近年來隨著城市地鐵的開發建設,軌道交通的發展駛入快車道,而由于盾構施工的安全、環保、快速、可靠等優點,使其廣泛應用于地鐵區間隧道的修建中。作為盾構隧道主要支護結構的管片襯砌,是由螺栓連接形成的一個連續自持結構,在管片拼裝過程中由于施工質量不佳以及外部荷載的作用,拼裝完成的管片會出現不同程度的錯臺、張角、管片開裂等問題,本文針對不同位置、不同程度的環內片間錯臺、環間錯臺以及襯砌環拼裝不圓等問題進行了研究,分析總結了以上問題對管片受力的影響及規律。管片螺栓作為盾構隧道的主要支護結構,含有很多接頭部位,其既不是均質的,也不是連續體,計算模型比較復雜,常用的荷載結構模型有均質圓環模型、多鉸圓環模型、梁-彈簧模型、殼-彈簧模型和塊體模型。為研究錯臺和拼裝橢圓度對管片內力的影響,更真實地模擬管片襯砌的縱向力學效應,本文建立了三維殼-彈簧模型,采用荷載-結構法,以殼單元模擬管片,以剪切彈簧單元和拉壓彈簧單元模擬螺栓和管片間的接觸,采用逆向思維對不同程度的管片錯臺、管片拼裝橢圓度等工況進行了分析,主要研究內容如下:

(1)利用三維殼-彈簧模型對管片襯砌的變形及內力進行分析,研究表明相鄰兩環的彎矩和軸力在隧道縱向上的分布并不一致。通過建立既有片間錯臺模型,對不同位置、不同程度的片間錯臺對管片內力的影響進行了研究,片間內錯中拱腰部位的錯臺對管片受力更為不利,片間外錯中拱底以及拱頂的錯臺對管片受力更為不利?？偨Y了不同位置、不同程度的片間錯臺對結構受力的影響規律,驗算結果表明在10 mm極限錯臺量下,片間內向錯臺裂縫寬度為0.157mm,片間外向錯臺裂縫寬度為0.196 mm,片間外向錯臺比內向錯臺更為不利。片間錯臺對相鄰環的影響主要集中在錯臺附近位置,對相鄰環受力的安全性影響不大。

(2)建立既有環間錯臺模型,對拱頂、拱底和兩側拱腰四個不同位置的環間內向錯臺和外向錯臺對管片內力的影響進行了分析,研究表明在環間15 mm極限錯臺量下,拱頂內錯對結構受力最為不利,左拱腰外錯對結構受力最為不利,相較于錯臺靠近片間接頭位置,錯臺位于管片拼裝塊中部時結構受力更為不利。極限錯臺量下,拱頂內錯工況下裂縫寬度為0.187 mm,左拱腰環間外錯工況下裂縫寬度為0.198 mm,逼近規范限值。分析了環間錯臺對相鄰環的影響,研究表明相鄰環上彎矩和軸力的分布變化明顯,但數值上變化不大。

(3)建立了四種不同襯砌環橢圓度的工況模型,根據計算結果,分析了不同橢圓度對管片環向應力、彎矩和軸力的影響。從數值上看,管片的環向應力、彎矩和軸力,均是隨著襯砌環橢圓度的增大而增大,各橢圓度下管片彎矩和軸力的分布形式大致相同,但隨著襯砌環橢圓度的增大,管片接頭在襯砌環的不同位置表現出不同的特性。襯砌環橢圓度接近或超過規范要求的6‰時,在封頂塊和鄰接塊之間可能會出現管片錯臺或者邊角碎裂的現象,裂縫寬度達到0.195 mm,接近規范限值。

(一)拼裝方法

1.拼裝成環方式

盾構推進結束后,迅速拼裝管片成環。除特殊場合外,大都采取錯縫拼裝。在糾偏或急曲線施工的情況下,有時采用通縫拼裝。

2.拼裝順序

一般從下部的標準(A型)管片開始,依次左右兩側交替安裝標準管片,然后拼裝鄰接(B型)管片,安裝楔形(K型)管片。

3.盾構千斤頂操作

??拼裝時,若盾構千斤頂同時全部縮回,則在開挖面土壓的作用下盾構會后退,開挖面將不穩定,管片拼裝空間也將難以保證。因此,隨管片拼裝順序分別縮圓盾構千斤頂非常重要。

4.緊固連接螺栓

先緊固環向(管片之間)連接螺栓,后緊固軸向(環與環之間)連接螺栓。采用扭矩扳手緊固,緊固力取決于螺栓的直徑與強度。

5.楔形管片安裝方法

楔形管片安裝在鄰接管片之間,為了不發生管片損傷、密封條剝離,必須充分注意正確地插入楔形管片。為方便插入楔形管片,可裝備能將鄰接管片沿徑向向外頂出的千斤頂,以增大插入空間。

拼裝徑向插入型楔形管片時,楔形管片有向內的趨勢,在盾構千斤頂推力作用下,其向內的趨勢加劇。拼裝軸向插入型楔形管片時,管片后端有向內的趨勢,而前端有向外的趨勢。

6.連接螺栓再緊固

一環管片拼裝后,利用全部盾構千斤頂均勻施加壓力,充分緊固軸向連接螺栓。

盾構繼續掘進后,在盾構千斤頂推力、脫出盾尾后土(水)壓力的作用下襯砌產生變形,拼裝時緊固的連接螺栓會松弛。為此,待推進到千斤頂推力影響不到的位置后,用扭矩扳手等,再一次緊固連接螺栓。再緊固的位置隨隧道外徑、隧道線形、管片種類、地質條件等而不同。

