盾构隧道管片扭转原因分析及预防措施摘要:通过广州地铁三号线沥大盾构区间工程施工实践,对局部管片发生整环扭转现象的原因进行分析,并提出预防措施及其治理方法,供同行参考。关键词:盾构隧道;管片扭转;原因分析;预防措施1工程概况 在地铁盾构推进过程中,受到盾构刀盘扭矩的影响,拼装成环的管片拼装位置与设计值相比旋转了一定角度,给盾构管片的选型和拼装造成了一定影响,且可能导致后续车架和电机车轨道铺设不平整,影响设备的运行。 广州地铁三号线沥滘站~大石北盾构区间工程,隧道单线长3051.5m,双线长6103m,最大纵坡28‰,最小转弯半径800m,隧道内径5.4m,外径6.0m。本工程施工采用三菱泥水盾构机,主机机体长8.17m,盾构外径6.26m,最大推力3.6×104kN,最大扭矩6327kN·m,刀盘转速0～4rpm。管片采用环宽1.5m的标准环、左转弯楔形环、右转弯楔形环等3种(5+1模式),转弯环的楔形量为38mm。 在该区段盾构掘进施工时,两条线均产生了不同程度的扭转,局部扭转角度达18°,具体如图1所示。由于管片扭转过大,致使管片选型的点位均发生变化,给管片的选型和拼装带来了一定的难度,影响了管片的拼装质量,也使后续台车架和电机机车轨道铺设不平整,影响了设备的运行。
2管片扭转原因分析2.1力学分析 盾构机刀盘旋转分正转及反转两种(即顺时针和逆时针旋转),当电机带动刀盘顺时针或者逆时针旋转切削岩土时,岩土对刀盘产生逆时针方向的反力矩M岩,此时盾构机外壳与土体间的摩擦力对盾构机产生一反方向力矩M盾,以维持盾构机体平衡,如图2所示。
⑴当M岩<M盾静摩擦力矩M盾静(盾构机与盾构外壳与围岩间临界摩擦力矩值)时,盾构机体稳定,管片不会出现扭转趋势; ⑵当M岩>M盾静时,盾构机具有滚动的趋势,盾构机机体内的推进千斤顶会对管片产生一逆时针方向的扭矩,当管片自身稳定性及围岩或衬背已凝固的水泥浆对管片的摩阻力产生的反抗力矩M管片能抵抗这一力矩时,盾构机体及管片也都稳定,不会出现扭转趋势; ⑶当M岩>M盾静+M管片时,盾构机机体及管片均会产生逆时针方向的扭转。 从以上力学分析中,我们得知管片扭转最主要的原因是围岩未能提供足够的摩阻力来阻止盾构滚动的趋势而带动管片扭转。而导致围岩未能提供足够摩阻力的内在原因为:①盾构刀盘左右旋转方向不均衡,刀盘总朝一个方向旋转;②同步注浆效果不理想,造成围岩无法提供足够的摩擦阻力以约束管片的扭转;③管片螺栓未足够紧固,故无法有效地传递力矩。以下再对其内在原因进行详细分析。2.2刀盘正反转不均衡 当盾构机体及管片均具有滚动趋势时,刀盘顺逆旋转的不均衡将造成管片向某个方向的扭转大于另一方向的扭转,造成成型管片的扭转积累。均衡是指在盾构掘进过程中,刀盘正反转的时间基本一致,同时也要求刀盘正反转的扭矩基本一致,这样管片顺逆时针扭转的趋势也会一致。 在沥大盾构区间掘进施工中,最初由于经验不足,刀盘总是朝着某个方向旋转,导致盾构机体滚动角度急剧增大,后续台车轨道也跟着倾斜,管片随其扭转了一定角度,造成后续台车不停地出轨,严重影响盾构的掘进施工,后来我们在掘进施工中严格控制刀盘正反转时间和扭矩,有效地控制了管片扭转和后续台车的出轨现象。因此在盾构推进过程中,如扭矩较大则应尽量缩短刀盘的单向旋转时间,若某一环推进过程中未消除该情况对管片造成的扭转,且在每一环推进完毕后盾构机体滚动角均增大,则管片的扭转角将会叠加,使扭转程度变得更严重。2.3围岩未能给予管片足够的摩阻力 在较稳定的岩层中,由于围岩的拱效应作用,管片与围岩之间存在着一定的建筑空隙,需同步注浆进行填充并固结管片。但在基岩裂隙发育,地下水丰富地段,注浆效果往往较差,管片背填注浆液长时间未能有效凝固,或注浆量严重不足导致管片未能充分接触周围岩体,因此无法产生足够的摩阻力组织管片转动。管片扭转达18°的情况也正发生在该种地层。 对于岩层较软弱的地段,盾构掘进开挖后形成的建筑空隙,由于地层的变形和沉降,即使同步注浆也无法有效凝结或注浆量严重不足,导致管片受变形沉降的土体所约束。此时,盾构机及管片扭转受到衬背、盾体外壳的土层所提供的摩阻力,故不易发生扭转。 通过对施工过程中盾构机及管片扭转情况进行统计,也证实在软弱地段不易发生扭转,而在岩层自稳性较好且含水的地层段,管片发生扭转的现象较为普遍。2.4管片螺栓未足够紧固 在管片拼装时,由于工人对管片连接螺栓未能足够紧固,故无法加强环间的有效连接和提高管环间的摩擦力,造成管环之间未能有效传递盾构机滚动产生的力矩,成型管环整体性较差,也是造成管片扭转的原因之一。3预防及处理措施 3.1尽量缩短单个方向的旋转时间,使正反转时间和扭矩趋于均衡。 3.2尽量缩短同步注浆液的初凝时间,以增强管片的自稳性和及时给予管片足够的摩阻力。 3.3每一块管片就位拼装时,应将每个螺栓初步扭紧,在拼装完整环后再次紧固,此外在推进过程中推进压力远大于管片拼装时的千斤顶压力,故此时应对管片螺栓再次紧固,以达到较好的紧固效果,使管片整体性良好以抵抗扭转的趋势。 3.4掘进时推进千斤顶上下部压力差应尽可能小,避免较大的压力差使管片产生漂浮现象,从而减弱管片的自稳性。施工实践证明,当盾构机推进千斤顶上下部压力差达100bar时,管片向上位移较明显,故施工中宜控制上下千斤顶压力差小于80bar。 3.5当发现管片有位移迹象时,应及时对管片进行衬背注浆,以防止管片继续位移,或对管片进行有效的填充,以防止管片产生过大的扭转。 3.6在发现管片产生扭转时,可将刀盘与管片扭转方向同向旋转,并适当延长旋转时间,以防止管片继续扭转并使管片恢复正常位置。 3.7在管片扭转过大时,可合理利用管片螺栓孔与螺栓间的公差进行调整,管片拼装时将管片向扭转的反方向进行拼装。拼装时为便于拼装和达到最好的效果,可先拼装就位B块(当管片逆时针扭转时)或C块(当管片顺时针扭转时)管片。参考文献[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2004[2]朱伟译.隧道标准规范(盾构篇)及解说[M].北京:中国建筑工业出版社,2001
