殷 波,童剛強(qiáng)

(天津地鐵建設(shè)發(fā)展有限公司,天津300051)

0 引 言

目前,國內(nèi)盾構(gòu)隧道主要采用鋼筋混泥土管片[1],其設(shè)計方法主要有慣用法、修正慣用法、多鉸環(huán)法及梁-彈簧模型法[2-3]。管片作為盾構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)上海地鐵的調(diào)研結(jié)果表明:絕大多數(shù)管片的破損是由于施工過程中的沖擊及拉應(yīng)力過大所造成的[7]。天津地鐵2號線兩區(qū)間隧道盾構(gòu)施工過程中管片存在不同程度的裂縫、碎裂,在總結(jié)管片破裂一般原因的基礎(chǔ)上,結(jié)合天津地鐵盾構(gòu)施工實例對破裂原因進(jìn)行分析研究,并提出了管片修補(bǔ)方案以及相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 管片破裂原因

鋼筋混凝土管片從制作、運(yùn)輸出廠、吊裝、再到拼裝要經(jīng)歷一個漫長的過程,造成管片破裂的原因是錯綜復(fù)雜的,是各種因素交織在一起造成的。結(jié)合目前各城市地鐵隧道盾構(gòu)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(shè)計原因

對于地鐵隧道規(guī)范規(guī)定最小曲率半徑R≥300,當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)到小曲率半徑時,作用在管片上的推力容易產(chǎn)生較大的偏心力,從而在管片上產(chǎn)生較大的彎矩,使管片開裂的可能性增大。因此在線形設(shè)計時應(yīng)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(yīng)性。

1.2 千斤頂總推力過大

在盾構(gòu)推進(jìn)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(gòu)推力主要包括盾殼與周圍地層的阻力、刀盤面板的推進(jìn)阻力、管片與盾尾間的摩擦阻力、切口環(huán)貫入地層的貫入阻力、轉(zhuǎn)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(jìn)阻力是造成千斤頂總推力過大的主要因素。

在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入粘土層或者沙層時,由于土體自身的特性,土體在土倉內(nèi)形成“泥餅”或者掌子面上土體水分?jǐn)U散形成一面“沙墻”,盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)推進(jìn)時,總推力增大,從而管片環(huán)面受到的縱向推力和剪切力也相應(yīng)增大。當(dāng)管片局部受力超過混凝土設(shè)計強(qiáng)度時就會引起管片開裂,因此盾構(gòu)機(jī)推力過大是引起管片破裂的一個重要因素。

1.3 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與隧道軸線不匹配

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制與隧道軸線不匹配是引起管片破裂的一個常見現(xiàn)象。盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中,采用自動測量和人工測量相結(jié)合的方式對盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)以及管片的成形姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測參數(shù)包括:盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、盾尾間隙、橢圓度、推力以及管片成形姿態(tài)。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與隧道軸線不匹配會造成盾尾間隙不均,管片一側(cè)外弧面與盾尾接觸,即產(chǎn)生所謂“卡殼”現(xiàn)象,這時盾尾密封刷甚至盾殼就會對管片產(chǎn)生擠壓作用,造成管片變形甚至開裂。

1.4 管片環(huán)面不平整和錯臺現(xiàn)象

造成管片環(huán)面不平整主要原因包括:管片制作精度不夠、盾構(gòu)機(jī)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(huán)面不平整。管片環(huán)面不平整,盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)時通過千斤頂會產(chǎn)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(dāng)、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(gòu)機(jī)千斤頂是通過撐靴與管片接觸的,設(shè)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(xiàn)應(yīng)力集中。千斤頂重心偏移則會對管片產(chǎn)生扭矩的作用,使管片向內(nèi)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(gòu)區(qū)間Ⅰ左線長813m,其中左線最小半徑R=400 m,為曲線始發(fā),始發(fā)后即進(jìn)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(qū)間Ⅰ穿越地層主要由粉土、粉質(zhì)粘土、粘土組成。區(qū)間Ⅱ左線長575 m,地質(zhì)條件和區(qū)間Ⅰ相似。兩區(qū)間內(nèi)管片均為深埋管片,混泥土設(shè)計強(qiáng)度為C50,襯砌管片組合形式為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左右轉(zhuǎn)彎環(huán),每環(huán)管片包括3個標(biāo)準(zhǔn)塊、2個鄰接塊、1個封頂塊。盾構(gòu)機(jī)外殼尺寸為6.34 m,管片外徑6.2 m,管片內(nèi)徑5.5 m,管片寬度為1.2 m。

在整個盾構(gòu)施工過程中,管片出現(xiàn)破裂的環(huán)數(shù)很多,占到半數(shù)以上,但是大部分零星破裂,出現(xiàn)連續(xù)開裂的位置包括:區(qū)間Ⅰ左線盾構(gòu)施工進(jìn)行到15～17環(huán)(這個“環(huán)”代表推進(jìn)的位置)時,管片出現(xiàn)連續(xù)破裂如圖1(a),經(jīng)過調(diào)整,管片破裂情況開始好轉(zhuǎn),但是當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入82～94環(huán)時管片上部連續(xù)開裂如圖1(b),而從87～94環(huán)管片開裂部位由上部轉(zhuǎn)為下部如圖1(c);右線盾構(gòu)相對平穩(wěn),直至盾構(gòu)施工至100～113環(huán)進(jìn)入粉砂層時,盾構(gòu)總推力過大致使管片出現(xiàn)破裂。區(qū)間Ⅱ左線在整個掘進(jìn)過程中管片出現(xiàn)多處連續(xù)破裂,外觀表現(xiàn)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(jié)合每環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)對管片破裂原因進(jìn)行分析,總結(jié)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(yīng)力過大

