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结合广州地铁谈盾构隧道质量控制论文
摘 要:结合广州市轨道交通四号线黄村—琶洲站区间盾构工程实例,概括盾构隧道施工中常见的质量问题,统计分析其产生的原因,并提出相应的解决办法,以保证隧道的稳定性。
关键词:质量,措施,隧道,裂纹
1 工程概况
广州市轨道交通四号线黄村—琶洲站盾构区间主要由两条圆形盾构隧道组成。隧道双线长度为3832.525m;隧道标称内径为5.4m;埋深为9.6m~23.6m;平面最小曲线半径为650m;最小竖曲线半径为3km;最大坡度为28‰;最小坡度为3‰。区间隧道洞身所穿过的围岩主要在⑥,⑦,⑧,⑨泥质粉砂岩层中通过,工程采用日本三菱公司制造的两台刀盘开挖直径为6.29m的盾构机施工。
2 施工过程中出现的质量问题
右线施工自始发掘进以来,共掘进156环,出现了管片破损、错台、渗水、上浮、隧道轴线偏差等诸多质量问题。存在的主要质量问题如下:
1)崩缺、裂纹。自右线始发掘进至今,管片出现的崩角、崩裂几率较高,主要表现在3点,9点位置,一般在管片脱出盾尾后出现。共计崩角有37处,占总掘进环数的24%。裂纹主要集中在63环~72环,每环5点~7点位置均有几道裂纹,最长达到1.2m。共计裂纹18处,占总掘进环数的6.5%。
2)渗漏水。拼装时,由于止水条被扯破或者位移,K块容易产生渗漏水,在右线隧道79环~91环较严重。
3)错台。普遍出现了上下错台的情况,沿盾构掘进方向,管片错台呈下台阶式,最大错台值达30mm。当坡度变化后,螺栓孔被拉裂,在竖曲线段错台呈上台阶式,两侧错台通常为10mm~15mm。共计错台18处,占总掘进的11.6%,其中,超过20mm的达11.6%。
4)上浮。在前100环,共出现了三次隧道上浮,分别在10环~25环,59环~66环,78环~88环。最大超限位置在85环,与设计位置垂直偏差达161mm。
3 质量问题产生的主要原因
3.1 管片崩缺、裂纹产生的原因
管片的崩缺、裂纹对隧道产生的危害比较大,管片损坏后进行修补,修补后的防水性能比原始混凝土差,这样在今后的使用过程中,管片最先损坏的应该是这些以往受过损坏的部位,所以管片的损坏对永久结构的使用寿命有一定的影响。造成管片崩缺、裂纹的主要原因如下:
1)盾构机方面的原因,三菱盾构机存在的主要问题。
盾尾间隙过小。盾尾与管片外表面的间隙仅35mm(而海瑞克盾构机为70mm),管片环轴线与盾尾轴线稍有偏差,即产生盾尾对管片的挤压、憋压、拉刮等作用,易造成管片损坏。千斤顶布置不合理。千斤顶的分布与管片块接缝不匹配,不管如何调整K块位置,总出现千斤顶撑靴作用在接缝上(骑缝),易导致管片崩角。盾尾铰接方面的原因,施工时主动铰接表现为刚接,使盾尾与管片的适应性变差。
2)盾构操作方面的问题。
吊运和拼装过程中的碰撞损坏,盾构机姿态控制不好。如蛇行或盾构机轴线与管片轴线偏差过大,各组推进千斤顶推力相差过大等。
3)管片上浮方面的原因。
随着盾构推进,管片环脱出盾尾后,立刻受到浆液或地下水浮力的作用要上浮,而位于盾尾内刚拼装的管片则受到盾尾约束,使管状的隧道结构相当于悬臂梁,在盾尾附近的管片受到的弯矩最大,故管片的开裂往往在脱出盾尾后2环~3环处出现的概率最大。
4)管片环椭变造成裂缝。
管片环椭变可由于自重作用、浮力作用、注浆偏压等原因造成。硬岩段管片环椭变往往表现为“横鸭蛋”式,即管片环上下发生变形。发生椭变后,管片环腰部受到负弯矩作用,管片内弧面受压,腰部纵缝相互挤压而易出现崩角、崩边以及螺栓孔拉裂等损坏;而管片底部、拱部受到正弯矩作用,管片内弧面受拉,顶部、底部纵缝张开,接缝外侧相互挤压而易出现崩角、崩边等损坏。由于顶部、底部接缝崩裂往往出现在接缝外侧,在隧道内难以发现,但此类裂缝对止水槽破坏大,易产生漏水。故实际观察到的现象是位于隧道腰部(3点,9点附近)的裂缝数量多,但漏水往往在隧道顶部居多。
