大直径盾构隧道施工期管片破损原因分析及防治

大直径盾构隧道施工期管片破损原因分析及防治

张天来

惠州市莞惠城际北延线有限公司

摘要：随着“一带一路”倡议的实施推进，秉承“共商、共享、共建”的原则，中国正积极进行工程建设。随着城市地下交通设施的要求不断提高,盾构隧道工程也越来越多。然而,盾构施工过程会出现一系列问题,其中施工过程盾构管片破损已经成为盾构隧道常见的病害之一,管片作为盾构隧道最基本的结构单元,其破损和开裂将影响隧道质量,任其发展将威胁到隧道的使用寿命。

关键词：大直径；盾构隧道；管片破损；防治措施

引言

盾构管片破碎开裂主要产生于盾构施工期和隧道运营期,原因大多是隧道周边的加卸载变化。前期针对盾构隧道管片破损的研究,多集中在千斤顶推力、盾构姿态、管片错台、螺栓连接等方面,针对密封垫设计不当引起管片破损的研究较为罕见。而目前在密封垫领域的研究也多为管片接缝防水方面,虽然对密封垫的接触应力和闭合压缩力进行了研究,但未对密封垫可能造成管片破损这一方向进行深入分析。

1大直径盾构隧道施工期管片破损原因分析

大量研究表明施工期间盾构隧道管片破损原因有多种,管片钢筋笼入模定位不准、千斤顶推力控制不当、管片遭受意外磕碰、由区间坡度和盾构姿态调整引起的管片端面错台等都会引起管片破损。在管片边缘处即角部和侧边产生破损现象,对此进行了针对该类管片破损的常规调整措施,但对管片质量、千斤顶推力、拼装过程等加强管控后,效果不佳,管片边缘处依旧大量破损。

2大直径盾构隧道施工期管片破损防治措施

2.1基于BIM二次开发的盾构管片参数化拼装方法

盾构隧道是由环状管片单元连续拼装而成的一段狭长的区间结构,盾构隧道中心线实质是一条空间三维曲线。针对盾构隧道的特点选择合适的建模平台,可以使创建盾构隧道BIM模型更加便捷。首先基于Civil3D二次开发实现盾构隧道中心线自动生成,应用Revit软件创建盾构隧道管片自适应族,通过Dynamo拾取中心线和管片自适应族,以可视化编码程序实现盾构管片自动拼装和BIM模型快速生成。              基于Revit概念体量法创建盾构管片模型,可以直接拾取平面几何图形生成模型实体,解决管片曲面较为复杂的问题。为了便于后续利用Dynamo拾取节点自动生成模型,需要创建管片模型自适应点,以盾构管片标准块为例,在管片每一处圆弧侧的起点、中心点和终点创建自适应点,按照由外到内,由上到下的原则标注序号。创建完成的管片自适应族。在实际工程中,隧道中心线有时会以表格数据的形式记录,当数据量较大时,手动输入数据建立路线模型工作量大,且操作较为繁琐。为减少上述人为因素引起的误差,提高工作效率,基于Civil3D二次开发实现读取Excel数据自动生成路线三维线形,可以减少重复建模工作,节省大量时间。根据管片的厚度,将道路中心线用法平面分割成多个线段,在每个法平面处创建存在分割点的圆弧,每个线段的起点法平面也是前一个线段的终点法平面。将圆弧沿按照隧道中心线的线形拉伸形成空心的空间圆柱体,通过数据运算将管片自适应模型填充至分割点包围的区间内,即完成隧道管片模型的创建。

2.2隧道盾构管片拼装

跨越河流、道路及房屋建筑区的盾构隧道修建时，盾构管片承受着巨大的水土压力，设计施工上面临着重大技术难题。管片拼装方式设计是高水压盾构隧道设计的重要组成部分，影响着盾构管片力学性能，对管片结构安全有着不可忽视的重要作用。（1）修正惯用法与梁-弹簧法均可以较好模拟管片力学性能，计算结果大体相同。但梁-弹簧法可以准确模拟管片接头处的力学性能，与实际更相符，因此推荐使用梁-弹簧法对管片受力性能进行研究。（2）封顶块位置对于管片力学性能有较大影响，当封顶块位于拱顶位置时，管片轴力值与弯矩值随错缝角度波动最小，相同错缝角度下，封顶块位于拱顶时的最大竖向位移最大，位于拱腰时的最大横向位移最大。（3）随着错缝角度的增加，管片结构最大弯矩、最大轴力与最大位移以标准块圆心角度数为周期，呈现周期性变化，错缝拼装时，为了防止产生较大位移，应尽量避免前后环管片接缝重合。

