盾構(gòu)法隧道管片錯臺施工技術(shù)研究

盾構(gòu)法隧道管片錯臺施工技術(shù)研究

1管片錯臺形成原因分析預(yù)制混凝土隧道的檢測和錯誤臺一直是施工和維護(hù)的技術(shù)問題，長期未受到充分關(guān)注。隨著盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的提高,錯臺引起的管片開裂、拼裝困難和防水隱患等問題對施工和運(yùn)營的影響開始凸顯出來。盾構(gòu)隧道管片發(fā)生錯臺的因素很多,如管片的頂力、制造尺寸有誤、拼裝不當(dāng)、注漿不均及盾構(gòu)姿態(tài)控制欠佳等。其中主要是在管片拼裝后直接受到頂力的作用迫使其向后壓縮彈性密封墊,而由于全環(huán)的不均勻的頂力作用,造成了密封墊的差異性壓縮變形,從而進(jìn)一步造成了管片間的有差異的縱向位移,即錯臺的發(fā)生。隨著頂力的持續(xù)作用,密封墊將繼續(xù)被壓縮直至壓縮性能完全的發(fā)揮,在此過程中管片錯臺將繼續(xù)發(fā)展累積下來,最終造成了錯臺總量的增大。本文以上海軌道交通二號線西延伸段盾構(gòu)隧道工程為背景,從不均勻的頂力造成錯臺的主要因素著手,通過對施工過程中的管片錯臺的現(xiàn)場監(jiān)測和分析,得到錯臺發(fā)生和發(fā)展規(guī)律,以及錯臺和頂力等影響因素之間的關(guān)系,為消除盾構(gòu)隧道錯臺提供依據(jù)。2工程概論與地質(zhì)條件分析2.1隧道司法結(jié)構(gòu)及管片受力分析上海軌道交通2號線西延伸工程(Ⅵ標(biāo))包括出入段線區(qū)間盾構(gòu)隧道(含一個旁通道和一個盾構(gòu)工作井)、暗埋段和敞開段。本標(biāo)段虹橋臨空園站-北翟路工作井區(qū)間隧道工程,入段線全長1257.937m,出段線全長1241.55m。隧道最大覆土厚度約為15.5m,隧道水平曲線最小轉(zhuǎn)彎半徑為399.851m,最大縱坡為37‰。隧道外徑為6200mm,內(nèi)徑為5500mm,襯砌為環(huán)寬1200mm的通縫管片,環(huán)縱向均設(shè)有凹凸槽。管片采用通縫拼裝,M30雙頭直螺栓聯(lián)接;環(huán)縫及縱縫間防水材料采用三元乙丙彈性密封墊。在施工過程中,管片受到千斤頂?shù)捻斄ψ饔孟蚝髩嚎s彈性密封墊并產(chǎn)生一定位移。具有差異性的頂力勢必造成彈性密封墊的壓縮變形的不均勻,使得同環(huán)的管片產(chǎn)生的位移也不相同,它們之間發(fā)生相對的錯動,從而形成了錯臺。錯臺同時也與其它諸如管片尺寸、拼裝等因素有關(guān),但是施工過程中的頂力因素占主導(dǎo)的地位。圖1顯示了施工現(xiàn)場的一個典型錯臺。2.2土層及第層灰色粘土本區(qū)段隧道埋深中間深,兩端淺,隧道頂板標(biāo)高-1.361~-11.129m。隧道所在場地地層分布較穩(wěn)定,分層界限明顯,土層起伏變化不大。整個區(qū)間隧道穿越土層主要為軟土層,包括③1層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③2層灰色粘質(zhì)粉土、④層灰色淤泥質(zhì)粘土、⑤1-1層灰色粘土層,除③2層透水性好外,其余土層呈流塑狀態(tài),尚均勻。第④層灰色淤泥質(zhì)粘土是盾構(gòu)施工的主要土層,但由于其壓縮性高、含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、穩(wěn)定時間長,在動力作用下極易產(chǎn)生流變、觸變現(xiàn)象。