(二)真圓保持

管片拼裝呈真圓,并保持真圓狀態,對于確保隧道尺寸精度、提高施工速度與止水性及減少地層沉降非常重要。

管片環從盾尾脫出后,到注漿漿體硬化到某種程度的過程中,鄉采用真圓保持裝置。

(三)管片拼裝誤差及其控制

管片拼裝時,若管片間連接面不平行,導致環間連接面不平,則拼裝中的管片與已拼管片的角部呈點接觸或線接觸,在盾構千斤頂推力作用下,發生破損(見圖1K413033-2)。為此,拼裝管片時,各管片連接面要拼接整齊,連接螺栓要充分緊固。

另外,盾構掘進方向與管片環方向不一致時,盾構與管片產生干涉,將導致管片損傷或變形。伴隨管片寬度增加,上述情況增多。為防止管片損傷,預先要根據曲線半徑管片圖1K413033-2管片環間連接面不平狀況示意圖與管片寬度對適宜的盾構方向控制方法進行詳細研究,施工中對每環管片的盾尾間隙認真檢測,并對隧道線形與盾構方向嚴格控制。在盾構與管片產生干涉的場合,必須迅速改變盾構方向、消除干涉:

盾構糾偏應及時、連續,過大的偏斜量不能采取一次糾偏的方法,糾偏時不得損壞管片,并保證后一環管片螺栓的順利拼裝。

(四)楔形環的使用  ‘

在盾構工程中,除曲線施工外,為進行蛇行修正,也可使用楔形環管片。

四、注漿控制

注漿是向管片與圍巖之間的空隙注入填充漿液,向管片外壓漿的工藝,應根據所建工程對隧道變形及地層沉降的控制要求選擇同步注漿或壁后注漿,一次壓漿或多次壓漿,由計劃到施工的流程如圖1K413033-3所示。

一)注漿目的.

管片拼裝完成后,隨著盾構的推進,管片與洞體之間出現空隙。如不及時充填,地層應力得以釋放,而產生變形。其結果發生地面沉降,鄰近建(構)筑物沉降、變形或破壞等。注漿的主要目的就是防止地層變形,還有其他重要目的,具體如下。

1.抑制隧道周邊地層松弛,防止地層變形。

2.及早使管片環安定,千斤頂推力平滑地向地層傳遞。作用于管片的土壓力平均,能減小作用于管片的應力和管片變形,盾構的方向控制容易。

3.形成有效的防水層。

(二)注漿材料的性能

一般對注漿材料的性能有如下要求:    ’

1.流動性好;

2.注入時不離析;

3.具有均勻的高于地層土壓的早期強度;

4.良好的充填性;

5.注入后體積收縮小;

6.阻水性高;

7.適當的黏性,以防止從盾尾密封漏漿或向開挖面回流;

8.不污染環境。

(三)一次注漿

一次注漿分為同步注漿、即時注漿和后方注漿三種方式,要根據地質條件、盾構直徑、環境條件、注漿設備的維護控制、開挖斷面的制約與盾尾構造等充分研究確定。

1.同步注漿.

同步注漿是在空隙出現的同時進行注漿、填充空隙的方式,分為從設在盾構的注漿管注入和從管片注漿孔注入兩種方式。前者,其注漿管安裝在盾構外側,存在影響盾構姿態控制的可能性,每次注入若不充分洗凈注漿管,則可能發生阻塞,但能實現真正意義的同步注漿。后者,管片從盾尾脫出后才能注漿,為與前者區別,可被稱作半同步注漿。

2.即時注漿

一環掘進結束后從管片注漿孔注入的方式。

3.后方注漿  ’

掘進數環后從管片注漿孔注入的方式。    ’+

一般盾構直徑大,或在沖積黏性土和砂質土中掘進,多采用同步注漿;而在自穩性好的軟巖中,多采取后方注漿方式。

(四)二次注漿    .,

二次注漿是以彌補一次注漿缺陷為目的進行的注漿。具體作用如下:

1.補足一次注漿未充填的部分;

2.補充由漿體收縮引起的體積減小;

3.以防止周圍地層松弛范圍擴大為目的的補充。

以上述1、2為目的的二次注漿,多采用與一次注漿相同的漿液;若以3為目的,‘多采用化學漿液。

(五)注漿量與注漿壓力

注漿控制分為壓力控制與注漿量控制兩種。壓力控制是保持設定壓力不變,注漿量變化的方法。注漿量控制是注漿量一定,壓力變化的方法。一般僅采用一種控制方法都不充分,應同時進行壓力和注漿量控制。

1.注漿量

注漿量除受漿液向地層滲透和泄漏外.還受曲線掘進、超挖和漿液種類等因素影響,不能準確確定。一般采用以下方法確定。

按下式計算注漿量Q:

o=v×口

V=7c(D~ - Dg)×vl4式中V-計算空隙量;

鏟一注入率;

D?！_挖外徑;

Do-管片外徑;

礦一掘進速度。

注入率口是根據漿液特性(體積變化)、土質及施工損耗考慮的比例系數,基于經驗確定。

2.注漿壓力

注漿壓力應根據土壓、水壓、管片強度、盾構形式與漿液特性綜合判斷決定,但施工中通?；谑┕そ涷灤_定。

從管片注漿孔注漿,注漿壓力一般取l00—300kNlm2 (l~3kg/cm2),或間隙水壓+200kN/m2左右。

注漿量與注漿壓力要經過一定的反復試驗,確認注漿效果、對周圍地層和建(構)筑物的影響等,并在施工中進行一定范圍內的效果確認,反饋其結果指導施工。