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        土壓盾構(gòu)施工過(guò)程中管片上浮控制技術(shù)探討

        2020-12-21 02:34:20學(xué)
        北方建筑 2020年6期
        關(guān)鍵詞:雙液管片漿液

        韓 學(xué) 志

        (中鐵十六局集團(tuán)有限公司,北京 100124)

        1 工程概況及水文地質(zhì)

        1.1 工程概況

        成都地鐵5 號(hào)線(xiàn)土建10 標(biāo)元華車(chē)輛段出入段線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間由南、北出入段線(xiàn)構(gòu)成,單線(xiàn)總里程3 218 m。區(qū)間隧道平面總體呈S 形,縱斷面總體走向呈V 形。隧道最大覆土厚度19.2 m,最小覆土厚度5.7 m。隧道水平曲線(xiàn)最小轉(zhuǎn)彎半徑350 m,最大縱坡為32‰。

        盾構(gòu)管片采用C50 P12 混凝土預(yù)制。管片外徑6 000 mm,內(nèi)徑5 400 mm,環(huán)寬1 500 mm,1 200 mm,管片厚度300 mm。每環(huán)由6 塊管片組成,其中1 塊封頂塊、2 塊臨接塊、3 塊標(biāo)準(zhǔn)塊。本隧道采用左、右轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)相互組合的方式來(lái)完成不同轉(zhuǎn)彎半徑的曲線(xiàn)擬合需求。所有楔形環(huán)均為雙面楔形,楔形量38 mm。

        襯砌環(huán)拼裝方式采用錯(cuò)縫拼裝,封頂塊偏離正上方±54 °和±18 °,襯砌環(huán)連接采用M27 彎螺栓,環(huán)縫10 根,縱縫12 根。環(huán)縫及縱縫間防水材料采用三元乙丙彈性密封墊,管片間采用丁腈橡膠軟木襯墊緩沖。圖1 為襯砌管環(huán)連接示意圖。

        本隧道使用1 臺(tái)海瑞克盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖,盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)直徑6 290 mm,盾尾標(biāo)準(zhǔn)間隙設(shè)定為30 mm,盾尾采用被動(dòng)鉸接形式,盾尾四周共設(shè)置8 路同步注漿管(4 用4 備)。

        1.2 水文地質(zhì)

        本區(qū)間隧道除始發(fā)和接收段位于單一砂卵石地層,最低點(diǎn)前后共200 m 位于單一的中風(fēng)化泥巖地層外,其余區(qū)段全部走行于上部為松散卵石,下部為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化泥巖的復(fù)合地層。隧道埋深在5.7 m~19.2 m 不等。

        區(qū)間隧道內(nèi)地下水豐富,上部主要來(lái)自于地層潛水和地表降水,與錦城湖的湖水連通。下部主要來(lái)自于泥巖裂隙水,經(jīng)探查在巖層較破碎的區(qū)段有水壓較高的局部富水段。

        2 管片上浮監(jiān)測(cè)情況分析

        通過(guò)觀(guān)察統(tǒng)計(jì),管片上浮主要有以下幾個(gè)規(guī)律。

        1)管片上浮從脫出盾尾那一刻開(kāi)始(嚴(yán)重時(shí)管片在盾尾內(nèi)就已開(kāi)始上?。?,在24 h 內(nèi)完成上浮位移的80%,72 h 后管片達(dá)到基本穩(wěn)定的狀態(tài)。

        2)管片上浮位移在離開(kāi)盾尾約1 個(gè)盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度(6 m~9 m)的位置達(dá)到最高值。

        3)管片最終上浮位移基本與理論建筑間隙持平,即管片實(shí)際最終上浮到了開(kāi)挖隧洞的最頂部,已無(wú)上浮通道。

        3 管片上浮影響因素分析

        3.1 施工中管片受力分析

        推進(jìn)過(guò)程中管片所受到的上升力可按下式計(jì)算:

