盾构隧道施工质量缺陷

摘 要:介绍了地铁盾构隧道施工中出现的主要质量缺陷,对影响地铁盾构隧道质量缺陷的因素进行分析,提出预防和克服质量缺陷的措施,最终保证盾构隧道施工质量。
关键词:盾构隧道,地铁施工,质量缺陷
目前国内外盾构工程市场非常活跃,前景相当广阔,也形成了较成熟的结构设计计算理论和工程实践体系,但地铁盾构隧道施工的质量缺陷仍存在一些尚未得到很好解决的问题,如管片的渗漏、裂纹、错台、崩角、扭转等。文中对盾构隧道质量缺陷的影响因素作简单分析,以期在设计与施工过程中加以防治。
1 管片渗漏水的影响因素
1.1 管片的自身防水
1)管片混凝土制作方面:选定混凝土的配合比、水泥用量、入模温度、浇捣工艺、养护时间和方法以及外加剂掺量等。通常采用掺外加剂的途径来改善混凝土本身的不密实性,补偿混凝土因徐变等原因产生的收缩,以增加其抗裂性和抗渗性。而不是片面提高混凝土的标号和抗渗等级,因为实际上混凝土标号越高,单位水泥用量越多,其产生的水化热越高,收缩量越大,导致裂纹的产生。因此,必须合理地选择混凝土的标号、抗渗等级和外加剂。
2)管片的制作精度方面:根据国内外盾构隧道施工实践,采用高精度钢模来提高管片精度是很重要的环节。如果管片制作精度差,加上管片拼装累计的误差,将会导致管片接缝不密贴而出现较大的原始缝隙,此时如果接缝防水材料的弹性变形量不能适应缝隙要求就会出现漏水。所以要生产出高精度的管片就要有一个高精度的钢模。一般钢模的质量比管片重,其质量比为1~2。通常生产400块~500块管片后就要对钢模进行必要的检修和保养,而且对其使用必须有一个严格的操作制度来确保模具的完好和精度。
1.2 管片的接缝防水制作
通常接缝防水对策是使用密封材料,以西德为代表的欧洲,采用非膨胀合成橡胶,靠弹性压密以接触面的压应力来止水,以耐久性和止水性见长;以日本为代表的方面,则采用水膨胀橡胶,靠其遇水膨胀后的膨胀压力来止水,其特点是可以使密封材料变薄,施工方便,但耐久性尚待验证。实践证明,密封垫材料性能极大的影响了接缝的防水效果,尤其是对防水功能的耐久性要使密封垫能长时间保持接触面的压应力不松弛,另外一点就是止水条的制作安装误差和粘贴密合程度也会影响到防水的效果。
1.3 壁后注浆防水
壁后注浆实施的好与坏,直接影响到隧道的施工质量,这已被工程实际所证实。虽然它主要用来控制地面沉降,但客观上是隧道防水的第一道防水防线。还有一点就是因为注浆量不足也会引起隧道后期产生较大沉降变形而漏水。
1.4 掘进过程控制不当引起漏水
1)盾构与管片的姿态不好,影响到管片的拼装质量,造成管片间错位,相邻管片止水带不能正常吻合压紧,从而引起漏水。
2)掘进过程中推力不均匀造成管片受力不均匀而产生裂纹、贯穿性断裂等而渗漏水。3)在掘进困难时推力过大也会造成管片产生裂纹而渗漏水。
1.5 管片选型
由于盾尾间隙不均匀,管片选型不当,造成间隙过小,使得在掘进过程中造成管片外壁被损坏导致止水条漏水。所以管片的选型要抓住盾构机依据姿态来控制掘进,管片依据盾构机(即盾尾间隙)来选择这一根本原则。
1.6 其他操作原因
1)由于掘进行程不足导致封顶块插入困难时止水条破坏而漏水。因此拼装封顶块时先量宽度是否足够,否则需要调整,不得强行插入。一般是掘进到一定的行程后先量插入块的间隙来保证足够的空间,也不是间隙越大越好。同时在止水条上涂抹一定的润滑剂防止拉脱,但要注意使用的润滑剂不得对止水条的性能产生改变。
2)连接螺栓没有拧紧在一定程度上引起接缝的扩张(尤其在纠偏时),使得管片在掘进停止后呈松弛状态。所以在掘进过程中要及时对后续几环进行螺栓的复紧。
3)千斤顶撑靴在顶至管片时摆放不正使得止水带损坏而漏水。
4)管片在运输和吊运过程中造成掉角损边等。
2 管片裂纹的影响因素
2.1 管片生产过程造成的开裂
此过程的开裂分两个阶段显示:第一阶段是管片脱模以后的养护阶段,主要是以表面裂纹为主,能目测;第二阶段是28d后在出厂运输、吊卸及拼装过程中发现的微细裂纹,这种裂纹出厂检查不易目测到,但管片一旦受到集中应力作用,裂纹就迅速扩展。其养护分自然养护和蒸汽养护,脱模后又分喷淋和蓄水养护。通过实践比较得出,蓄水养护的管片在因推力原因而产生的开裂要比喷淋养护少很多。另管片进场前的检查和进场后的保护尤显重要。