2.3基于间接测量法的盾构隧道损伤识别

以盾构隧道形式为主的铁路正成为城市轨道交通运输的中坚力量，隧道结构难免会出现一系列的病害。现有的盾构隧道健康监测系统存在传感器需求量大、监测点布设复杂、经济成本高、难以全覆盖监测等问题亟待解决。基于模型的损伤间接识别方法可以准确识别损伤的位置和损伤程度，不足之处在于均假定粗糙度数据已知，输入到基准有限元模型中。衬砌裂缝、螺栓锈蚀和松动、混凝土劣化等病害会降低盾构衬砌管片的局部刚度和变形能力，盾构隧道病害引起的损伤可以用单元抗弯刚度的折减表示。

2.4实现施工养护工艺的改进

施工养护工作的开展，也是必须要引起高度关注的细节性工作。在此过程中首先要意识到的是专业化养护团队的构建，是必要之举，必须要在此方面加大投入。管片厂引进管片自动化生产线建设蒸养窑，在升温、恒温、降温区域内控制升降温梯度15℃/h，温差控制在15℃以内;在管片脱模后管片采用水养全面浸泡方式进行养护，水养时间不少于7天，混凝土表面温度与水温温差控制在20℃以内，pH值控制在7～8，每三个月更换一次养护用水;冬季施工时，传统方式为涂刷脱模剂进行养护，涂刷工序人为因素影响大，故本管片厂将管片放入养护剂池浸入后提出，可以保证养护剂全面包裹管片，养护效果相比涂刷脱模剂效果更好;养护过程中应做好如下几个方面的规划:结合当前施工养护工作经验，将以往施工养护过程中存在的问题进行总结，分析造成对应问题的原因，然后做好研判，在此基础上，积极建立完善的养护工艺标准，确保后续的养护工作可以依照制定的基准来进行，这样可以使得实际的养护工作朝着规范化的方向发展;要引导实际施工人员去熟悉对应的养护标准，并且将对应的标准和规范落实到日常的工作中去。为此施工企业还应该积极开展对应的养护技术培训工作，将实际的规范和标准纳入其中，将平时施工过程中可能存在的缺陷和不足纳入其中，引导技术人员不断调整和改善，继而确保实际养护工艺素质得以不断提升;还需要积极采购更加先进的养护设备，构建更加理想的养护环境，确保实际养护人员可以有效的使用对应的养护设备和工具来做好实际的养护工作。最后，积极建立养护岗位责任制度，确保养护人员可以清楚自己的养护责任，定期对于养护工作质量进行评价，并且将其与绩效考核和薪酬管理关联起来，这样可以使得实际的养护人员以更加大的热情参与到实际的养护工作中去，由此使得实际的养护工作质量朝着更加高的方向发展和进步。

2.5管片破损其他措施

考虑到后期的维护成本和隧道使用安全,对管片的双道弹性橡胶密封垫进行优化调整,以此来解决管片接缝处的应力集中问题。为保证双道密封垫作用时的防水能力,将内道密封垫作为最后防水屏障,对外道密封垫进行优化,可以在满足管片接缝设防压力的同时,管片破损现象得到了有效抑制。

结语

大直径跨越河流及房屋建筑区盾构管片施工期发生破损现象,破损比例较高,破损部位多数位于角部和侧边,破损形式为管片边缘破损。在施工过程中,通过加贴软木衬垫来增大管片接头端面的接触面积,使应力均布,在一定程度上缓解了应力集中问题。

参考文献

[1]何太洪,王炳龙,刘建国,等.隧道管片密封垫接触应力和闭合压力的合理确定[J].城市轨道交通研究,2009(12):60-63.

[2]卢岱岳,孙文昊,苏昂,等.施工期盾构隧道管片衬砌裂损病害统计分析[J].铁道工程学报,2018(6):59-65.