        式(1)中:F浮為管片在地層中受到的浮力,kN,主要由地下水(F水)和未固化的砂漿(F砂漿)提供,取其中最大值;P升為推進(jìn)過(guò)程中受隧道坡度、管環(huán)楔形及盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的影響,盾構(gòu)機(jī)的推力并不完全垂直于管環(huán)截面,而是與管環(huán)截面呈一定角度,推進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的上升分力,kN;G管為管環(huán)自身重力,kN;F負(fù)為管片外部負(fù)載產(chǎn)生的重力,一般是指管環(huán)內(nèi)及管環(huán)上部壓覆在管片上的負(fù)載產(chǎn)生的重力,kN。在自立性好的地層,管環(huán)外側(cè)上部為開(kāi)挖空隙無(wú)負(fù)載,因此一般取內(nèi)部負(fù)載的重力值,此處取1 塊管片的重力,約32 kN;F其他為由螺栓緊固產(chǎn)生的管環(huán)之間的摩擦力和牽引力,kN。

        3.1.1 管片在地層中受到的浮力

        管片平均密度:ρ=2.4 t/m3。

        管片環(huán)體積:V=8.05 m3。

        管片產(chǎn)生的重力:G=193.2 kN。

        管片在地層中受到的浮力:F水=423.9 kN;F砂漿=678.2 kN;F浮1=230.7 kN;F浮2=485.0 kN。

        故單環(huán)管片在地層中受到上升力F浮1,F(xiàn)浮2取最大值:F升=485.0 kN。

        由上述計(jì)算可看出在全泥巖地層,由于成洞效果好,在砂漿未凝固期間內(nèi)管片受到接近2.5 倍自身重量的上升力。

        假設(shè)該上升力均勻在管環(huán)上半圓的圓周周面上,則抵消該上升力,砂漿必須在管片脫出盾尾后達(dá)到P≈0.034 MPa。

        由此計(jì)算看出必須縮短同步砂漿的初凝時(shí)間,而且要保證砂漿的初凝強(qiáng)度。

        實(shí)際施工中,1 個(gè)掘進(jìn)循環(huán)一般只有60 min~120 min,為保證砂漿的流塑性一般控制砂漿的初凝時(shí)間在6 h~8 h。因此在砂漿初凝前盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)完成3 環(huán)~4 環(huán)進(jìn)尺,此時(shí)脫出盾尾的管環(huán)全部浸潤(rùn)在未初凝的砂漿中,累加后的上浮力大大增加,此時(shí)極易造成管片整體上浮、錯(cuò)臺(tái)、破碎等現(xiàn)象,因此必須采取措施縮短漿液的初凝時(shí)間。

        3.1.2 推進(jìn)分力

        盾構(gòu)機(jī)在上下坡時(shí)千斤頂油缸對(duì)管片施加一個(gè)向上的分力P升,這里使用管片上浮量最大區(qū)段的坡度32‰,計(jì)算得:P升≈287.85 kN。

        此處取在泥巖地層推進(jìn)過(guò)程中的平均推力P=9 000 kN,則在推進(jìn)過(guò)程中管片在脫出盾尾后受到的升力F:

        管片在推進(jìn)過(guò)程中所受的向上的升力是管片自重的2.7 倍,在砂漿未凝固的情況下該升力急劇上升至管片自重的4 倍。

        3.2 管片上浮原因總結(jié)

        成型管片上浮為普遍現(xiàn)象,同時(shí)也是隧道工程建設(shè)領(lǐng)域的重點(diǎn)處理對(duì)象[1],通過(guò)對(duì)實(shí)際情況的分析,探明引發(fā)管片上浮現(xiàn)象的主要原因,具體作如下分析。

        1)地下水土壓力偏大,所設(shè)置的管片不具備完全抵抗水土浮力的能力,由于受力狀態(tài)失衡,導(dǎo)致管片上浮。

        2)同步注漿施工期間漿液用量不足,部分建筑空隙難以得到填充,導(dǎo)致管片上浮。

        3)同步注漿的工藝控制不合理,由于漿液初凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng),難以快速硬結(jié)而導(dǎo)致管片上浮。

        4)地層偏弱,盾構(gòu)機(jī)推力較低,難以在管片間形成足夠的約束力,導(dǎo)致管片上浮。

        5)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中未調(diào)整好盾構(gòu)機(jī)千斤頂推力截面,與隧道截面形成交角,正常推力給管片一個(gè)上升的分力,加劇了管片的上浮。

