盾构隧道施工期管片开裂原因和相应对策范本

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1、盾构隧道施工期管片开裂原因和相应对策1 施工阶段管片受力分析盾构隧道在施工过程中管片衬砌受到的 主要荷载有千斤顶推力、注浆压力、上浮力、盾壳作用力、拼装荷载等.(1)千斤顶推力千斤顶推力是盾构隧道掘进的 驱动力,它反过来作用在管片上,是施工过程中隧道衬砌在轴线方向最大 的 外力.在目前国内地铁盾构隧道施工中,淤泥质黏土层中总推力一般为812 米N,细沙土地层中总推力为1215 米N,全断面砂土地层推力则为1520 米N,复合地层推力有时候达到20 米N以上,大 型跨江海盾构隧道千斤顶推力通常都在30米N以上.(2)注浆压力依据盾构工法的 特性：拼装好的 衬砌脱离盾尾后,由于盾壳原来占据的 空间

2、、为衬砌的 拼装操作所留空隙、盾构推进时带走的 部分粘附于盾壳上的 土体所形成的 空隙等,在衬砌环背面与实际开挖洞壁间存在环形空隙,使土体暂时处于无支护状态,该空隙即为盾尾间隙.盾尾间隙的 大 小 是由盾构钢壳的 厚度 和盾尾操作空间决定的 ,一般为816 厘米.盾构工法施工中,对盾尾间隙的 处理,即壁后注浆是施工的 关键.壁后注浆在填充盾尾间隙、加固土体的 同时,对管片也产生了 一定压力,该压力达到一定程度 时,可能引起管片局部或整体上浮、错台、开裂、压碎或其他形式的 破坏.(3)上浮力盾构隧道的 壁后注入的 水泥浆液一般需要57h的 初凝时间,而通常情况下这期间盾构一直在向前掘进,如果周围

3、地层满足一定条件,一定范围内的 土体未能及时握裹住管片,那么在这几个小 时内有一段管片是悬浮在注浆浆液中的 (或者是水、泥浆等),这就产生了 管片上浮力(浆液浮力扣除管片自重).(4)盾壳作用力管片与盾壳之间存在着一定摩擦力,盾尾密封刷对管片环也存在一较为均匀的 环向压力,一般情况下这些荷载不会对管片结构造成影响.但是,当盾构在曲线段掘进、纠偏,或者因其他原因造成盾构长时间停止掘进(造成盾构机“栽头”发生)时,盾壳对管片造成的 荷载尤其是挤压荷载就变得不可忽视,如图1所示.图1 盾壳作用力(5)拼装荷载拼装荷载主要是管片拼装过程中作用在管片上的 装配器荷载.管片拼装器在拼装管片的 过程中需要来

4、回调整拼装位置以安装纵横向螺栓,若上一环管片断面不平整,管片位置不精确,会导致下环管片的 受力不均匀,在带来螺栓安装困难问题的 同时,亦在管片内部产生了 不均匀次生应力.盾构隧道管片在施工期受到的 其他施工荷载还有诸如后备套设备自重、管片运输车自重以及真圆保持器千斤顶荷载等.2 施工荷载对管片结构的 影响21 管片裂缝施工期管片裂缝原因分析(1)盾壳集中力作用在前文所述“盾壳作用力”的 情况,盾构机械在姿态调整过程中会产生应力集中效应,应力积聚到一定程度 ,即会在管片表面产生裂缝,如图2所示.由图可见,管片在筒体内时会受到盾壳筒体约束,但管片一旦脱离筒体,应力就会立刻释放,所以离开筒体最近的

5、一环管片最有可能破裂.图2 盾构机姿态调整产生裂缝(2)千斤顶的 不良顶力盾构掘进过程中最为理想的 状态是管片环中线轴线与盾构机中心轴线重合,而实际掘过程中这两轴线的 偏差时时存在,从某种程度 上讲,盾构掘进的 过程也是盾构机的 轴线不断调整的 过程.因为两轴线的 偏差,经常会造成千斤顶的 中心没有作用在管片环的 中心上,造成管片偏心受压,产生轴向弯矩,当此弯矩达到一定程度 ,亦会产生管片裂缝,如图3 所示.图3 千斤顶偏心荷载致使管片裂缝通常情况下,为加大 千斤顶与管片环端面的 作用面积,在千斤顶与管片接触处都设置有撑靴,当撑靴损坏或其他原因致使撑靴倾斜地作用在管片的 接头面上时,会对管片结

