盾構(gòu)隧道管片扭轉(zhuǎn)原因分析及預防措施摘要:通過廣州地鐵三號線瀝大盾構(gòu)區(qū)間工程施工實踐,對局部管片發(fā)生整環(huán)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象的原因進行分析,并提出預防措施及其治理方法,供同行參考。關(guān)鍵詞:盾構(gòu)隧道;管片扭轉(zhuǎn);原因分析;預防措施1工程概況 在地鐵盾構(gòu)推進過程中,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計值相比旋轉(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,且可能導致后續(xù)車架和電機車軌道鋪設不平整,影響設備的運行。 廣州地鐵三號線瀝滘站~大石北盾構(gòu)區(qū)間工程,隧道單線長3051.5m,雙線長6103m,最大縱坡28‰,最小轉(zhuǎn)彎半徑800m,隧道內(nèi)徑5.4m,外徑6.0m。本工程施工采用三菱泥水盾構(gòu)機,主機機體長8.17m,盾構(gòu)外徑6.26m,最大推力3.6×104kN,最大扭矩6327kN·m,刀盤轉(zhuǎn)速0～4rpm。管片采用環(huán)寬1.5m的標準環(huán)、左轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)、右轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)等3種(5+1模式),轉(zhuǎn)彎環(huán)的楔形量為38mm。 在該區(qū)段盾構(gòu)掘進施工時,兩條線均產(chǎn)生了不同程度的扭轉(zhuǎn),局部扭轉(zhuǎn)角度達18°,具體如圖1所示。由于管片扭轉(zhuǎn)過大,致使管片選型的點位均發(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)臺車架和電機機車軌道鋪設不平整,影響了設備的運行。
2管片扭轉(zhuǎn)原因分析2.1力學分析 盾構(gòu)機刀盤旋轉(zhuǎn)分正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)兩種(即順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)),當電機帶動刀盤順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)切削巖土時,巖土對刀盤產(chǎn)生逆時針方向的反力矩M巖,此時盾構(gòu)機外殼與土體間的摩擦力對盾構(gòu)機產(chǎn)生一反方向力矩M盾,以維持盾構(gòu)機體平衡,如圖2所示。 ⑴當M巖<M盾靜摩擦力矩M盾靜(盾構(gòu)機與盾構(gòu)外殼與圍巖間臨界摩擦力矩值)時,盾構(gòu)機體穩(wěn)定,管片不會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)趨勢; ⑵當M巖>M盾靜時,盾構(gòu)機具有滾動的趨勢,盾構(gòu)機機體內(nèi)的推進千斤頂會對管片產(chǎn)生一逆時針方向的扭矩,當管片自身穩(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)生的反抗力矩M管片能抵抗這一力矩時,盾構(gòu)機體及管片也都穩(wěn)定,不會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)趨勢; ⑶當M巖>M盾靜+M管片時,盾構(gòu)機機體及管片均會產(chǎn)生逆時針方向的扭轉(zhuǎn)。 從以上力學分析中,我們得知管片扭轉(zhuǎn)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)滾動的趨勢而帶動管片扭轉(zhuǎn)。而導致圍巖未能提供足夠摩阻力的內(nèi)在原因為:①盾構(gòu)刀盤左右旋轉(zhuǎn)方向不均衡,刀盤總朝一個方向旋轉(zhuǎn);②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扭轉(zhuǎn);③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)在原因進行詳細分析。2.2刀盤正反轉(zhuǎn)不均衡 當盾構(gòu)機體及管片均具有滾動趨勢時,刀盤順逆旋轉(zhuǎn)的不均衡將造成管片向某個方向的扭轉(zhuǎn)大于另一方向的扭轉(zhuǎn),造成成型管片的扭轉(zhuǎn)積累。均衡是指在盾構(gòu)掘進過程中,刀盤正反轉(zhuǎn)的時間基本一致,同時也要求刀盤正反轉(zhuǎn)的扭矩基本一致,這樣管片順逆時針扭轉(zhuǎn)的趨勢也會一致。 在瀝大盾構(gòu)區(qū)間掘進施工中,最初由于經(jīng)驗不足,刀盤總是朝著某個方向旋轉(zhuǎn),導致盾構(gòu)機體滾動角度急劇增大,后續(xù)臺車軌道也跟著傾斜,管片隨其扭轉(zhuǎn)了一定角度,造成后續(xù)臺車不停地出軌,嚴重影響盾構(gòu)的掘進施工,后來我們在掘進施工中嚴格控制刀盤正反轉(zhuǎn)時間和扭矩,有效地控制了管片扭轉(zhuǎn)和后續(xù)臺車的出軌現(xiàn)象。因此在盾構(gòu)推進過程中,如扭矩較大則應盡量縮短刀盤的單向旋轉(zhuǎn)時間,若某一環(huán)推進過程中未消除該情況對管片造成的扭轉(zhuǎn),且在每一環(huán)推進完畢后盾構(gòu)機體滾動角均增大,則管片的扭轉(zhuǎn)角將會疊加,使扭轉(zhuǎn)程度變得更嚴重。