2.2 盾构施工过程中的管片开裂
1)拼装管片前对盾尾的清理不干净,使得管片的环缝夹有泥砂,造成整环管片的环面不平整,掘进时就会因不均匀受力而产生裂纹。
2)在拼装过程中因拼装顺序或管片类型错误使得环面不平整,导致受力不均匀产生裂纹。
3)在硬岩段或不均匀地层中因推力过大或推力不均匀导致管片出现裂纹。
4)在进行管片补浆时因压力控制过高导致管片开裂。
5)在姿态较难控制时,过于纠偏使得盾尾间隙过小或推力不均导致裂纹出现。
2.3 盾构隧道使用过程中的开裂
使用过程中的开裂主要表现为如下两个方面:
1)在隧道附近的再次施工,如基坑开挖过程中,会导致隧道围岩的位移或地下水位的降低,从而使盾构隧道也产生不均匀移位后开裂。对于此类情况的处理是应立即停止开挖施工,并进行加固或改变施工工艺。
2)隧道内
列车的振动或发生地震造成隧道周围的砂层液化也会导致隧道管片的开裂。此类情况一般要加固隧道围岩来防止土压、水位的变化或从隧道内进行二次注浆来增强隧道的稳定性。
3 管片错台的影响因素
3.1 壁后注浆
这一点是保证管片错台与否的重要原因之一。隧道是一种管片衬砌和地层一体化的结构稳定的构造物,管片上的作用力也是在这个假设的条件下考虑的。这意味着管片背面空隙的均匀填充是确保作用外力均匀的先决条件。所以防止管片因外力作用而引起的错台主要是靠壁后及时、充实的填充,但是注浆的压力过大也会造成管片的错台。
3.2 管片选型
因管片的选型不当导致盾尾间隙过小,在盾尾前进的过程中会使得管片发生错台,甚至管片外壁遭到破坏。
3.3 姿态控制
1)在不均匀地层(例如左右不均匀段)会导致千斤顶对管片的作用力不均匀而产生的错台;
2)在转弯段因千斤顶的不对称作用力而产生的一个偏离轴线向外的分力导致错台。
3.4 操作不当
1)进行管片二次补浆的压力过大导致错台的出现。
2)拼装过程中管片的连接螺栓未拧紧或及时进行复紧。
3)在硬岩段且处于曲线段掘进时姿态调整过急过猛易导致错台现象。
3.5 隧道上浮
当管片一出盾尾由于浮力的作用,就与在盾壳内的管片形成错台,随着掘进的进行,往往还能听到这种错台的声音,有时这种错台是缓慢和逐渐的,也会形成叠瓦式或台阶式。有时左右两侧连续几环也会出现如此现象。
4 管片破损、崩角的影响因素
管片的破损、崩角比裂隙对隧道产生的危害还要大,这是因为,大多数管片的破损,都伤及钢筋,尽管这些损坏都要进行修补,但修补后的防水性能肯定不如原始混凝土,这样在今后的使用过程中,经过一段时间之后,管片最先损坏的应该是这些以往受过损坏的部位,所以管片的损坏对永久结构的使用寿命有一定的影响。管片的损坏、崩角主要有以下几个方面的原因。
4.1 操作原因
1)吊运和拼装过程中的碰撞。
2)吊装孔附近混凝土被拔脱。
3)管片环发生扭转时,千斤顶顶在两块管片接缝处会导致管片端面崩角而破坏。
4)千斤顶撑靴顶在管片上不正(盾尾间隙不均匀时)会使管片内侧或外侧的混凝土破损。
2 姿态控制
1)盾构机姿态调整时,急于纠偏造成受力不均匀。
2)盾构机姿态调整时,千斤顶行程差过大而导致受力不均出现管片损坏。
4.3 管片扭转
管片扭转一般较易在线路转弯段产生,一般因扭转会导致管片端部(千斤顶的作用面)的受压区混凝土开裂或相邻两块管片接缝处崩角破坏;另一个不利影响就是会给预先设计的管片开口因扭转而与联络通道之间发生错位,导致隧道与联络通道之间无法顺利连接;还有就是会给安装走道板、通风管等带来一定的不方便。但是扭转并不影响到结构的质量和使用。
通过对扭转的实测数据统计归纳得出:管片的扭转与线路转弯有很大关系。管片受扭转的作用是普遍存在的,盾构推进千斤顶偏离管片环轴线和千斤顶对管片环不对称的作用力是使得管片环发生扭转的主要原因。在工程施工过程中,前两点可以在施工过程中通过改变刀盘转动和拼装顺序加以克服,另外施工过程中可以增大管片的稳定和抗扭转力来减少或消除扭转,其中加大环缝间连接螺栓的拧紧力和减小管片背后注浆浆液的凝固时间是最基本的,也是较好的方法。有的盾构机盾体上安装有稳定器,来减小在硬岩段掘进时,因刀盘扭矩过大而引起管片的扭转。
5 结语
盾构隧道施工质量缺陷大多数可以在施工过程中得到控制,需要建立相应的质量控制并严格执行,以便在施工过程中力求尽量减少或避免质量缺陷。