硬巖隧道土壓平衡盾構(gòu)機(jī)管片錯臺問題分析及對策

李芳，田涌，霍守峰

（1.青島市地鐵四號線有限公司；2.青島市西海岸軌道交通有限公司；3.青島市地鐵十三號線有限公司，山東 青島 266000）

短距離復(fù)雜水文地質(zhì)、構(gòu)造帶及裂隙帶交錯等硬巖地質(zhì)條件下，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)相較其他盾構(gòu)機(jī)有更好的經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性，但根據(jù)以往現(xiàn)場工程經(jīng)驗(yàn)，管片錯臺的質(zhì)量問題非常普遍，且補(bǔ)救的可能性極小，管片間的錯臺對隧道結(jié)構(gòu)滲漏水及安全性影響較大且這種隱患持久存在。

1 工程概況

本項(xiàng)目為青島某地鐵線路區(qū)間，根據(jù)地勘情況，區(qū)間圍巖以花崗巖為主，IV級及以上圍巖占比75.5%，V級圍巖占比約24.5%，穿越2條共軛向裂隙帶，裂隙帶透水性中等，涌水量為14～19.2m3/（d·m）。掘進(jìn)至共軛向裂隙帶時(shí)，即掘進(jìn)至66環(huán)～75環(huán)范圍時(shí)，管片出盾尾后，出現(xiàn)了管片上浮情況，相關(guān)上浮情況統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 管片上浮統(tǒng)計(jì)

從圖1可看出，部分管片上浮值大于15mm，已超出規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)范疇。

2 管片錯臺分析

2.1 管片錯臺條件分析

由于盾構(gòu)機(jī)刀盤略大于管片外徑，所以理論上在硬巖環(huán)境掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)斷面與管片外徑就形成了一道均勻的間隙。但在實(shí)際施工過程中，這道均勻的間隙受多種因素耦合影響，造成了管片的不均勻受力，進(jìn)而導(dǎo)致掘進(jìn)斷面的幾何中心與盾構(gòu)機(jī)管片幾何中心不重合，且不斷發(fā)生變化，這就造成了盾構(gòu)機(jī)管片錯臺的根本原因。綜上，可分析出盾構(gòu)機(jī)管片上浮的必要條件可分為以下3種：（1）管片外圍存在可產(chǎn)生浮力的液體物質(zhì)，如水、未凝固的注漿液等；（2）這種液體物質(zhì)所產(chǎn)生的浮力大于管片的自重；（3）管片所受不均勻力的鏡像方向存在間隙。

2.2 管片錯臺原因分析

（1）靜態(tài)上浮力分析。盾構(gòu)機(jī)拼裝管片、注漿步距如圖2所示，理想狀態(tài)下，不考慮浮力受其他因素影響導(dǎo)致作用力方向改變時(shí)，管片受浮力影響根據(jù)阿基米德浮力計(jì)算公式可得：

式中：R為管片外環(huán)半徑（m）；B為管片寬度（m）；γ1為注漿漿液重度，取值10～20kN/m3。

圖2 掘進(jìn)過程中管片拼裝步距示意

管片自重為：

式中，t為管片厚度（m），γ2為鋼筋混凝土重度，取值 25kN/m3。

在不考慮螺栓連接作用下，將式（1）除以式（2）可得管片受浮力與重力的比值為：

假設(shè)管片厚度0.3m，外半徑為3m，則K取值范圍為2～4，由此可見，管片在漿液初凝前，盾構(gòu)機(jī)管片始終受上浮力控制。

（2）動態(tài)上浮力分析。理想狀態(tài)下，同步注漿可以視為漿液全部填充至掘進(jìn)斷面與外管片之間的間隙中，但實(shí)際上盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，同步注漿并不會非常密實(shí)，漿液沒有完全填滿間隙，所以需要二次注漿降低來減低管片上浮風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)防地表沉降。但在二次注漿過程中，也會出現(xiàn)不均勻的動態(tài)上浮力影響管片的最終位置，不均勻力如圖3所示。