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,需同步注漿進行填充并固結(jié)管片。但在基巖裂隙發(fā)育,地下水豐富地段,注漿效果往往較差,管片背填注漿液長時間未能有效凝固,或注漿量嚴重不足導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。管片扭轉(zhuǎn)達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)或注漿量嚴重不足,導致管片受變形沉降的土體所約束。此時,盾構(gòu)機及管片扭轉(zhuǎn)受到襯背、盾體外殼的土層所提供的摩阻力,故不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)。 通過對施工過程中盾構(gòu)機及管片扭轉(zhuǎn)情況進行統(tǒng)計,也證實在軟弱地段不易發(fā)生扭轉(zhuǎn),而在巖層自穩(wěn)性較好且含水的地層段,管片發(fā)生扭轉(zhuǎn)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,由于工人對管片連接螺栓未能足夠緊固,故無法加強環(huán)間的有效連接和提高管環(huán)間的摩擦力,造成管環(huán)之間未能有效傳遞盾構(gòu)機滾動產(chǎn)生的力矩,成型管環(huán)整體性較差,也是造成管片扭轉(zhuǎn)的原因之一。3預防及處理措施 3.1盡量縮短單個方向的旋轉(zhuǎn)時間,使正反轉(zhuǎn)時間和扭矩趨于均衡。 3.2盡量縮短同步注漿液的初凝時間,以增強管片的自穩(wěn)性和及時給予管片足夠的摩阻力。 3.3每一塊管片就位拼裝時,應將每個螺栓初步扭緊,在拼裝完整環(huán)后再次緊固,此外在推進過程中推進壓力遠大于管片拼裝時的千斤頂壓力,故此時應對管片螺栓再次緊固,以達到較好的緊固效果,使管片整體性良好以抵抗扭轉(zhuǎn)的趨勢。 3.4掘進時推進千斤頂上下部壓力差應盡可能小,避免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。施工實踐證明,當盾構(gòu)機推進千斤頂上下部壓力差達100bar時,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當發(fā)現(xiàn)管片有位移跡象時,應及時對管片進行襯背注漿,以防止管片繼續(xù)位移,或?qū)芷M行有效的填充,以防止管片產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)。 3.6在發(fā)現(xiàn)管片產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時,可將刀盤與管片扭轉(zhuǎn)方向同向旋轉(zhuǎn),并適當延長旋轉(zhuǎn)時間,以防止管片繼續(xù)扭轉(zhuǎn)并使管片恢復正常位置。 3.7在管片扭轉(zhuǎn)過大時,可合理利用管片螺栓孔與螺栓間的公差進行調(diào)整,管片拼裝時將管片向扭轉(zhuǎn)的反方向進行拼裝。拼裝時為便于拼裝和達到最好的效果,可先拼裝就位B塊(當管片逆時針扭轉(zhuǎn)時)或C塊(當管片順時針扭轉(zhuǎn)時)管片。參考文獻[1]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004[2]朱偉譯.隧道標準規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解說[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001
2管片扭轉(zhuǎn)原因分析2.1力學分析 盾構(gòu)機刀盤旋轉(zhuǎn)分正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)兩種(即順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)),當電機帶動刀盤順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)切削巖土時,巖土對刀盤產(chǎn)生逆時針方向的反力矩M巖,此時盾構(gòu)機外殼與土體間的摩擦力對盾構(gòu)機產(chǎn)生一反方向力矩M盾,以維持盾構(gòu)機體平衡,如圖2所示。 ⑴當M巖<M盾靜摩擦力矩M盾靜(盾構(gòu)機與盾構(gòu)外殼與圍巖間臨界摩擦力矩值)時,盾構(gòu)機體穩(wěn)定,管片不會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)趨勢; ⑵當M巖>M盾靜時,盾構(gòu)機具有滾動的趨勢,盾構(gòu)機機體內(nèi)的推進千斤頂會對管片產(chǎn)生一逆時針方向的扭矩,當管片自身穩(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)生的反抗力矩M管片能抵抗這一力矩時,盾構(gòu)機體及管片也都穩(wěn)定,不會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)趨勢; ⑶當M巖>M盾靜+M管片時,盾構(gòu)機機體及管片均會產(chǎn)生逆時針方向的扭轉(zhuǎn)。 