區(qū)間Ⅰ左線15～17環(huán)剛好處在最小半徑R=400 m(左轉(zhuǎn))的曲線段上,為了使盾構(gòu)機(jī)與隧道軸線走向盡可能一致,盾構(gòu)過程中不斷地對盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整主要是通過調(diào)節(jié)各組千斤頂?shù)耐屏韺崿F(xiàn)的,當(dāng)盾構(gòu)左轉(zhuǎn)時就必須加大盾構(gòu)機(jī)右側(cè)區(qū)千斤頂?shù)耐屏?這樣就造成管片受力不均,局部應(yīng)力過大,產(chǎn)生開裂。

2.2.2 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與隧道軸線姿態(tài)不匹配

區(qū)間Ⅰ左線82～85平曲線為直線段,縱向坡度為-2‰。根據(jù)自動監(jiān)測和人工測量的數(shù)據(jù)來看,盾構(gòu)先是出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象,造成盾尾間隙不均,上部間隙很小,下部間隙較大。在推進(jìn)到87～94時上部管片與盾尾產(chǎn)生“卡殼”,盾構(gòu)對管片造成擠壓,致使管片開裂。為了挽回盾構(gòu)姿態(tài),加大下部千斤頂?shù)耐屏M(jìn)行糾偏,致使下部管片受力過大,出現(xiàn)破裂。

2.2.3 盾構(gòu)機(jī)總推力過大

區(qū)間Ⅰ右線100～113環(huán)處于粉砂層中,粉砂層含水率高,滲透系數(shù)大,穩(wěn)定性較差,為了維持掌子面土壓穩(wěn)定,增大了土倉壓力。土倉壓力增大導(dǎo)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(dāng)于處在高圍壓下,粉砂層的抗剪強(qiáng)度急劇增大,繼續(xù)推進(jìn)時盾構(gòu)機(jī)的總推力均在2 400 t以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常的1 500 t。

2.2.4 管片出現(xiàn)明顯錯臺

區(qū)間Ⅱ左線管片錯臺明顯,主要原因包括盾構(gòu)機(jī)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(jìn)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(qū)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(jìn)行二次補(bǔ)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(dǎo)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(dǎo)致管片上浮。

3 管片修補(bǔ)

對已經(jīng)損壞的管片要及時修補(bǔ),修補(bǔ)后的管片必須符合隧道工程施工驗收標(biāo)準(zhǔn),修補(bǔ)過程主要包括以下幾個步驟:

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

(2)對深度不大的地方進(jìn)行表面修復(fù),修補(bǔ)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(xì)沙。對于損壞比較大的部位需要采用專用修補(bǔ)砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。

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

(4)對于管片外弧面的損壞,可根據(jù)施工經(jīng)驗及管片與盾尾間隙來判斷,如發(fā)生管片外弧面被盾尾拉壞,則記錄此環(huán)管片環(huán)號,在推出盾尾15環(huán)后,由此環(huán)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(bǔ)前后對比

4 建 議

盾構(gòu)施工中管片破裂的原因是復(fù)雜的,是各方面相互作用的結(jié)果。綜合天津地鐵盾構(gòu)施工經(jīng)驗,提出了從以下11個方面對盾構(gòu)工藝進(jìn)行改善:

(1)在盾構(gòu)始發(fā)之前,提前研究下穿地層的水文地質(zhì)情況,控制好盾構(gòu)姿態(tài),盡量使盾構(gòu)姿態(tài)保持在可控范圍內(nèi)。

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

(3)根據(jù)水文地質(zhì)情況,調(diào)整注漿配合比以及漿液稠度,并結(jié)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(zhì),要進(jìn)行土體改良。例如,土倉內(nèi)出現(xiàn)“泥餅”時,可以向刀盤內(nèi)注水或者注入泡沫改良劑。

(5)盡量減小千斤頂總推力。當(dāng)盾構(gòu)經(jīng)過復(fù)雜地層或者下穿建筑物時,可以減慢推進(jìn)速度,適當(dāng)降低土倉壓力,達(dá)到減小推力的目的。

(6)加強(qiáng)對隧道軸線的監(jiān)測。一般采用人工測量和自動測量相結(jié)合的辦法,每推一環(huán)就測量1次,實時監(jiān)控盾構(gòu)機(jī)走向。

(7)勤糾偏,減小每環(huán)糾偏量。根據(jù)每環(huán)的監(jiān)測數(shù)據(jù),及時對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,避免等到一次糾偏量過大的情況發(fā)生。

(8)適當(dāng)降低土倉壓力。出現(xiàn)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(dá)到降低總推力的目的。

(9)及時進(jìn)行二次注漿。為了防止在推進(jìn)過程中后面的管片產(chǎn)生變形,需要進(jìn)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(shù)合格的盾構(gòu)司機(jī)。盾構(gòu)司機(jī)是盾構(gòu)機(jī)的操作手,要時刻掌握著盾構(gòu)機(jī)的工作狀態(tài)。

(11)加強(qiáng)對管片進(jìn)場的驗收。管片在制作、運(yùn)輸和裝卸的過程極可能出現(xiàn)掉角、裂紋等質(zhì)量問題,一定要嚴(yán)格把關(guān),不合格的管片堅決不能使用。

5 結(jié) 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(zhì)條件以及施工技術(shù)的差別,造成管片破裂的原因也各不相同。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中必須提前分析,合理控制盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度,改善了管片的拼裝質(zhì)量。

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