太原地鐵盾構(gòu)管片旋轉(zhuǎn)成因及預(yù)防舉措

杜 帆

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

太原地鐵盾構(gòu)管片分直線環(huán)和轉(zhuǎn)彎環(huán)（左轉(zhuǎn)環(huán)與右轉(zhuǎn)環(huán)），每環(huán)盾構(gòu)管片由3 塊標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、2 塊鄰接塊及1 塊封頂塊(3+2+1 模式)組成，隧道由三種盾構(gòu)管片通過不同組合擬合而成。實(shí)際施工中由于某些原因，會(huì)產(chǎn)生盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致滲水現(xiàn)象，尤其是個(gè)別小半徑區(qū)段發(fā)生盾構(gòu)管片接縫滲水的現(xiàn)象較多。依據(jù)盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的問題，詳細(xì)分析了成因并提出了控制舉措，可有效規(guī)避（減少）盾構(gòu)管片滲水，提高隧道防水性能，最大限度地降低處理隧道滲水的額外施工成本。

1 工程概況及水文地質(zhì)

太原地鐵2 號(hào)線人民南路站位于小店區(qū)人民南路與規(guī)劃六號(hào)路交叉口處，站位西南側(cè)和西北側(cè)為農(nóng)田，東北側(cè)為太原市警察學(xué)院靶場，東南側(cè)為西橋村，車站沿人民南路南北方向敷設(shè)。人民南路規(guī)劃道路紅線寬50 米，是太原南北方向的主要道路，四號(hào)路規(guī)劃紅線寬30m，六號(hào)路規(guī)劃紅線寬36m，為小店區(qū)東西方向次干道。

本工程所用盾構(gòu)機(jī)由主機(jī)、后配套等部分組成。主機(jī)分為由盾構(gòu)刀盤、主驅(qū)動(dòng)（液驅(qū)）和尾、中、前盾組合而成；隔板支撐主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、隔板底部配備螺旋機(jī)；中盾周邊布置有推進(jìn)油缸和被動(dòng)鉸接油缸以及地鐵盾構(gòu)管片拼裝機(jī)；尾盾是盾構(gòu)管片拼裝工作區(qū)，尾盾內(nèi)裝有4 處8 路（4 路備用）同步注漿管及8 路盾尾油脂注入管；后配套系統(tǒng)有設(shè)備橋、5 節(jié)臺(tái)車及皮帶系統(tǒng)組成。

本區(qū)間盾構(gòu)主要穿越：人工填土（雜填土）、人工填土（素填土）、新黃土（水上）、古土壤、老黃土（水下）、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、粗砂、砂礫。

2 盾構(gòu)管片旋轉(zhuǎn)的不良影響

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)受到刀盤扭矩的影響，與其周圍土體的摩擦扭矩小于刀盤扭矩時(shí)，盾構(gòu)機(jī)會(huì)隨之發(fā)生扭轉(zhuǎn)，盾尾內(nèi)成環(huán)盾構(gòu)管片隨盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，容易造成已成型盾構(gòu)管片離開盾尾后形成扭轉(zhuǎn)[1]。如果盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)角度超過一定范圍，會(huì)對(duì)臺(tái)車和電機(jī)車軌道的平整性產(chǎn)生不良影響，易導(dǎo)致脫軌掉道，影響盾構(gòu)掘進(jìn)，嚴(yán)重時(shí)危及人身及設(shè)備的安全[2]。

盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)角度超過一定范圍會(huì)產(chǎn)生以下不良后果：增加封頂快（F 塊）的拼裝難度；扭轉(zhuǎn)角度導(dǎo)致盾構(gòu)管片錯(cuò)臺(tái)與破裂；影響盾構(gòu)管片密封；產(chǎn)生接縫滲水現(xiàn)象[3]。在人民南路站—化章街站，左右線均有盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，局部扭轉(zhuǎn)較大。盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)如圖1 所示，扭轉(zhuǎn)形成滲水如圖2所示，扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致錯(cuò)臺(tái)明顯的隧道如圖3 所示。