        4 管片上浮控制基本措施

        4.1 改良漿液,提高注漿壓力,增加注漿量

        1)縮短初凝時(shí)間。在制備漿液時(shí)可適當(dāng)增加水泥的用量,使?jié){液初凝時(shí)間縮短至4 h。

        2)增加漿液的稠度??筛鶕?jù)漿液的配制情況選擇合適的增稠劑,保證砂漿的凝聚效果,提高其抗沖刷能力。

        工程實(shí)踐中,具體應(yīng)從如下方面切入:①添加適量增稠劑和水泥用量,將漿液的初凝時(shí)間控制在4 h 以?xún)?nèi);②加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行期間垂直姿態(tài)的控制;③加強(qiáng)二次注漿,保證結(jié)構(gòu)空隙得到有效充填,水灰比=1∶1,水泥漿:水玻璃混合液=2∶1,靜止?fàn)顟B(tài)下初凝時(shí)間25 s~30 s。表1 為增稠型同步砂漿漿液配比表。

        表1 增稠型同步砂漿漿液配比表 kg/m3

        需注意的是:一般在漿液車(chē)上調(diào)制漿液,調(diào)制完成后第一時(shí)間將漿液抽取到臺(tái)車(chē)漿液罐里進(jìn)行注漿,縮短漿液停滯時(shí)間。同時(shí)在添加增稠劑和水泥時(shí)一定要均勻撒開(kāi),否則會(huì)造成結(jié)塊、結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,易堵塞抽漿泵或抽漿管。

        3)提高注漿壓力。將原來(lái)2.1 bar~2.3 bar 的注漿壓力,提高至4.0 bar~5.5 bar,使?jié){液擴(kuò)散得更遠(yuǎn)。增稠后漿液的流動(dòng)性、擴(kuò)散性變差,因此要相應(yīng)提高注漿壓力設(shè)定值,確保漿液的擴(kuò)散范圍。

        4)增加注漿量。注漿量由原來(lái)的6 m3增加到7.5 m3,由于漿液在運(yùn)輸、轉(zhuǎn)移和注入地層的過(guò)程中均有不同程度的損失,因此增加漿液拌制量以保證充填飽滿(mǎn)。

        5)均勻注漿。由原來(lái)的只使用上部2 根注漿管,改為4 根注漿管同時(shí)使用。保證漿液注入的速度和掘進(jìn)速度相匹配,同時(shí)縮短上部漿液充填建筑空隙的時(shí)間。

        4.2 及時(shí)跟蹤雙液注漿

        為控制管片上浮,在實(shí)際施工中雙液注漿頻率逐步由5 環(huán)1 注提高至3 環(huán)1 注、2 環(huán)1 注、直至每環(huán)1 注。雙液注漿的點(diǎn)位一般控制在2 點(diǎn)~11 點(diǎn)間,每環(huán)的注漿量則控制在0.3 m3~0.5 m3,雙液注漿比例按1∶1 配置,初凝時(shí)間基本控制在30 s,在上浮量較大的區(qū)段,縮短初凝時(shí)間到10 s~15 s。

        為了控制管片上浮,本工程曾一度將雙液注漿點(diǎn)選在了管片出盾尾的第1 環(huán),效果較明顯。但是在抵近盾尾使用雙液漿時(shí),需注意注漿時(shí)機(jī),建議在推進(jìn)的過(guò)程中注雙液漿,可以避免盾尾被漿液包裹。實(shí)踐證明,使用雙液漿補(bǔ)充注漿可以有效解決管片上浮問(wèn)題,建議后續(xù)施工中主動(dòng)使用雙液注漿對(duì)管片壁后進(jìn)行補(bǔ)充注漿,降低管片的上浮幾率。

        4.3 其他措施

        1)調(diào)低垂直控制姿態(tài)。根據(jù)本區(qū)間經(jīng)驗(yàn),在措施做得足夠好的情況下管片仍然普遍存在均勻的上浮現(xiàn)象,隧道整體上浮的幅度基本維持在30 mm~40 mm。因此在實(shí)際施工過(guò)程中,可以將導(dǎo)向系統(tǒng)的垂直控制點(diǎn)向下壓40 mm,以抵消隧道整體上浮的位移量。

