盾構管片破裂原因分析及改進措施

殷 波,童剛強

(天津地鐵建設發展有限公司,天津300051)

0 引 言

目前,國內盾構隧道主要采用鋼筋混泥土管片[1],其設計方法主要有慣用法、修正慣用法、多鉸環法及梁-彈簧模型法[2-3]。管片作為盾構開挖后的一次襯砌,它支撐作用于上面的土壓和水壓,防止隧道土體坍塌、變形及滲漏水,是隧道永久性結構物[4]。從各地實際施工情況知,管片破裂主要是集中在施工階段[5-6]。根據上海地鐵的調研結果表明:絕大多數管片的破損是由于施工過程中的沖擊及拉應力過大所造成的[7]。天津地鐵2號線兩區間隧道盾構施工過程中管片存在不同程度的裂縫、碎裂,在總結管片破裂一般原因的基礎上,結合天津地鐵盾構施工實例對破裂原因進行分析研究,并提出了管片修補方案以及相應的改進措施。

1 管片破裂原因

鋼筋混凝土管片從制作、運輸出廠、吊裝、再到拼裝要經歷一個漫長的過程,造成管片破裂的原因是錯綜復雜的,是各種因素交織在一起造成的。結合目前各城市地鐵隧道盾構施工情況,在施工過程中造成管片破裂的主要因素包括如下幾個方面:

1.1 線形設計原因

對于地鐵隧道規范規定最小曲率半徑R≥300,當盾構推進到小曲率半徑時,作用在管片上的推力容易產生較大的偏心力,從而在管片上產生較大的彎矩,使管片開裂的可能性增大。因此在線形設計時應盡量避免小曲率半徑的使用,同時還要考慮曲率半徑與管片長度之間的相互適應性。

1.2 千斤頂總推力過大

在盾構推進過程中作用在管片上的力是造成管片破裂的最直接因素。盾構推力主要包括盾殼與周圍地層的阻力、刀盤面板的推進阻力、管片與盾尾間的摩擦阻力、切口環貫入地層的貫入阻力、轉向阻力和牽引后配套拖車的牽引阻力,其中盾殼與周圍地層的阻力和刀盤面板的推進阻力是造成千斤頂總推力過大的主要因素。

在盾構機進入粘土層或者沙層時,由于土體自身的特性,土體在土倉內形成“泥餅”或者掌子面上土體水分擴散形成一面“沙墻”,盾構機繼續推進時,總推力增大,從而管片環面受到的縱向推力和剪切力也相應增大。當管片局部受力超過混凝土設計強度時就會引起管片開裂,因此盾構機推力過大是引起管片破裂的一個重要因素。

1.3 盾構機姿態與隧道軸線不匹配

盾構機姿態控制與隧道軸線不匹配是引起管片破裂的一個常見現象。盾構機在推進過程中,采用自動測量和人工測量相結合的方式對盾構機的姿態以及管片的成形姿態進行監測,監測參數包括:盾構機姿態、盾尾間隙、橢圓度、推力以及管片成形姿態。盾構機姿態與隧道軸線不匹配會造成盾尾間隙不均,管片一側外弧面與盾尾接觸,即產生所謂“卡殼”現象,這時盾尾密封刷甚至盾殼就會對管片產生擠壓作用,造成管片變形甚至開裂。

1.4 管片環面不平整和錯臺現象

造成管片環面不平整主要原因包括:管片制作精度不夠、盾構機糾偏量過大、防水橡膠條和傳力襯墊粘貼不平整以及二次注漿壓力過大引起管片錯動等都會引起管片環面不平整。管片環面不平整,盾構機在推進時通過千斤頂會產生較大的剪力造成管片開裂。造成管片錯臺的主要原因有拼裝不當、注漿不均等因素,管片錯臺容易引起管片在螺栓孔處破裂。

1.5 千斤頂撐靴損壞或重心偏位

盾構機千斤頂是通過撐靴與管片接觸的,設置撐靴的目的是為了將千斤頂對管片的推力均勻地分布到管片上,避免管片局部出現應力集中。千斤頂重心偏移則會對管片產生扭矩的作用,使管片向內或者向外擠壓。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