圖1 地鐵盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)

圖2 盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)形成 滲水

圖3 盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致 錯(cuò)臺(tái)明顯的隧道內(nèi)景

3 盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)原因分析

3.1 力學(xué)分析

盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)分順時(shí)針（正）和逆時(shí)針（反）旋轉(zhuǎn)，如果刀盤正或反旋轉(zhuǎn)切削土體時(shí)，土體對(duì)刀盤產(chǎn)生反方向的反力矩M土，這時(shí)盾構(gòu)機(jī)與土體間的摩擦力會(huì)形成反方向的力矩M盾，從而保持盾構(gòu)機(jī)平衡[4]（如圖4 所示）。

圖4 盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)力學(xué)示意

⑴M盾＞M土(盾構(gòu)機(jī)和土體間臨界摩擦力矩值)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)穩(wěn)定，盾構(gòu)管片不會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)[5]；

⑵ M盾＜M土盾構(gòu)機(jī)具有滾動(dòng)的趨勢(shì)，推進(jìn)時(shí)，推進(jìn)油缸會(huì)對(duì)盾構(gòu)管片產(chǎn)生一反方向的扭矩，當(dāng)盾構(gòu)管片自身穩(wěn)定性好、土體與盾構(gòu)管片的摩阻力產(chǎn)生的反力矩M盾構(gòu)管片能抵抗這一力矩時(shí)，盾構(gòu)機(jī)及盾構(gòu)管片保持一種穩(wěn)定狀態(tài)，就不會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)[6]；

⑶M盾構(gòu)管片＋M盾＜M土?xí)r，盾構(gòu)機(jī)和盾構(gòu)管片均會(huì)產(chǎn)生反方向的相對(duì)扭轉(zhuǎn)[7]。

詳細(xì)分析可知，盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)最主要的原因是圍巖不能提供足夠的摩阻力去限制盾構(gòu)機(jī)扭轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)。圍巖摩阻力不夠的內(nèi)在原因有：①盾構(gòu)刀盤順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩不太均衡[8]；②同步注漿的效果差，不能產(chǎn)生滿足要求的摩擦阻力[9]；③盾構(gòu)管片受力不均，從而形成盾構(gòu)管片旋轉(zhuǎn)的力矩[10]；④盾構(gòu)管片拼裝產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)偏差累積。

3.2 施工分析

（1）刀盤順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩不均衡。如果盾構(gòu)機(jī)和盾構(gòu)管片均具有滾動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，刀盤順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的不均衡將產(chǎn)生盾構(gòu)機(jī)向扭轉(zhuǎn)大的方向扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致成型盾構(gòu)管片的扭轉(zhuǎn)積累。均衡是指在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，刀盤旋轉(zhuǎn)的時(shí)間、扭矩大致相同，從而盾構(gòu)管片左右扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)也會(huì)大致相同[11]。在小曲線段掘進(jìn)施工中，由于刀具磨損的原因，導(dǎo)致刀盤順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)角變化較大，盾構(gòu)管片整體扭轉(zhuǎn)了一定角度，導(dǎo)致后配套臺(tái)車經(jīng)常脫軌，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

（2）同步注漿效果差。盾構(gòu)管片和土體之間存在些許間隙，需要通過同步注漿進(jìn)行填充，同時(shí)固結(jié)盾構(gòu)管片。為了保護(hù)盾尾刷，在施工中采取了緩凝漿液。在黃土及粉質(zhì)粘土地層中，地下水較為豐富，同步注漿效果不明顯，無法及時(shí)固結(jié)盾構(gòu)管片，導(dǎo)致較為嚴(yán)重的盾構(gòu)管片旋轉(zhuǎn)。在砂層地段，盡管注漿效果不理想，但由于砂土的摩擦力矩較大，盾構(gòu)管片不易發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