本場地淺部地下水屬潛水類型,補(bǔ)給來源主要為大氣降水與地表徑流,水位動態(tài)為氣象型,地下水埋深取0.5~0.7m。本標(biāo)段施工區(qū)域微承壓含水層分布于⑤2粉細(xì)砂層中。3監(jiān)測內(nèi)容和隧道管道的設(shè)計(jì)3.1縱向接縫處水平垂直分布首先確定某10環(huán)管片為待測管片,并在其鄰接塊和標(biāo)準(zhǔn)塊、標(biāo)準(zhǔn)塊和拱底塊之間的縱向接縫處布設(shè)錯臺測點(diǎn)。采用百分表監(jiān)測脫離盾尾的該10環(huán)管片的錯臺情況。每環(huán)布設(shè)兩個百分表,進(jìn)行沿開挖方向的右側(cè)半環(huán)錯臺的量測,并記錄四個頂力區(qū)域的頂力值。對測試數(shù)據(jù)及其反映的錯臺規(guī)律及特點(diǎn)進(jìn)行比較,歸納和總結(jié)。3.2監(jiān)控計(jì)劃的設(shè)計(jì)(1)環(huán)號、管片的安裝隨著盾構(gòu)的推進(jìn),拼裝好的管片結(jié)構(gòu)脫離盾尾,在剛脫離盾尾的管片實(shí)施儀器的安裝,安裝完畢即讀取初始值并記錄,安裝位置詳圖如圖2。圖2中顯示了環(huán)號為732~747的管片,其中布設(shè)有測點(diǎn)的10環(huán)管片為待測管片。接縫1為鄰接塊和標(biāo)準(zhǔn)塊的接縫,接縫2為標(biāo)準(zhǔn)塊和拱底塊的接縫。1~20號測點(diǎn)如圖分布。(2)數(shù)據(jù)采集和安裝在新的一環(huán)即將脫離盾尾時,即可對所布設(shè)的全部測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并在新的一環(huán)待測管片脫離盾尾后實(shí)施新一組儀器的安裝。如此重復(fù)直到待測管片均被布置了測點(diǎn),測點(diǎn)詳圖見圖3。(3)拆除測量點(diǎn)的時間當(dāng)前期布設(shè)的測點(diǎn)遠(yuǎn)離盾尾,錯臺基本不再發(fā)展時,即拆除監(jiān)測儀器。(4)頂力監(jiān)測在錯臺量測的過程中,四個區(qū)域同步頂力的量測值從盾構(gòu)機(jī)控制平臺上讀出。4管片與拱底塊間的垂直分布在盾構(gòu)推進(jìn)過程中,可以得到每片管片上的頂力大小。每環(huán)可以得到6個數(shù)據(jù),它們分別是作用在封頂塊、鄰接塊1和2、標(biāo)準(zhǔn)塊1和2以及拱底塊的頂力。由于本文將其簡化為一個對稱的模型,考慮管片縱向通縫處的錯臺。計(jì)算出封頂塊、鄰接塊、標(biāo)準(zhǔn)塊和拱底塊的頂力,其中封頂塊的頂力處于537~569KN,鄰接塊頂力1355~1456KN,標(biāo)準(zhǔn)塊頂力1296~1609KN,拱底塊3742~5774KN?？梢酝ㄟ^對各管片頂力的計(jì)算得到不同塊之間的頂力差異,以便分析它和錯臺之間的關(guān)系。每環(huán)管片錯臺的監(jiān)測是通過布置的測點(diǎn)測得的鄰接塊與標(biāo)準(zhǔn)塊之間的錯臺(由測點(diǎn)號為奇數(shù)的測點(diǎn)測得),以及標(biāo)準(zhǔn)塊和拱底塊之間錯臺(由測點(diǎn)號為偶數(shù)的測點(diǎn)測得)綜合得到的。由于測點(diǎn)號為奇數(shù)的測點(diǎn)全部被分配布設(shè)到了鄰接塊和標(biāo)準(zhǔn)塊的接縫1處,那么它表征的即為鄰接塊和標(biāo)準(zhǔn)塊接縫處的錯臺情況。