盾構(gòu)隧道管片扭轉(zhuǎn)原因分析及預(yù)防措施

1、盾構(gòu)隧道管片改變原因分析及預(yù)防措施摘要:通過廣州地鐵三號(hào)線瀝大盾構(gòu)區(qū)間工程施工理論,對部分管片發(fā)生整環(huán)改變現(xiàn)象的原因進(jìn)展分析,并提出預(yù)防措施及其治理方法,供同行參考。關(guān)鍵詞:盾構(gòu)隧道;管片改變;原因分析;預(yù)防措施1工程概況在地鐵盾構(gòu)推進(jìn)過程中,受到盾構(gòu)刀盤扭矩的影響,拼裝成環(huán)的管片拼裝位置與設(shè)計(jì)值相比旋轉(zhuǎn)了一定角度,給盾構(gòu)管片的選型和拼裝造成了一定影響,且可能導(dǎo)致后續(xù)車架和電機(jī)車軌道鋪設(shè)不平整,影響設(shè)備的運(yùn)行。廣州地鐵三號(hào)線瀝滘站大石北盾構(gòu)區(qū)間工程,隧道單線長3051.5,雙線長6103,最大縱坡28,最小轉(zhuǎn)彎半徑800,隧道內(nèi)徑5.4,外徑6.0。本工程施工采用三菱泥水盾構(gòu)機(jī),主機(jī)機(jī)體長8.

2、17,盾構(gòu)外徑6.26,最大推力3.6104kN,最大扭矩6327kN,刀盤轉(zhuǎn)速04rp。管片采用環(huán)寬1.5的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、左轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)、右轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)等3種(5+1形式),轉(zhuǎn)彎環(huán)的楔形量為38。在該區(qū)段盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí),兩條線均產(chǎn)生了不同程度的改變,部分改變角度達(dá)18,詳細(xì)如圖1所示。由于管片改變過大,致使管片選型的點(diǎn)位均發(fā)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(zhì)量,也使后續(xù)臺(tái)車架和電機(jī)機(jī)車軌道鋪設(shè)不平整,影響了設(shè)備的運(yùn)行。2管片改變原因分析2.1力學(xué)分析盾構(gòu)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)分正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)兩種(即順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)),當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)刀盤順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)切削巖土?xí)r,巖土對刀盤產(chǎn)生逆時(shí)針方向

3、的反力矩巖,此時(shí)盾構(gòu)機(jī)外殼與土體間的摩擦力對盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生一反方向力矩盾,以維持盾構(gòu)機(jī)體平衡,如圖2所示。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.當(dāng)巖盾靜摩擦力矩盾靜(盾構(gòu)機(jī)與盾構(gòu)外殼與圍巖間臨界摩擦力矩值)時(shí),盾構(gòu)機(jī)體穩(wěn)定,管片不會(huì)出現(xiàn)改變趨勢;當(dāng)巖盾靜時(shí),盾構(gòu)機(jī)具有滾動(dòng)的趨勢,盾構(gòu)機(jī)機(jī)體內(nèi)的推進(jìn)千斤頂會(huì)對管片產(chǎn)生一逆時(shí)針方向的扭矩,當(dāng)管片自身穩(wěn)定性及圍巖或襯背已凝固的水泥漿對管片的摩阻力產(chǎn)生的對抗力矩管片能抵抗這一力矩時(shí),盾構(gòu)機(jī)體及管片也都穩(wěn)定,不會(huì)出現(xiàn)改變趨勢;當(dāng)巖盾靜+管片時(shí),盾構(gòu)機(jī)機(jī)體及管片均會(huì)產(chǎn)生逆時(shí)針方向的改變。從以上力學(xué)分析中,我們得知管片改變最主要的原因是圍巖未能提供足夠的摩阻力來阻止盾構(gòu)滾動(dòng)的趨

4、勢而帶動(dòng)管片改變。而導(dǎo)致圍巖未能提供足夠摩阻力的內(nèi)在原因?yàn)?盾構(gòu)刀盤左右旋轉(zhuǎn)方向不平衡,刀盤總朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn);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改變;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(nèi)在原因進(jìn)展詳細(xì)分析。2.2刀盤正反轉(zhuǎn)不平衡當(dāng)盾構(gòu)機(jī)體及管片均具有滾動(dòng)趨勢時(shí),刀盤順逆旋轉(zhuǎn)的不平衡將造成管片向某個(gè)方向的改變大于另一方向的改變,造成成型管片的改變積累。平衡是指在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,刀盤正反轉(zhuǎn)的時(shí)間根本一致,同時(shí)也要求刀盤正反轉(zhuǎn)的扭矩根本一致,這樣管片順逆時(shí)針改變的趨勢也會(huì)一致。在瀝大盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)施工中,最初由于經(jīng)歷缺乏,刀盤總是朝著某個(gè)方向旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致盾構(gòu)