圖3 二次注漿不均勻力示意

動態(tài)上浮力可表示為：

式中P為二次注漿壓力；β為二次注漿影響范圍。

（3）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)分析。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整主要是通過推進(jìn)油缸的差異推力實(shí)現(xiàn)的，這種差異推力會導(dǎo)致管片受力不均的情況發(fā)生，即在管片上浮區(qū)至初凝區(qū)一定范圍內(nèi)的管片產(chǎn)生彎矩，使得管片產(chǎn)生縱向位移，最終導(dǎo)致錯臺的發(fā)生，如圖4所示。

圖4 不均勻推力導(dǎo)致管片彎矩示意

（4）人為因素分析。管片拼裝過程中，前拼裝塊因人為因素定位不準(zhǔn)確，導(dǎo)致后續(xù)拼裝塊不能順利拼裝，進(jìn)而管片拼裝橢圓度控制不足導(dǎo)致錯臺也常有發(fā)生；此外，由于多種因素如：機(jī)械拼裝、管片受力介質(zhì)發(fā)生突變等情況導(dǎo)致管片螺栓松動，如果螺栓不及時(shí)復(fù)緊，管片發(fā)生錯臺的幾率會大大增加。

3 預(yù)防及應(yīng)對措施

3.1 減小壁后水壓

減小壁后水壓通常采用管片開孔卸水壓的方法是通過增加液體動能，降低壓力勢能實(shí)現(xiàn)的，適應(yīng)于富水地層。此種方法首先可以減小管片出盾尾后所受浮力，也可以減弱壁后漿液被地下水沖散的可能性。但此種方法是一種輔助措施，只能減小管片錯臺程度。

3.2 提高漿液性能及填充率

盾構(gòu)壁后漿液的填充率直接影響空隙填充效果，對控制管片錯臺，地表沉降具有重要意義，敬業(yè)配比應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件，從提高漿液填充率、流動性、泌水性以及早期強(qiáng)度這四個方面進(jìn)行綜合考量分析。

3.3 設(shè)置剪力銷及加強(qiáng)螺栓復(fù)緊

目前，主流盾構(gòu)法施工隧道管片間的縱向、環(huán)向均通過螺栓拼接。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在特殊地層下，如破碎帶、斷裂帶、富水地層，螺栓應(yīng)力分布會發(fā)生突變，系統(tǒng)螺栓受力不均勻，這是因?yàn)榈貙拥牟痪鶆蛐詫?dǎo)致管片截面縱向剪力應(yīng)力要大于環(huán)向。當(dāng)環(huán)向、縱向管片采用相同形式、相同數(shù)量的螺栓連接將導(dǎo)致縱向螺栓應(yīng)力集中，且管片截面受力不均勻，這樣不僅會使管片發(fā)生縱向錯臺，同時(shí)會降低管片環(huán)向防水性能。針對以上問題，建議增加剪力銷構(gòu)件，便于定位拼裝管片，且剪力銷承擔(dān)多余剪力，使得管片的縱向、環(huán)向受力變得均勻，進(jìn)而增強(qiáng)管片的抗浮能力，剪力銷模型如圖5所示。

圖5 剪力銷模型及安裝示意

與此同時(shí)，嚴(yán)格遵守管片拼裝的技術(shù)規(guī)范，按照“三次緊固”原則對螺栓進(jìn)行復(fù)緊。

3.4 盾構(gòu)姿態(tài)緩慢調(diào)整

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)遇突變地質(zhì)或存在“蛇形”推進(jìn)情況，應(yīng)該根據(jù)測量復(fù)核，緩慢糾偏，否則油缸推力鄒增導(dǎo)致管片受力不均勻，管片環(huán)向彎矩突變，大幅增加管片錯臺的可能性。

4 結(jié)語

（1）依據(jù)本項(xiàng)目工程發(fā)生的錯臺情況，本文從理論角度分析了管片錯臺產(chǎn)生的根本原因及影響因素，提出了靜態(tài)及動態(tài)管片上浮力的計(jì)算公式。

（2）通過進(jìn)一步分析錯臺產(chǎn)生的原因，總結(jié)出減小管片壁后水壓、提高漿液性能及填充率、設(shè)置剪力及加強(qiáng)螺栓復(fù)緊、盾構(gòu)姿態(tài)緩慢調(diào)整這4種預(yù)防措施，以降低錯臺發(fā)生概率，減小錯臺程度，為類似工程提供工程依據(jù)及經(jīng)驗(yàn)。