（3）盾構(gòu)管片受力不均。由于推進(jìn)油缸采取單雙缸編組模式，導(dǎo)致盾構(gòu)管片受力不均，容易產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)在曲線段，盾構(gòu)管片環(huán)面與油缸撐靴不垂直，推進(jìn)油缸的推力沿盾構(gòu)管片環(huán)面產(chǎn)生徑向分力，導(dǎo)致盾構(gòu)管片旋轉(zhuǎn)；在盾構(gòu)管片拼裝完成后，推進(jìn)油缸對(duì)盾構(gòu)管片的作用力較小，工人對(duì)盾構(gòu)管片螺栓沒有及時(shí)復(fù)緊，難以加強(qiáng)環(huán)和環(huán)之間的有效連接并提高盾構(gòu)管片之間的摩擦力，成型管環(huán)整體剛度較差，不能有效傳遞盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)產(chǎn)生的力矩，易導(dǎo)致盾構(gòu)管片旋轉(zhuǎn)。

（4）盾構(gòu)管片拼裝產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)偏差累積。管片操作手一般按照自下而上左右交叉的原則進(jìn)行盾構(gòu)管片拼裝。由于拼裝需要，盾構(gòu)管片螺栓孔與螺栓之間一般預(yù)留5mm 的空間間隙，在極限狀態(tài)下，2 環(huán)盾構(gòu)管片可錯(cuò)位10mm，依據(jù)現(xiàn)場觀測(cè)，2 環(huán)之間經(jīng)常相對(duì)扭轉(zhuǎn)5～8mm，因?yàn)椴僮髡`差等情況，持續(xù)單方向扭轉(zhuǎn)偏差的累積，從而影響整環(huán)盾構(gòu)管片實(shí)際扭轉(zhuǎn)角度大于設(shè)計(jì)允許值。

4 預(yù)防及處理舉措

基于成因分析，可在施工中采取如下措施：

（1）最大程度減少單方向旋轉(zhuǎn)時(shí)間，確保順時(shí)與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)間相同及扭矩保持均衡狀態(tài)。

（2）縮短同步注漿液的初凝時(shí)間，并盡可能增加注漿量，填充管片與土體間的空隙，采取以注漿壓力（上部注漿點(diǎn)2bar，下部注漿點(diǎn)2.5～3bar）控制為主，流量控制為輔的方法，確保漿液的足量注入，從而增強(qiáng)盾構(gòu)管片的自穩(wěn)性，確保及時(shí)給予盾構(gòu)管片足夠大的摩擦阻力。具體漿液配合比試驗(yàn)見表1。

由表1 可知，采取四組試驗(yàn)，通過適當(dāng)增加水泥用量、減小粉煤灰用量、縮短漿液初凝時(shí)間、選取小半徑曲線段350 環(huán)～400 環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，在保證滲漏控制效果的前提下，最終選定第三組試驗(yàn)配比，調(diào)整后的漿液凝固時(shí)間由11.5 小時(shí)縮短為8.5 小時(shí)。通過調(diào)整漿液初凝時(shí)間可增大管片與周邊土體及漿液的摩阻力，改善管片脫出盾尾后發(fā)生扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

（3）保持好盾構(gòu)姿態(tài)，正確選擇封頂快的拼裝點(diǎn)位，確保4 組推進(jìn)油缸的均勻推力以及合理的盾尾間隙，使盾構(gòu)管片的軸線最大限度地?cái)M合隧道設(shè)計(jì)軸線；小曲線段每掘進(jìn)500mm 時(shí)停止掘進(jìn)，將推進(jìn)油缸全部采用拼裝模式回縮一次，以減小推力產(chǎn)生的徑向分力；盾構(gòu)管片拼裝完成后要馬上緊固螺栓，并在推進(jìn)時(shí)進(jìn)行二次復(fù)緊，待盾構(gòu)管片脫出盾尾后進(jìn)行三次復(fù)緊，確保提高成型盾構(gòu)管片的剛度。