6、构造成局部较大 剪应力,也可能产生管片裂缝,如图4 所示.图4 千斤顶集中荷载致使管片裂缝(3)管片错台所致盾构隧道施工过程中,管片错台是经常发生的 现象,而其反映在结构上则是减小 了 该处的 受力厚度 ,改变了 管片结构的 受力状态,造成应力集中,通常也会造成管片裂缝,如图5所示.图5 接缝错台致使管片裂缝(4)拼装间隙所致盾构隧道管片拼装管片时,一部分千斤顶需要缩回,即产生了 局部应力释放,造成已拼装好的 管片发生局部位移,产生拼装间隙,使得环向接头面上的 不平整,在千斤顶作用下产生应力集中现象,进而产生管片局部裂缝,如图6所示.图6 管片拼接间隙产生裂缝2.2 管片局部破损盾构隧道管片的

7、 局部破损多发生于连接螺栓的 手孔处、定位孔边缘以及管片周边位置,也是盾构隧道施工期经常遭遇的 一类破坏形式.一般是因为在吊装、运输或拼装中遭受了 冲撞、磕碰、摩擦、挤压所致,图7为某盾构隧道管片在定位孔位置的 破损现象.图7 管片局部破损2.3 止水条损坏,管片渗漏在盾构隧道施工过程中,本文前面所提到的 管片间的 错位(错台)会使得相邻管片的 止水条不能正常吻合,导致管片渗漏水.各种裂缝,尤其是贯穿性裂缝,也会引起管片渗漏水.连接螺栓未拧紧会使得管片在停止掘进后呈松弛状态,造成接缝的 扩张,让止水条无法紧密结合,也是造成管片渗漏的 原因.掘进中千斤顶撑靴摆放位置不对,致使止水条损坏,也是管片

8、渗漏的 潜在因素.此外,拼装过程中不慎将止水条擦挤错位或脱落,也会造成管片的 渗漏(尤其是在插入封顶快时).图8 为管片拼装过程中止水条脱落的 图片,图9为拼装好的 管片发生较大 面积的 渗漏水现象的 图片.图8 拼装封顶块时止水条脱落图9 管片渗漏水2.4 管片错台前已提及,管片错台是盾构隧道施工中常见的 一种现象(图10),错台和本文前面所分析的 管片裂缝往往相伴而生,发生大 的 错台的 时候,往往会产生管片裂缝或破损.对于管片错台的 原因,注浆压力、上浮力、拼装荷载、千斤顶荷载、盾构机的 姿态调整以及管片的 制造误差等,都可能造成管片错台.图10 管片错台3 施工期管片破损保护3.1 掘

9、进千斤顶控制3.1.1 盾构掘进姿态的 合理纠偏盾构姿态是指盾构机在掘进过程中盾构机与设计隧道的 相对形态,片姿态是指在掘进过程中,所拼装的 管片与设计隧道的 相对形态.二者主要表现为左右偏移和上下偏移4 种形态,具体表现在盾尾间隙、盾构掘进时油缸行程差、管片错位以及盾构轴线偏移等.纠偏时,纠偏半径一定要大 于偏移半径,即R纠R偏,即盾构机的 纠偏角必须小 于已偏移的 角度 ,如图11所示.图11 盾构纠偏示意图盾构机纠偏不能很快地把盾构机调整到正确的 姿态上去,一般要通过数环管片的 渐进性修正.纠偏时,先将盾构机偏角缓慢变小 ,但盾构机仍为偏离状态,控制盾尾间隙为微小 变化,经过一段距离后,

10、盾构机姿态才纠偏完成.切忌一次性纠偏到位,如果采用一次性纠偏到位,首先管片可能无法拼装,即使能够拼装,一定会造成管片上应力集中,从而使管片推出盾构筒体后产生爆裂;其次,若急剧纠偏,盾构机将立即出现另一个姿态偏移.而且,在盾构掘进过程中,当盾尾间隙和行程器出现偏差时,应先及时测量监控,确定是管片姿态出现问题还是盾构姿态出现问题,然后再考虑纠偏.盾构纠偏时为防止纠偏过急及产生内裂,应采取如下措施： 盾构机偏移方向使用较多油缸的 同时,在纠偏方向使用适当数量的 油缸,用以防止纠偏角度 过大 ,减小 应力集中 适当调节油压,形成合适的 油压差以防止应力过于集中.3.1.2 逐步应力释放及时将千斤顶顶进