        2)螺栓復(fù)緊。在地質(zhì)條件復(fù)雜、管片上浮嚴(yán)重的區(qū)段必須嚴(yán)格控制螺栓復(fù)緊頻次,嚴(yán)格按照要求復(fù)緊3 次以上。同時(shí)由于復(fù)緊頻次增加,人工復(fù)緊質(zhì)量不能保證,建議使用專(zhuān)用快速工具復(fù)緊,以防出現(xiàn)人工復(fù)緊不到位的現(xiàn)象。

        3)槽鋼拉錨。為增強(qiáng)管片的抗浮能力,將盾尾后部1 環(huán)~2 環(huán)管片使用[100 的槽鋼與盾尾內(nèi)的管片連接起來(lái),使盾尾前后的幾環(huán)管片成為一個(gè)整體,提高此區(qū)域管片的抗浮能力[2]。一般拉2 道即可,壓力較大的地層可以增加到3 道。

        4)嚴(yán)格把控施工進(jìn)尺。正常工況下,單日進(jìn)尺量可達(dá)到1 個(gè)盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度或更長(zhǎng),期間管片上浮的發(fā)生概率相對(duì)較大,若缺乏有效的控制措施則容易出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)抬頭困難等異常狀況[3]。受此影響,盾構(gòu)機(jī)上、下兩部分的盾尾間隙處于動(dòng)態(tài)化的變化狀態(tài),加大了誤差的控制難度。

        5)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)工作姿態(tài)。盾構(gòu)機(jī)的反推力將作用于管片處,隨即形成方向向上的分力,在其影響下管片存在上浮現(xiàn)象。對(duì)此,操作人員應(yīng)合理控制盾構(gòu)機(jī),保證其推力與管片截面形成相垂直的關(guān)系,盡可能削弱向上的分力。若盾構(gòu)機(jī)的推力偏小易導(dǎo)致管片間的應(yīng)力快速釋放,管片間的約束力被削弱,發(fā)生更為明顯的管片上浮現(xiàn)象。

        6)加大荷載。處理區(qū)域?yàn)槎芪才c1#臺(tái)車(chē)之間,可向其中增加荷載,例如采取堆載管片的方式,以維持管片的穩(wěn)定性,從而達(dá)到抑制管片上浮的效果。

        7)放水降壓。施工期間存在難以有效注入漿液的情況,經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)隧道具有高度的密封性且壓力較大。對(duì)此,通過(guò)開(kāi)孔的方式卸壓,在釋放承壓水后即可恢復(fù)正常注漿施工狀態(tài)。

        8)開(kāi)孔檢查。隧洞成型效果與地質(zhì)條件具有緊密關(guān)聯(lián),需根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況針對(duì)性檢查壁后注漿效果,分析漿液的注入情況。若局部漿液不飽滿(mǎn)應(yīng)探明具體原因,采取相適應(yīng)的處理措施,保證縫隙內(nèi)漿液的飽滿(mǎn)度,力爭(zhēng)在源頭上處理好問(wèn)題,以免因后續(xù)出現(xiàn)大范圍質(zhì)量問(wèn)題而返工。

        4.4 管片上浮防治效果

        1)管片垂直姿態(tài)和管片上浮位移部分觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,使用增稠漿液后管片垂直姿態(tài)最終平均值為-26.2 mm,管片上浮位移平均值為16.6 mm,管片最終垂直姿態(tài)偏差為-9.6 mm,在設(shè)計(jì)允許偏差范圍內(nèi)。

        2)控制效果。在嚴(yán)格執(zhí)行同步注入增稠漿液和雙液漿的情況下,管片上浮得到了有效控制,24 h前后測(cè)量差值約穩(wěn)定在30 mm,基本解決了管片上浮的問(wèn)題。

        5 結(jié)論與建議

        在本工程隧道施工過(guò)程中,針對(duì)成都富水泥巖、砂卵石復(fù)合地層容易發(fā)生管片上浮現(xiàn)象,通過(guò)采用改良砂漿稠度、加大注漿量、及時(shí)補(bǔ)充雙液漿、調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)等措施,有效填充壁后空洞,保證管片拼裝穩(wěn)定性,達(dá)到控制盾構(gòu)管片上浮的目的,充分發(fā)揮出管片在隧道工程中的作用。按照本文所提的內(nèi)容有序組織施工,本工程最終取得了良好的效果,可為今后類(lèi)似工程提供借鑒。

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