從以上力學分析中,我們得知管片扭轉(zhuǎn)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)滾動的趨勢而帶動管片扭轉(zhuǎn)。而導致圍巖未能提供足夠摩阻力的內(nèi)在原因為:①盾構(gòu)刀盤左右旋轉(zhuǎn)方向不均衡,刀盤總朝一個方向旋轉(zhuǎn);②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扭轉(zhuǎn);③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)在原因進行詳細分析。2.2刀盤正反轉(zhuǎn)不均衡 當盾構(gòu)機體及管片均具有滾動趨勢時,刀盤順逆旋轉(zhuǎn)的不均衡將造成管片向某個方向的扭轉(zhuǎn)大于另一方向的扭轉(zhuǎn),造成成型管片的扭轉(zhuǎn)積累。均衡是指在盾構(gòu)掘進過程中,刀盤正反轉(zhuǎn)的時間基本一致,同時也要求刀盤正反轉(zhuǎn)的扭矩基本一致,這樣管片順逆時針扭轉(zhuǎn)的趨勢也會一致。 在瀝大盾構(gòu)區(qū)間掘進施工中,最初由于經(jīng)驗不足,刀盤總是朝著某個方向旋轉(zhuǎn),導致盾構(gòu)機體滾動角度急劇增大,后續(xù)臺車軌道也跟著傾斜,管片隨其扭轉(zhuǎn)了一定角度,造成后續(xù)臺車不停地出軌,嚴重影響盾構(gòu)的掘進施工,后來我們在掘進施工中嚴格控制刀盤正反轉(zhuǎn)時間和扭矩,有效地控制了管片扭轉(zhuǎn)和后續(xù)臺車的出軌現(xiàn)象。因此在盾構(gòu)推進過程中,如扭矩較大則應盡量縮短刀盤的單向旋轉(zhuǎn)時間,若某一環(huán)推進過程中未消除該情況對管片造成的扭轉(zhuǎn),且在每一環(huán)推進完畢后盾構(gòu)機體滾動角均增大,則管片的扭轉(zhuǎn)角將會疊加,使扭轉(zhuǎn)程度變得更嚴重。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,需同步注漿進行填充并固結(jié)管片。但在基巖裂隙發(fā)育,地下水豐富地段,注漿效果往往較差,管片背填注漿液長時間未能有效凝固,或注漿量嚴重不足導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。管片扭轉(zhuǎn)達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)或注漿量嚴重不足,導致管片受變形沉降的土體所約束。此時,盾構(gòu)機及管片扭轉(zhuǎn)受到襯背、盾體外殼的土層所提供的摩阻力,故不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)。 通過對施工過程中盾構(gòu)機及管片扭轉(zhuǎn)情況進行統(tǒng)計,也證實在軟弱地段不易發(fā)生扭轉(zhuǎn),而在巖層自穩(wěn)性較好且含水的地層段,管片發(fā)生扭轉(zhuǎn)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,由于工人對管片連接螺栓未能足夠緊固,故無法加強環(huán)間的有效連接和提高管環(huán)間的摩擦力,造成管環(huán)之間未能有效傳遞盾構(gòu)機滾動產(chǎn)生的力矩,成型管環(huán)整體性較差,也是造成管片扭轉(zhuǎn)的原因之一。3預防及處理措施 3.1盡量縮短單個方向的旋轉(zhuǎn)時間,使正反轉(zhuǎn)時間和扭矩趨于均衡。 3.2盡量縮短同步注漿液的初凝時間,以增強管片的自穩(wěn)性和及時給予管片足夠的摩阻力。 3.3每一塊管片就位拼裝時,應將每個螺栓初步扭緊,在拼裝完整環(huán)后再次緊固,此外在推進過程中推進壓力遠大于管片拼裝時的千斤頂壓力,故此時應對管片螺栓再次緊固,以達到較好的緊固效果,使管片整體性良好以抵抗扭轉(zhuǎn)的趨勢。 3.4掘進時推進千斤頂上下部壓力差應盡可能小,避免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。施工實踐證明,當盾構(gòu)機推進千斤頂上下部壓力差達100bar時,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當發(fā)現(xiàn)管片有位移跡象時,應及時對管片進行襯背注漿,以防止管片繼續(xù)位移,或?qū)芷M行有效的填充,以防止管片產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)。 3.6在發(fā)現(xiàn)管片產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時,可將刀盤與管片扭轉(zhuǎn)方向同向旋轉(zhuǎn),并適當延長旋轉(zhuǎn)時間,以防止管片繼續(xù)扭轉(zhuǎn)并使管片恢復正常位置。 3.7在管片扭轉(zhuǎn)過大時,可合理利用管片螺栓孔與螺栓間的公差進行調(diào)整,管片拼裝時將管片向扭轉(zhuǎn)的反方向進行拼裝。拼裝時為便于拼裝和達到最好的效果,可先拼裝就位B塊(當管片逆時針扭轉(zhuǎn)時)或C塊(當管片順時針扭轉(zhuǎn)時)管片。參考文獻[1]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004[2]朱偉譯.隧道標準規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解說[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001