天津地鐵2號線盾構區間Ⅰ左線長813m,其中左線最小半徑R=400 m,為曲線始發,始發后即進入到一個蛇形曲線段,蛇形曲線段由半徑 R=500 m、R=400 m、R=400 m曲線組成,右線長823 m,線形相對平緩,最小半徑R=500 m。區間Ⅰ穿越地層主要由粉土、粉質粘土、粘土組成。區間Ⅱ左線長575 m,地質條件和區間Ⅰ相似。兩區間內管片均為深埋管片,混泥土設計強度為C50,襯砌管片組合形式為標準環+左右轉彎環,每環管片包括3個標準塊、2個鄰接塊、1個封頂塊。盾構機外殼尺寸為6.34 m,管片外徑6.2 m,管片內徑5.5 m,管片寬度為1.2 m。

在整個盾構施工過程中,管片出現破裂的環數很多,占到半數以上,但是大部分零星破裂,出現連續開裂的位置包括:區間Ⅰ左線盾構施工進行到15～17環(這個“環”代表推進的位置)時,管片出現連續破裂如圖1(a),經過調整,管片破裂情況開始好轉,但是當盾構進入82～94環時管片上部連續開裂如圖1(b),而從87～94環管片開裂部位由上部轉為下部如圖1(c);右線盾構相對平穩,直至盾構施工至100～113環進入粉砂層時,盾構總推力過大致使管片出現破裂。區間Ⅱ左線在整個掘進過程中管片出現多處連續破裂,外觀表現為錯臺如圖1(d)、管片成形后顯“鴨蛋形”。

圖1 管片破裂圖

2.2 管片開裂情況及原因分析

通過對管片破裂部位以及施工過程的觀察,并結合每環監測數據對管片破裂原因進行分析,總結管片破裂的原因如下:

2.2.1 小曲率半徑曲線段管片局部應力過大

區間Ⅰ左線15～17環剛好處在最小半徑R=400 m(左轉)的曲線段上,為了使盾構機與隧道軸線走向盡可能一致,盾構過程中不斷地對盾構機的姿態進行調整。盾構機姿態調整主要是通過調節各組千斤頂的推力來實現的,當盾構左轉時就必須加大盾構機右側區千斤頂的推力,這樣就造成管片受力不均,局部應力過大,產生開裂。

2.2.2 盾構機姿態與隧道軸線姿態不匹配

區間Ⅰ左線82～85平曲線為直線段,縱向坡度為-2‰。根據自動監測和人工測量的數據來看,盾構先是出現“磕頭”現象,造成盾尾間隙不均,上部間隙很小,下部間隙較大。在推進到87～94時上部管片與盾尾產生“卡殼”,盾構對管片造成擠壓,致使管片開裂。為了挽回盾構姿態,加大下部千斤頂的推力進行糾偏,致使下部管片受力過大,出現破裂。

2.2.3 盾構機總推力過大

區間Ⅰ右線100～113環處于粉砂層中,粉砂層含水率高,滲透系數大,穩定性較差,為了維持掌子面土壓穩定,增大了土倉壓力。土倉壓力增大導致的后果是粉砂層中的水分被迅速擠走,在埋深較大的情況下,粉砂層相當于處在高圍壓下,粉砂層的抗剪強度急劇增大,繼續推進時盾構機的總推力均在2 400 t以上,遠遠超過正常的1 500 t。

2.2.4 管片出現明顯錯臺

區間Ⅱ左線管片錯臺明顯,主要原因包括盾構機推力不均、管片制作精度和防水橡膠條粘貼不合格等原因造成的。其中后者是造成管片開裂的主要原因,密封墊的差異性壓縮變形進一步造成了管片間的有差異的縱向位移,從而形成錯臺。

2.2.5 區間Ⅱ左線管片成形后真圓度低

為了控制地面以及周邊建筑物的沉降,從管片的中心吊裝孔進行二次補漿,造成管片變形的原因有兩點:一是外部因素造成各吊裝孔的注漿壓力或注漿量不一致,導致管片整體受力不均勻;二是漿液注入管片和土體之間的縫隙以后需要一段凝固時間,在這個過程中漿液由于自重往下部流,導致管片上浮。

3 管片修補

對已經損壞的管片要及時修補,修補后的管片必須符合隧道工程施工驗收標準,修補過程主要包括以下幾個步驟:

(1)首先,對隧道內破損的管片進行清洗,去除破損的殘留物,用同等標號的純水泥漿修補,待修補面干燥后用沙子處理修補面即可。

(2)對深度不大的地方進行表面修復,修補砂漿配合比水泥∶沙∶水為3∶1.5∶適量(以滿足操作要求的稠度),水泥為雙快水泥(快凝水泥),沙子采用過篩細沙。對于損壞比較大的部位需要采用專用修補砂漿進行修補。

(3)如果管片破損較大,深度＞25 mm,應考慮水泥凝固后有一定的收縮性,應分多次多層進行修補,每25 mm一層,待前一層達到一定強度(約1 d)后再進行下一次修補。

(4)對于管片外弧面的損壞,可根據施工經驗及管片與盾尾間隙來判斷,如發生管片外弧面被盾尾拉壞,則記錄此環管片環號,在推出盾尾15環后,由此環管片向外部土體壓注聚氨脂和水泥-水玻璃雙液漿,以提高管片止水效果,如圖2。

圖2 管片修補前后對比

4 建 議

盾構施工中管片破裂的原因是復雜的,是各方面相互作用的結果。綜合天津地鐵盾構施工經驗,提出了從以下11個方面對盾構工藝進行改善:

(1)在盾構始發之前,提前研究下穿地層的水文地質情況,控制好盾構姿態,盡量使盾構姿態保持在可控范圍內。

(2)螺栓復緊。每環管片拼裝結束后,都要對其后三環管片進行復緊,保證每環管片在間隔一定時間后最少復緊3次。

(3)根據水文地質情況,調整注漿配合比以及漿液稠度,并結合地面沉降情況,控制好注漿量以及注漿壓力。

(4)對于不良地質,要進行土體改良。例如,土倉內出現“泥餅”時,可以向刀盤內注水或者注入泡沫改良劑。

(5)盡量減小千斤頂總推力。當盾構經過復雜地層或者下穿建筑物時,可以減慢推進速度,適當降低土倉壓力,達到減小推力的目的。

(6)加強對隧道軸線的監測。一般采用人工測量和自動測量相結合的辦法,每推一環就測量1次,實時監控盾構機走向。

(7)勤糾偏,減小每環糾偏量。根據每環的監測數據,及時對盾構機姿態進行調整,避免等到一次糾偏量過大的情況發生。

(8)適當降低土倉壓力。出現總推力偏大的情況下,可以通過降低土倉壓力來減小刀盤扭矩,從而達到降低總推力的目的。

(9)及時進行二次注漿。為了防止在推進過程中后面的管片產生變形,需要進行二次注漿來充滿管片與土體之間的間隙,防止管片變形。

(10)挑選技術合格的盾構司機。盾構司機是盾構機的操作手,要時刻掌握著盾構機的工作狀態。

(11)加強對管片進場的驗收。管片在制作、運輸和裝卸的過程極可能出現掉角、裂紋等質量問題,一定要嚴格把關,不合格的管片堅決不能使用。

5 結 語

管片破裂直接影響工程的驗收和隧道的使用壽命。在實際施工過程中造成管片破裂的原因是多樣的,由于水文地質條件以及施工技術的差別,造成管片破裂的原因也各不相同。在盾構機掘進過程中必須提前分析,合理控制盾構機的推進速度,改善了管片的拼裝質量。

[1] 陳俊生,莫海鴻,梁仲元.盾構隧道施工階段管片局部開裂原因初探[J].巖石力學與工程學報,2006,25(5):906-910.

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[4] 陳 饋,洪開榮,吳學松.盾構施工技術[M].北京:人民交通出版社,2009:192-194.

[5] 李志南.關于地鐵盾構隧道管片制作誤差的討論[C]//中國土木工程學會快速軌道交通委員會學術交流會地下鐵道專業委員會第十四屆學術交流會論文集.北京,2001:308-312.

[6] 竺維彬,鞠世健.盾構隧道管片開裂的原因及相應對策[J].現代隧道技術,2003,40(1):21-25.

[7] 閆治國,朱合華,廖少明.地鐵隧道鋼纖維混凝土管片力學性能研究[J].巖石力學與工程學報,2006,25(S1):2918-2922.