（4）盾構(gòu)管片產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)跡象可適當(dāng)調(diào)節(jié)漿液配合比、縮短漿液凝固時(shí)間、增加盾構(gòu)管片的約束力，以減少盾構(gòu)管片的旋轉(zhuǎn)角度。

（5）盾構(gòu)管片產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)可將刀盤和盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)方向進(jìn)行相同方向旋轉(zhuǎn)，并對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)延長，嚴(yán)防盾構(gòu)管片持續(xù)扭轉(zhuǎn)，并確保其恢復(fù)正常位置。

（6）當(dāng)盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)過大時(shí)，借力盾構(gòu)管片螺栓孔之間能夠相互錯(cuò)動(dòng)的時(shí)機(jī)，當(dāng)拼裝拱底塊盾構(gòu)管片時(shí)，對(duì)盾構(gòu)管片進(jìn)行縱向螺栓穿進(jìn)后，借力拼裝機(jī)鉗著盾構(gòu)管片朝著需要糾偏方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，然后向千斤頂靠近，另外對(duì)縱向螺栓進(jìn)行擰緊。以拱底塊盾構(gòu)管片作為一個(gè)基準(zhǔn)，對(duì)剩余盾構(gòu)管片進(jìn)行正確拼裝，能確保整環(huán)盾構(gòu)管片向著相反方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。對(duì)連續(xù)數(shù)環(huán)盾構(gòu)管片都采取此法進(jìn)行拼裝，可及時(shí)糾正旋轉(zhuǎn)誤差。

5 施工驗(yàn)證

由于施工控制、操作人員經(jīng)驗(yàn)不足等原因，導(dǎo)致太原地鐵2 號(hào)線某小半徑曲線段盾構(gòu)管片發(fā)生扭轉(zhuǎn)。通過對(duì)現(xiàn)場施工推進(jìn)參數(shù)的查閱，詳細(xì)了解了同步注漿的相關(guān)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場查勘盾構(gòu)管片拼裝等情況，發(fā)現(xiàn)刀盤順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)扭矩相差較大且盾構(gòu)機(jī)扭轉(zhuǎn)有明顯差異，實(shí)際同步注漿量偏少（4～4.5m3）。根據(jù)地質(zhì)情況及前期經(jīng)驗(yàn)，注漿6～7m3可滿足注漿要求并依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整砂漿初凝時(shí)間，發(fā)現(xiàn)在小半徑階段可進(jìn)一步優(yōu)化推進(jìn)速度、推力、扭矩等參數(shù)，現(xiàn)場指導(dǎo)盾構(gòu)管片拼裝手的拼裝及輔助糾偏。

技術(shù)人員通過5～10 環(huán)的跟蹤施工，盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)、姿態(tài)得到了明顯好轉(zhuǎn)，并驗(yàn)證了前述有關(guān)盾構(gòu)管片扭轉(zhuǎn)、錯(cuò)臺(tái)、破裂、滲水的原因分析是正確的。通過施工總結(jié)，指導(dǎo)了后期盾構(gòu)在小半徑段的有效掘進(jìn)施工，并取得了良好的施工效果。

表1 同步注漿材料配合比試驗(yàn)

6 結(jié)語

盾構(gòu)管片拼裝質(zhì)量管理是一項(xiàng)綜合性工作，其質(zhì)量受掘進(jìn)參數(shù)、同步注漿、拼裝人員技術(shù)水平、隧道線路、地質(zhì)等諸多因素的影響。當(dāng)掘進(jìn)姿態(tài)不正常時(shí)要果斷采取舉措，嚴(yán)防質(zhì)量通病。當(dāng)盾構(gòu)管片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，要依據(jù)施工現(xiàn)場情況研究制定合理適用的糾偏方式，保證盾構(gòu)施工順利推進(jìn)。