而測點(diǎn)號為偶數(shù)的測點(diǎn)全部被分配布設(shè)到了標(biāo)準(zhǔn)塊和拱底塊的接縫2處,那么它表征的即為標(biāo)準(zhǔn)塊和拱底塊接縫處的錯臺情況。圖4和圖5分別顯示了第745~747環(huán)縱向接縫1和接縫2的錯臺隨管片到盾尾的距離的變化特征。從圖中可以發(fā)現(xiàn)兩類接縫的錯臺發(fā)生發(fā)展情況。該組錯臺發(fā)生后,總量隨著與盾尾的距離增大持續(xù)增大。在離盾尾一段距離之后(約8.4m),錯臺增加速率明顯降低,并趨于零?？v向接縫1的最終錯臺總量最大達(dá)到9.15mm,縱向接縫2的錯臺達(dá)到3.61mm,這說明鄰接塊和標(biāo)準(zhǔn)塊之間的接縫1發(fā)生的錯臺量大于標(biāo)準(zhǔn)塊和拱底塊間發(fā)生的錯臺量。圖6中顯示了第745~747環(huán)每環(huán)兩條接縫總的錯臺量。就其機(jī)理而言,主要是在管片拼裝后直接受到頂力的作用迫使其向后壓縮彈性密封墊。而由于全環(huán)的不均勻的頂力作用,造成了密封墊的差異性壓縮變形,從而進(jìn)一步造成了管片間的有差異的縱向位移,即錯臺的發(fā)生。隨著頂力的持續(xù)作用,密封墊將繼續(xù)被壓縮直至壓縮性能完全的發(fā)揮,在此過程中管片錯臺將繼續(xù)發(fā)展累積下來,最終造成了錯臺總量的增大。由于是兩條接縫錯臺的疊加,所測管片的錯臺大都超過了10mm,最小的錯臺也大于9mm。所以如此大的錯臺會對盾構(gòu)的施工影響,并給防水帶來很大的隱患。從單條錯臺量的曲線來看,錯臺的速率并非總是在脫離盾尾的時候達(dá)到最大值。因?yàn)殄e臺的速率不僅與到盾尾的距離有關(guān),同時還主要受頂力差和摩擦的影響。在盾構(gòu)推進(jìn)的過程中,頂力是不斷變化的。某環(huán)管片在脫離盾尾時可能剛好受到較小頂力差的作用,使得此時的錯臺速率偏小。但頂力差僅是引起這種現(xiàn)象的可能因素,而摩擦則是必然的。因?yàn)樵谀抄h(huán)管片拼裝好時,管片間并沒有相對的錯動。此時的靜摩擦力大于管片開始相對錯動之后的動摩擦力,所以剛開始的錯臺速率會受到較大的摩擦影響,從而使得最大的錯臺速率往往出現(xiàn)在到盾尾約3.6m之后。圖7和圖8分別顯示了第746環(huán)和第747環(huán)兩條接縫的錯臺及一環(huán)的總錯臺量隨到盾尾距離的變化特征。表1列出了所測管片的總錯臺量。圖中total表示的同環(huán)的兩條被測接縫的錯臺之和,另兩條就是同環(huán)的兩條被測接縫的錯臺發(fā)展情況。圖中可以看出在正常的施工過程中,同環(huán)管片的兩個被測接縫的錯臺速率和最后的錯臺大小不同。實(shí)際上,標(biāo)準(zhǔn)塊與拱底塊之間的頂力差是更大的,但是此處接縫的錯臺卻不及另一條接縫錯臺。這主要是由于千斤頂施加給管片的頂力在管片之間進(jìn)行了再分配以及盾構(gòu)構(gòu)造因素造成的。最終形成了上述鄰接塊與標(biāo)準(zhǔn)塊接縫的錯臺大于標(biāo)準(zhǔn)塊與拱底塊接縫的錯臺的規(guī)律。圖9顯示了頂力差和錯臺速率的比較圖。從圖中可以看出雖然頂力差隨時間不停的變化,這和現(xiàn)場情況密切相關(guān)。但在管片拼裝后的一段時間內(nèi),錯臺速率隨頂力差的大小增大而增大,反之頂力差減小,錯臺速率也隨之減小。一段時間以后,頂力差的變化對錯臺速率的影響已不明顯,并趨于穩(wěn)定,數(shù)值上趨近于0。說明此時,錯臺的發(fā)展將近結(jié)束,這也吻合了前面所分析的錯臺與到盾尾距離的關(guān)系。5錯臺速率隨頂