11、过程中施加给管片的 预应力予以释放,通过在应力集中部位发生一定位移,让应力在拼装好的 管片中再次调整,重新分布,在一定程度 上也会起到一定预防施工期管片破损的 作用.3.1.3 地层对应不同的 地层对油缸的 选择反应灵敏程度 有所不同.比如,在软地层中掘进时,加上一支顶进油缸盾构姿态就会有很明显的 变化,而在围岩情况较好的 风化岩层中掘进时,由于盾壳筒体受到较大 的 径向摩擦,即便是加上几支油缸,盾构机整体反应程度 也比较小 .所以,盾构机的 姿态控制是经验性较强的 一门技术,不光需要操作手高度 的 责任心、较好的 业务素养,还需要果断而灵敏的 判断和反应能力.3.2 注浆压力控制注浆压力是施

12、工过程中管片所受到的 一重要施工荷载,若该压力过大 ,经常会造成管片的 变形和错台,严重时甚至会剪断连接螺栓,尤其是封顶块,注浆压力经常会使得封顶快有向隧道内部空间发生位移的 趋势.所以,施工过程中对注浆压力的 控制显得尤为重要.3.3 螺栓二次预紧管片拼装时,每拼装一块管片都会立即安装上连接螺栓,一环拼装完成时,一般该环能够安装的 螺栓也会安装完成.值得注意的 是,随着盾构机不断向前推进,已拼装好的 管片由于受千斤顶荷载作用,会发生沿盾构轴线方向向后的 位移,该位移的 发生会使得已安装的 螺栓出现松弛现象,随着盾构机的 持续推进,千斤顶推力对后方已拼装好的 管片的 荷载效应会越来越小 ,此时

13、,螺栓的 松弛效应即显现出来,便会出现管片错台、接缝位置渗漏水等现象.实践证明,在盾构机掘进过程中,及时对已拼装好的 管片的 连接螺栓进行二次预紧(甚至多次预紧),对保证拼装精度 、防止管片错台、渗漏等问题都有积极作用.4 管片的 修补4.1 材料的 选用水泥：采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥,强度 等级32.5米pa,质量要符合硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥(GB175-1999)质量标准.本工程采用42.5号二级白色硅酸盐水泥,42.5号普通硅酸盐水泥.细骨料：洁净无污染的 中砂,细度 模数2.3-3.0,含泥量3%,其他技术指标符合TB10210-2001标准要求.外加剂：胶黄粘补剂、 “丙乳

14、”液(二烯、苯乙烯共聚勿乳液).4.2配合比设计配合比的 设计不仅要求砂浆的 强度 ,还要要求修补后的 砂浆颜色于管片的 颜色一致.配合比经试验室试配和现场反复试验来确定较为理想的 配合比,实际施工可跟据现场原材料的 实际情况作适当的 试配调整,一般可分为水泥浆和水泥沙浆两种.水泥浆主要用于修补管片小 蜂窝,小 气泡;水泥沙浆主要用于修补裂缝及大 于2毫米的 气泡、气孔、蜂窝、孔洞、缺角等.水泥浆和水泥沙浆配合比如下所示：水泥浆配合比材料原色水泥白色水泥水粘接剂比重110.540.48注：水泥浆掺入适量的 “丙乳”液(“丙乳”液为：丙乳:水=1:1)水泥砂浆配合比材料原色水泥白水泥砂水粘接剂比

15、重117.50.720.3注：水泥砂浆掺入适量的 “丙乳”液(“丙乳”液为：丙乳:水=1:1)4.3材料的 运输由于所用材料的 量较少,不需要用电瓶车运输,只须在地面人工拌合好修补材料后,人工搬运至施工点即可,如遇须高空作业,可搭设能移动的 简易脚手架及施工平台.工具、设备的 运输必要时利用隧道内电瓶车运输.4.4主要方法与步骤1、对管片外表面的 少量裂缝或表面少许破损均可采用“丙乳”液拌合的 水泥浆填补,用灰匙压平,且使用厚泡沫海棉块蘸浆表面抹平.2、对管片外表面有裂纹的 ,要沿缝凿程“V”形斜坡槽,槽深10毫米,再用水冲洗后,再用素水泥浆打底、水泥砂浆压实抹干.3、对外观损坏稍深的 崩裂管片,可按以下步骤修补：用钢凿和铁锤,人工凿除已破裂松动的 砼,要求打出新断面并凿毛,不允许有松动的 砼块残留,再用钢刷清理已打出的 新断面,并用压力水冲洗.采用水泥砂浆填补之前,先涂素水泥浆(1：1水泥浆掺10%107胶薄涂一层),再采用水泥砂浆填补崩裂缺陷处,完成初步成形修补.为更好地控制水泥砂浆的 密实度 及与凿出的 新断面结合良好,必须注意每次填补砂浆的 厚度 应控制在2厘米左右,待已填补的 砂浆达到一定的 强度 后(约一天后)再进行下一次的 填补工作.砂浆填补缺陷完成后,用灰匙压平修补表面.待填补水泥砂浆达到