5、機(jī)體滾動(dòng)角度急劇增大,后續(xù)臺(tái)車軌道也跟著傾斜,管片隨其改變了一定角度,造成后續(xù)臺(tái)車不停地出軌,嚴(yán)重影響盾構(gòu)的掘進(jìn)施工,后來我們在掘進(jìn)施工中嚴(yán)格控制刀盤正反轉(zhuǎn)時(shí)間和扭矩,有效地控制了管片改變和后續(xù)臺(tái)車的出軌現(xiàn)象。因此在盾構(gòu)推進(jìn)過程中,如扭矩較大那么應(yīng)盡量縮短刀盤的單向旋轉(zhuǎn)時(shí)間,假設(shè)某一環(huán)推進(jìn)過程中未消除該情況對管片造成的改變,且在每一環(huán)推進(jìn)完畢后盾構(gòu)機(jī)體滾動(dòng)角均增大,那么管片的改變角將會(huì)疊加,使改變程度變得更嚴(yán)重。2.3圍巖未能給予管片足夠的摩阻力在較穩(wěn)定的巖層中,由于圍巖的拱效應(yīng)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(jìn)展填充并固結(jié)管片。但在基巖裂隙發(fā)育,地下水豐富地段,注漿效果往

6、往較差,管片背填注漿液長時(shí)間未能有效凝固,或注漿量嚴(yán)重缺乏導(dǎo)致管片未能充分接觸周圍巖體,因此無法產(chǎn)生足夠的摩阻力組織管片轉(zhuǎn)動(dòng)。管片改變達(dá)18的情況也正發(fā)生在該種地層。對于巖層較軟弱的地段,盾構(gòu)掘進(jìn)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(jié)或注漿量嚴(yán)重缺乏,導(dǎo)致管片受變形沉降的土體所約束。此時(shí),盾構(gòu)機(jī)及管片改變受到襯背、盾體外殼的土層所提供的摩阻力,故不易發(fā)生改變。通過對施工過程中盾構(gòu)機(jī)及管片改變情況進(jìn)展統(tǒng)計(jì),也證實(shí)在軟弱地段不易發(fā)生改變,而在巖層自穩(wěn)性較好且含水的地層段,管片發(fā)生改變的現(xiàn)象較為普遍。2.4管片螺栓未足夠緊固在管片拼裝時(shí),由于工人對管片連接螺栓未能足夠

7、緊固,故無法加強(qiáng)環(huán)間的有效連接和進(jìn)步管環(huán)間的摩擦力,造成管環(huán)之間未能有效傳遞盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)產(chǎn)生的力矩,成型管環(huán)整體性較差,也是造成管片改變的原因之一。3預(yù)防及處理措施3.1盡量縮短單個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)時(shí)間,使正反轉(zhuǎn)時(shí)間和扭矩趨于平衡。3.2盡量縮短同步注漿液的初凝時(shí)間,以增強(qiáng)管片的自穩(wěn)性和及時(shí)給予管片足夠的摩阻力。3.3每一塊管片就位拼裝時(shí),應(yīng)將每個(gè)螺栓初步扭緊,在拼裝完好環(huán)后再次緊固,此外在推進(jìn)過程中推進(jìn)壓力遠(yuǎn)大于管片拼裝時(shí)的千斤頂壓力,故此時(shí)應(yīng)對管片螺栓再次緊固,以到達(dá)較好的緊固效果,使管片整體性良好以抵抗改變的趨勢。3.4掘進(jìn)時(shí)推進(jìn)千斤頂上下部壓力差應(yīng)盡可能小,防止較大的壓力差使管片產(chǎn)生漂浮現(xiàn)象,從而減弱管片的自穩(wěn)性。施工理論證明,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)千斤頂上下部壓力差達(dá)100bar時(shí),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(dāng)發(fā)現(xiàn)管片有位移跡象時(shí),應(yīng)及時(shí)對管片進(jìn)展襯背注漿,以防止管片繼續(xù)位移,或?qū)芷M(jìn)展有效的填充,以防止管片產(chǎn)生過大的改變。3.6在發(fā)現(xiàn)管片產(chǎn)生改變時(shí),可將刀盤與管片改變方向同向旋轉(zhuǎn),并適當(dāng)延長旋轉(zhuǎn)時(shí)間,以防止管片繼續(xù)改變并使管片恢復(fù)正常位置。3.7在管片改變過大時(shí),可合理利用管片螺栓孔與螺栓間的公差進(jìn)展調(diào)整,管片拼裝時(shí)將管片向改變的反方向進(jìn)展拼裝。拼裝時(shí)為便于拼裝和到達(dá)最好的效