶時(shí),即掘進(jìn)至66環(huán)~75環(huán)范圍時(shí),管片出盾尾后,出現(xiàn)了管片上浮情況,相關(guān)上浮情況統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

      圖1 管片上浮統(tǒng)計(jì)

      從圖1可看出,部分管片上浮值大于15mm,已超出規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)范疇。

      2 管片錯臺分析

      2.1 管片錯臺條件分析

      由于盾構(gòu)機(jī)刀盤略大于管片外徑,所以理論上在硬巖環(huán)境掘進(jìn)過程中,掘進(jìn)斷面與管片外徑就形成了一道均勻的間隙。但在實(shí)際施工過程中,這道均勻的間隙受多種因素耦合影響,造成了管片的不均勻受力,進(jìn)而導(dǎo)致掘進(jìn)斷面的幾何中心與盾構(gòu)機(jī)管片幾何中心不重合,且不斷發(fā)生變化,這就造成了盾構(gòu)機(jī)管片錯臺的根本原因。綜上,可分析出盾構(gòu)機(jī)管片上浮的必要條件可分為以下3種:(1)管片外圍存在可產(chǎn)生浮力的液體物質(zhì),如水、未凝固的注漿液等;(2)這種液體物質(zhì)所產(chǎn)生的浮力大于管片的自重;(3)管片所受不均勻力的鏡像方向存在間隙。

      2.2 管片錯臺原因分析

      (1)靜態(tài)上浮力分析。盾構(gòu)機(jī)拼裝管片、注漿步距如圖2所示,理想狀態(tài)下,不考慮浮力受其他因素影響導(dǎo)致作用力方向改變時(shí),管片受浮力影響根據(jù)阿基米德浮力計(jì)算公式可得:

      式中:R為管片外環(huán)半徑(m);B為管片寬度(m);γ1為注漿漿液重度,取值10~20kN/m3。

      圖2 掘進(jìn)過程中管片拼裝步距示意

      管片自重為:

      式中,t為管片厚度(m),γ2為鋼筋混凝土重度,取值 25kN/m3。

      在不考慮螺栓連接作用下,將式(1)除以式(2)可得管片受浮力與重力的比值為:

      假設(shè)管片厚度0.3m,外半徑為3m,則K取值范圍為2~4,由此可見,管片在漿液初凝前,盾構(gòu)機(jī)管片始終受上浮力控制。

      (2)動態(tài)上浮力分析。理想狀態(tài)下,同步注漿可以視為漿液全部填充至掘進(jìn)斷面與外管片之間的間隙中,但實(shí)際上盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),同步注漿并不會非常密實(shí),漿液沒有完全填滿間隙,所以需要二次注漿降低來減低管片上浮風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)防地表沉降。但在二次注漿過程中,也會出現(xiàn)不均勻的動態(tài)上浮力影響管片的最終位置,不均勻力如圖3所示。

      圖3 二次注漿不均勻力示意

      動態(tài)上浮力可表示為:

      式中P為二次注漿壓力;β為二次注漿影響范圍。

      (3)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)分析。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整主要是通過推進(jìn)油缸的差異推力實(shí)現(xiàn)的,這種差異推力會導(dǎo)致管片受力不均的情況發(fā)生,即在管片上浮區(qū)至初凝區(qū)一定范圍內(nèi)的管片產(chǎn)生彎矩,使得管片產(chǎn)生縱向位移,最終導(dǎo)致錯臺的發(fā)生,如圖4所示。

      圖4 不均勻推力導(dǎo)致管片彎矩示意

      (4)人為因素分析。管片拼裝過程中,前拼裝塊因人為因素定位不準(zhǔn)確,導(dǎo)致后續(xù)拼裝塊不能順利拼裝,進(jìn)而管片拼裝橢圓度控制不足導(dǎo)致錯臺也常有發(fā)生;此外,由于多種因素如:機(jī)械拼裝、管片受力介質(zhì)發(fā)生突變等情況導(dǎo)致管片螺栓松動,如果螺栓不及時(shí)復(fù)緊,管片發(fā)生錯臺的幾率會大大增加。

      3 預(yù)防及應(yīng)對措施

      3.1 減小壁后水壓

      減小壁后水壓通常采用管片開孔卸水壓的方法是通過增加液體動能,降低壓力勢能實(shí)現(xiàn)的,適應(yīng)于富水地層。此種方法首先可以減小管片出盾尾后所受浮力,也可以減弱壁后漿液被地下水沖散的可能性。但此種方法是一種輔助措施,只能減小管片錯臺程度。

      3.2 提高漿液性能及填充率

      盾構(gòu)壁后漿液的填充率直接影響空隙填充效果,對控制管片錯臺,地表沉降具有重要意義,敬業(yè)配比應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件,從提高漿液填充率、流動性、泌水性以及早期強(qiáng)度這四個方面進(jìn)行綜合考量分析。

      3.3 設(shè)置剪力銷及加強(qiáng)螺栓復(fù)緊

      目前,主流盾構(gòu)法施工隧道管片間的縱向、環(huán)向均通過螺栓拼接。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),在特殊地層下,如破碎帶、斷裂帶、富水地層,螺栓應(yīng)力分布會發(fā)生突變,系統(tǒng)螺栓受力不均勻,這是因?yàn)榈貙拥牟痪鶆蛐詫?dǎo)致管片截面縱向剪力應(yīng)力要大于環(huán)向。當(dāng)環(huán)向、縱向管片采用相同形式、相同數(shù)量的螺栓連接將導(dǎo)致縱向螺栓應(yīng)力集中,且管片截面受力不均勻,這樣不僅會使管片發(fā)生縱向錯臺,同時(shí)會降低管片環(huán)向防水性能。針對以上問題,建議增加剪力銷構(gòu)件,便于定位拼裝管片,且剪力銷承擔(dān)多余剪力,使得管片的縱向、環(huán)向受力變得均勻,進(jìn)而增強(qiáng)管片的抗浮能力,剪力銷模型如圖5所示。

      圖5 剪力銷模型及安裝示意

      與此同時(shí),嚴(yán)格遵守管片拼裝的技術(shù)規(guī)范,按照“三次緊固”原則對螺栓進(jìn)行復(fù)緊。

      3.4 盾構(gòu)姿態(tài)緩慢調(diào)整

      當(dāng)盾構(gòu)機(jī)遇突變地質(zhì)或存在“蛇形”推進(jìn)情況,應(yīng)該根據(jù)測量復(fù)核,緩慢糾偏,否則油缸推力鄒增導(dǎo)致管片受力不均勻,管片環(huán)向彎矩突變,大幅增加管片錯臺的可能性。

      4 結(jié)語

      (1)依據(jù)本項(xiàng)目工程發(fā)生的錯臺情況,本文從理論角度分析了管片錯臺產(chǎn)生的根本原因及影響因素,提出了靜態(tài)及動態(tài)管片上浮力的計(jì)算公式。

      (2)通過進(jìn)一步分析錯臺產(chǎn)生的原因,總結(jié)出減小管片壁后水壓、提高漿液性能及填充率、設(shè)置剪力及加強(qiáng)螺栓復(fù)緊、盾構(gòu)姿態(tài)緩慢調(diào)整這4種預(yù)防措施,以降低錯臺發(fā)生概率,減小錯臺程度,為類似工程提供工程依據(jù)及經(jīng)驗(yàn)。

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