硬岩隧道土压平衡盾构机管片错台问题分析及对策

2020-07-29李芳田涌霍守峰

中国设备工程 2020年15期

李芳，田涌，霍守峰

（1.青岛市地铁四号线有限公司；2.青岛市西海岸轨道交通有限公司；3.青岛市地铁十三号线有限公司，山东青岛 266000）

短距离复杂水文地质、构造带及裂隙带交错等硬岩地质条件下，土压平衡盾构机相较其他盾构机有更好的经济性及实用性，但根据以往现场工程经验，管片错台的质量问题非常普遍，且补救的可能性极小，管片间的错台对隧道结构渗漏水及安全性影响较大且这种隐患持久存在。

1 工程概况

本项目为青岛某地铁线路区间，根据地勘情况，区间围岩以花岗岩为主，IV级及以上围岩占比75.5%，V级围岩占比约24.5%，穿越2条共轭向裂隙带，裂隙带透水性中等，涌水量为14～19.2m3/（d·m）。掘进至共轭向裂隙带时，即掘进至66环～75环范围时，管片出盾尾后，出现了管片上浮情况，相关上浮情况统计如图1所示。

图1 管片上浮统计

从图1可看出，部分管片上浮值大于15mm，已超出规范标准范畴。

2 管片错台分析

2.1 管片错台条件分析

由于盾构机刀盘略大于管片外径，所以理论上在硬岩环境掘进过程中，掘进断面与管片外径就形成了一道均匀的间隙。但在实际施工过程中，这道均匀的间隙受多种因素耦合影响，造成了管片的不均匀受力，进而导致掘进断面的几何中心与盾构机管片几何中心不重合，且不断发生变化，这就造成了盾构机管片错台的根本原因。综上，可分析出盾构机管片上浮的必要条件可分为以下3种：（1）管片外围存在可产生浮力的液体物质，如水、未凝固的注浆液等；（2）这种液体物质所产生的浮力大于管片的自重；（3）管片所受不均匀力的镜像方向存在间隙。

2.2 管片错台原因分析

（1）静态上浮力分析。盾构机拼装管片、注浆步距如图2所示，理想状态下，不考虑浮力受其他因素影响导致作用力方向改变时，管片受浮力影响根据阿基米德浮力计算公式可得：

式中：R为管片外环半径（m）；B为管片宽度（m）；γ1为注浆浆液重度，取值10～20kN/m3。

图2 掘进过程中管片拼装步距示意

管片自重为：

式中，t为管片厚度（m），γ2为钢筋混凝土重度，取值 25kN/m3。

在不考虑螺栓连接作用下，将式（1）除以式（2）可得管片受浮力与重力的比值为：

假设管片厚度0.3m，外半径为3m，则K取值范围为2～4，由此可见，管片在浆液初凝前，盾构机管片始终受上浮力控制。

（2）动态上浮力分析。理想状态下，同步注浆可以视为浆液全部填充至掘进断面与外管片之间的间隙中，但实际上盾构掘进时，同步注浆并不会非常密实，浆液没有完全填满间隙，所以需要二次注浆降低来减低管片上浮风险、预防地表沉降。但在二次注浆过程中，也会出现不均匀的动态上浮力影响管片的最终位置，不均匀力如图3所示。

图3 二次注浆不均匀力示意

动态上浮力可表示为：

式中P为二次注浆压力；β为二次注浆影响范围。

（3）盾构机掘进姿态分析。盾构机姿态调整主要是通过推进油缸的差异推力实现的，这种差异推力会导致管片受力不均的情况发生，即在管片上浮区至初凝区一定范围内的管片产生弯矩，使得管片产生纵向位移，最终导致错台的发生，如图4所示。

图4 不均匀推力导致管片弯矩示意

（4）人为因素分析。管片拼装过程中，前拼装块因人为因素定位不准确，导致后续拼装块不能顺利拼装，进而管片拼装椭圆度控制不足导致错台也常有发生；此外，由于多种因素如：机械拼装、管片受力介质发生突变等情况导致管片螺栓松动，如果螺栓不及时复紧，管片发生错台的几率会大大增加。

3 预防及应对措施

3.1 减小壁后水压

减小壁后水压通常采用管片开孔卸水压的方法是通过增加液体动能，降低压力势能实现的，适应于富水地层。此种方法首先可以减小管片出盾尾后所受浮力，也可以减弱壁后浆液被地下水冲散的可能性。但此种方法是一种辅助措施，只能减小管片错台程度。

3.2 提高浆液性能及填充率

盾构壁后浆液的填充率直接影响空隙填充效果，对控制管片错台，地表沉降具有重要意义，敬业配比应根据不同地质条件，从提高浆液填充率、流动性、泌水性以及早期强度这四个方面进行综合考量分析。

3.3 设置剪力销及加强螺栓复紧

目前，主流盾构法施工隧道管片间的纵向、环向均通过螺栓拼接。根据工程经验，在特殊地层下，如破碎带、断裂带、富水地层，螺栓应力分布会发生突变，系统螺栓受力不均匀，这是因为地层的不均匀性导致管片截面纵向剪力应力要大于环向。当环向、纵向管片采用相同形式、相同数量的螺栓连接将导致纵向螺栓应力集中，且管片截面受力不均匀，这样不仅会使管片发生纵向错台，同时会降低管片环向防水性能。针对以上问题，建议增加剪力销构件，便于定位拼装管片，且剪力销承担多余剪力，使得管片的纵向、环向受力变得均匀，进而增强管片的抗浮能力，剪力销模型如图5所示。