5)管片扭转。
管片扭转后,会导致管片端部(千斤顶的作用面)的受压区混凝土开裂或相邻两块管片接缝处崩角破坏。
3.2 管片渗漏水产生的原因
管片渗漏水主要表现为裂纹渗水,K块漏水,接缝漏水,吊装孔因卸水导致阶段性渗水。产生原因有以下几点:
1)管片本身质量原因。管片制作和养护过程中出现的质量问题。
2)管片壁后注浆防水。壁后注浆实施的好与坏直接影响到隧道的施工质量,注浆的好坏影响地面沉降控制,在硬岩段,注浆不足还会导致隧道上浮。事实上,注浆也是隧道的第一道防水防线,注浆不足,直接致使接缝防水和管片防水。
3)施工原因。盾构与管片的姿态不好,影响到管片的拼装质量,造成管片间错位,相邻管片止水带不能正常吻合压紧,从而引起漏水;掘进过程中推力不均匀造成管片受力不均匀而产生裂纹、贯穿性断裂等而渗漏水;在掘进困难时推力过大也会造成管片产生裂纹而渗漏水;由于盾尾间隙不均匀,管片选型不当,造成间隙过小,使得在掘进过程中造成管片外壁被损坏导致止水条漏水。由于掘进行程不足或拼装不当,导致封顶块插入困难时止水条破坏而漏水;千斤顶撑靴在顶至管片时摆放不正,使得止水带损坏而漏水,管片损坏、崩缺漏水。
3.3 管片错台产生的原因
1)线路方面的原因。
在小曲率半径地段,易产生错台。主要是由于在转弯段推进千斤顶沿垂直隧道轴线方向的横向分力引起错台。此类错台主要表现为左右方向错台,隧道腰部错台量最大。此外是管片拟合方面产生的几何误差,即用折线(管片)拟合曲线(线路)产生的误差。
2)管片上浮造成错台。
由于盾尾内的管片受到约束,而脱出盾尾的管片受到向上的浮力作用,管片环之间产生剪力作用而错台。此类错台主要表现为竖向错台,隧道顶部、拱部错台量最大。目前的错台主要属于此类错台。
3)注浆偏压造成错台。
在进行管片背后二次补注浆,当压力过大时容易出现错台。国外曾经出现过在对K块进行管片背后二次补注浆时由于压力失控导致K块失落并伤人的事故。此类错台一般表现为局部管片块的向隧道内部错台。
4)其他原因造成错台。
管片选型不当,掘进操作不当,急纠偏,盾构姿态差等也会造成管片错台。
3.4 管片上浮产生的原因
硬岩段是产生上浮的外部条件。由于硬岩段隧道围岩变形小,难以对上浮管片形成顶部约束,而软土层中洞周收敛快,限制了上浮。线路原因,下坡段导致管片上移。下坡段盾构机推进千斤顶与水平方向产生夹角(等于坡度),千斤顶对管片的推力存在竖向分力。按隧道28‰线路坡度,15000kN总推力计算,竖向分力约有420kN。砂浆或地下水的浮力,流体浮力是普遍存在的,这是管片上浮最根本的原因。经计算,砂浆密度按1.6kg/cm3考虑,在浆液注满的情况下,每环管片受到的浮力约678kN,而每环管片自重仅200kN,两者相差478kN,比较容易上浮。
4 针对质量问题采取的措施
1)加强管片本身生产质量控制,严格控制管片模具精度、混凝土配比及管片的养护过程;
2)机器设备方面:三菱盾构机采用主动铰接,通过调整铰接千斤顶行程使盾尾轴线尽可能与管片中心同心。改变千斤顶布置,使千斤顶撑靴作用不在接缝上,防止崩缺;
3)施工管理方面:制订质量管理措施和质量办法,严格控制管片进场、运输、拼装引起的质量缺陷;
4)掘进过程中,控制好盾构机姿态,合理调整掘进参数,尽可能地降低掘进推力,各组千斤顶推力差值控制在一定范围,管片选型时尽量根据盾尾间隙来选择,推进过程中管片螺栓的拧紧必须达到设计要求;
5)同步注浆及二次注浆。掘进时,盾尾同步均匀注浆,为注浆饱满,保证盾尾尾刷质量,对由于地下水引起的上浮,在管片下部砂浆未固结前及时泄水,打开下部管片注浆孔泄水。采用注双液浆做止水环,然后注浆充填,注浆过程中,严格控制注浆压力。这样可保证隧道具有良好的稳定性,解决上浮问题。
参考文献:
[1]秦汉礼.盾构隧道钢筋混凝土管片制作技术[J].隧道建设,2006,26(8):36-37.
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