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盾構隧道管片扭轉原因分析及預防措施?

以下是仲達咨詢帶來的關於盾構隧道管片扭轉原因分析及預防措施的相關內容,供大家參考。

1項目概況

地鐵盾構推進過程中,由於盾構刀盤扭矩的影響,拼裝成環的管片拼裝位置相對於設計值發生壹定角度的旋轉,對盾構管片的選型和拼裝產生壹定的影響,並可能導致後續框架和電機車鋪軌不均勻,影響設備運行。

廣州地鐵三號線瀝滘站至大石背盾構區間,隧道單線長3051.5m,雙線長6103m,最大縱坡28‰,最小轉彎半徑800m,內徑5.4m,外徑6.0m,本工程采用三菱泥水盾構施工。主機體長8.17m,盾構外徑6.26m,最大推力3.6×104kN,最大扭矩6327 kn·m,刀盤轉速0 ~ 4 rpm。管片采用三種類型(51模式):環寬1.5m的標準環、左轉彎楔環和右轉彎楔環,轉彎環楔量為38mm。

該段盾構掘進施工時,兩線均有不同程度的扭轉,局部扭轉角度達到18,如圖1。由於管片扭曲過大,管片選擇的位置發生了變化,給管片選擇和組裝帶來了壹定的困難,影響了管片的組裝質量,也使得後續平臺架和電機車的鋪軌不均勻,影響了設備的運行。

管片扭轉的原因分析

2.1機械分析

盾構機刀盤旋轉可分為正轉和反轉(即順時針和逆時針旋轉)。當電機帶動刀盤順時針或逆時針旋轉切割巖土時,巖土會在刀盤上產生壹個逆時針方向的力矩M。此時,盾構機殼體與土體之間的摩擦力會在盾構機上產生壹個逆時針方向的力矩M盾,以維持盾構機機體的平衡,如圖2所示。

①當米洛克

(2)當M巖石> M盾構靜止時,盾構機有滾動趨勢,盾構機體內的頂推千斤頂會對管片產生逆時針方向的扭矩。當管片自身的穩定性和圍巖或背襯的固化水泥漿的摩擦力能抵抗這個扭矩時,盾構機機體和管片也是穩定的,不會出現扭轉趨勢。

(3)當米洛克>;當M盾構與M管片靜止時,盾構機機體和管片將逆時針扭轉。

從以上力學分析可知,管片扭轉的主要原因是圍巖未能提供足夠的摩擦力來阻止盾構的滾動趨勢,帶動管片扭轉。導致圍巖不能提供足夠摩擦力的內在原因有:①盾構刀盤旋轉方向不平衡,刀盤始終向壹個方向旋轉;②同步註漿效果不理想,導致圍巖不能提供足夠的摩擦阻力來抑制管片扭轉;(3)管片螺栓不夠緊固,不能有效傳遞扭矩。下面詳細分析其內在原因。

2.2刀盤正反轉不平衡

當盾體和管片都有滾動趨勢時,刀盤的不平衡旋轉會使管片在壹個方向上比在另壹個方向上扭曲得更多,從而造成成型管片的扭轉積累。平衡是指盾構掘進過程中,刀盤正反轉的時間基本相同,刀盤正反轉的扭矩也基本相同,這樣管片逆時針旋轉的趨勢就會相同。

起初,由於經驗不足,刀盤總是按壹定方向旋轉,導致盾體滾動角度急劇增大,後續臺車的軌道也隨之傾斜,管片隨之扭轉壹定角度,導致後續臺車不斷脫軌,嚴重影響盾構掘進施工。後來,我們在掘進施工中嚴格控制了刀盤的正反轉時間和扭矩,有效地控制了管片扭曲和後續臺車脫軌。因此,在盾構推進過程中,如果扭矩較大,應盡可能縮短刀盤單向旋轉時間。如果在某壹環推進的過程中,這種情況引起的扭轉沒有消除,並且每次環推進後盾體的滾動角增大,就會疊加管片的扭轉角,使扭轉程度更加嚴重。

2.3圍巖未能給管片足夠的摩擦力。

在穩定巖層中,由於圍巖的拱效應,管片與圍巖之間存在壹定的建築間隙,需要同步註漿對管片進行充填加固。但在基巖裂隙發育、地下水豐富的地區,註漿效果往往較差。管片背面充填的註漿液長期未能有效凝固,或註漿量嚴重不足,導致管片與圍巖接觸不充分,不能產生足夠的摩擦力組織管片旋轉。高達18的段扭也發生在這個地層。

對於軟弱巖層地段,盾構掘進形成的建築間隙,由於地層變形沈降,即使同步註漿也無法有效凝結,或者註漿量嚴重不足,導致管片受到變形沈降土體的約束。此時盾構機和管片的扭轉受到背襯和盾殼土層提供的摩擦力,不容易扭曲。

通過盾構機和施工過程中管片扭轉的統計,也證實了管片扭轉在薄弱區域不易發生,但在自身穩定性和含水量較好的地層中普遍存在。

2.4分段螺栓未擰緊。

在組裝管片時,工人未能充分擰緊管片的連接螺栓,因此無法加強環與環之間的有效連接,提高環與環之間的摩擦力,導致盾構機滾動產生的扭矩無法在環之間有效傳遞,形成的環整體性差也是管片扭轉的原因之壹。

3預防和治療措施

3.1盡量縮短單方向旋轉時間,使正反轉時間和扭矩趨於平衡。

3.2盡量縮短同步註漿液的初凝時間,以增強管片的自身穩定性,並及時給予管片足夠的摩擦力。

3.3當每個分段組裝到位時,每個螺栓應先擰緊,然後在組裝完整的環後再次擰緊。另外,管片拼裝時推進壓力遠大於千斤頂壓力,此時應重新擰緊管片螺栓,以達到更好的緊固效果,使管片整體性良好,以抵抗扭轉趨勢。

3.4行駛時,推進千斤頂上下部的壓差應盡可能小,以免壓差大造成管片上浮現象,從而削弱管片的自穩能力。施工實踐證明,當盾構機上下千斤頂壓差達到100bar時,管片將明顯上移,因此施工時上下千斤頂壓差應控制在80bar以內。

3.5當發現管片有位移跡象時,應及時對管片進行回填灌漿,以防止管片進壹步位移,或對管片進行有效填充,以防止管片過度扭曲。

3.6當發現管片扭曲時,可將刀盤向管片扭曲方向旋轉,旋轉時間可適當延長,以防止管片繼續扭曲,使管片恢復正常位置。

3.7當管片扭轉過大時,可以合理調整管片的螺栓孔與螺栓之間的公差,在組裝管片時,管片會以扭轉相反的方向組裝。裝配時,為了便於裝配,達到最佳效果,先裝配B段(逆時針擰段時)或C段(順時針擰段時)。

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