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1、地铁盾构简介及管片拼装常见质量问题1盾构机简介1.1刀盘:刀盘是安装在盾构机前面的旋转部分,在支撑掌子面土压的同时进行开挖。为了适应不同地质的开挖要求,在刀盘上可以安装滚刀、切刀、刮刀和齿刀。 图1.1刀盘12盾壳本体包括三个主要组件:前体(切口环)、中体(支撑环)和盾尾。1.2.1前体前体又称切口环,它里面装有支撑主驱动和螺旋输送机的钢结构。压力隔板将前体的土仓和主舱分离开来。隔板上面的门可以让人进入土仓进行保养和检查工作。此外,隔板有几个开口,可以作为碴土改良材料的入口以及作为修理时输电线的接线盒接头。水、膨润土或泡沫被输送至土仓,通过安装的隔板上的四个搅拌器使土仓内的碴土充分搅拌。在保养
2、和修理时,螺旋输送机的套筒回收后,通过前体上液压闭合装置,可以关闭螺旋输送机的进碴口。在前体的隔板上安装有土压传感器用以监测土仓内的土压,以便在土压平衡模式下及时对土仓内的土压进行反馈和调节。图1.2前体1.2.2中体和盾尾中体又称支撑环,前体和中体是用螺栓上紧并焊接在一起的。图1.4推进油缸分区示意图在中体内布置了推进缸支座和管片安装机架。管片安装机支架通过相应的法兰面和管片安装机梁连接起来。推进缸和连接盾尾的铰接油缸布置在中体。在中体的盾壳上焊接了带球阀的可在需要时实施超前钻孔的预留孔,当需要时还可以通过这些预留孔注入膨润土等用以减小盾壳与土层的磨擦,或实施临时止水。 图1.3中体中体和盾
3、尾之间通过铰接油缸连接,两者之间可以有一定的夹角,从而使盾构在掘进时可以方便的转向。正常情况下铰接处使用的是预紧密封,并安装有一道气囊密封用于对铰接密封维修时使用。盾尾安装了三道密封钢丝刷及二个油脂注入管道,在密封刷中注入密封油脂以防止盾构外面的水或砂浆进入盾构。另外还安装了8根内置的同步注浆管道。 图1.5盾尾 1.3出碴系统1.3.1螺旋输送机螺旋输送机安装于前体的底部,螺旋输送机从隔板到拖车沿中心线的上仰角为23。在掘进时,开挖的碴土在底部,螺旋输送机伸往渣舱的一段为可更换的耐磨片。螺旋输送机内部为一个带轴的螺杆,螺旋输送机的螺旋片能够在碴土中伸缩。螺旋输送机的螺旋片分为两段,中间部分有
4、一段没有螺旋片,这样可以在软土中形成土塞,以有效防止喷涌现象。图1.6螺旋输送机1.3.2皮带输送机皮带机用于将螺旋输送机输出的碴土传送到盾构后配套的碴车上。皮带机布置在后配套拖车的上面。1.4管片安装机构图1.7管片安装机结构示意图管片安装机安装在盾尾,由一对举重油缸、大回转机构、抓取机构和平移机构等组成。管片安装机的控制方式有遥控和线控两种方式,均可对每个动作进行单独灵活的操作控制。管片安装机通过这些机构的协同动作把管片安装到准确的位置。管片安装机由单独的液压系统供应动力,通过液压系统的控制可以对管片进行前后移动、回转、摆动等六个自由度的调节,从而实现对管片的精确定位。图1.8盾构主体示意
5、图1.5管片指用于盾构开挖后完成隧道衬砌的预制钢筋混凝土圆环,管片混凝土强度C50,抗渗等级S12。管片内径为5400mm,外径为6000mm,厚300mm,管片环宽1500mm。每环管片组成为321,即三块标准块(A1、A2、A3)、两个邻接块(B、C)一个封顶块(K)。本区间工程管片包括标准环、左转弯环和右转弯环三种类型。图1.9管片 图1.10每环管片结构图2质量问题产生的主要原因 2.1管片崩缺、裂纹产生的原因 管片的崩缺、裂纹对隧道产生的危害比较大,管片损坏后进行修补,修补后的防水性能比原始混凝土差,这样在今后的使用过程中,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
6、永久结构的使用寿命有一定的影响。造成管片崩缺、裂纹的主要原因如下: 2.1.1盾构操作方面的问题吊运和拼装过程中的碰撞损坏,盾构机姿态控制不好。如蛇行或盾构机轴线与管片轴线偏差过大,各组推进千斤顶推力相差过大等。2.1.2管片上浮方面的原因随着盾构推进,管片环脱出盾尾后,立刻受到浆液或地下水浮力的作用要上浮,而位于盾尾内刚拼装的管片则受到盾尾约束,使管状的隧道结构相当于悬臂梁,在盾尾附近的管片受到的弯矩最大,故管片的开裂往往在脱出盾尾后2环3环处出现的概率最大。2.1.3管片环椭变造成裂缝管片环椭变可由于自重作用、浮力作用、注浆偏压等原因造成。硬岩段管片环椭变往往表现为“横鸭蛋”式,即管片环上
7、下发生变形。发生椭变后,管片环腰部受到负 弯矩作用,管片内弧面受压,腰部纵缝相互挤压而易出现崩角、崩边以及螺栓孔拉裂等损坏;而管片底部、拱部受到正弯矩作用,管片内弧面受拉,顶部、底部纵缝 张开,接缝外侧相互挤压而易出现崩角、崩边等损坏。由于顶部、底部接缝崩裂往往出现在接缝外侧,在隧道内难以发现,但此类裂缝对止水槽破坏大,易产生漏 水。故实际观察到的现象是位于隧道腰部(3点,9点附近)的裂缝数量多,但漏水往往在隧道顶部居多。2.1.4管片扭转管片扭转后,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。 2.2管片渗漏水产生的原因管片渗漏水主要表现为裂纹渗水,K块漏
8、水,接缝漏水,吊装孔因泄水导致阶段性渗水。产生原因有以下几点:2.2.1管片本身质量原因管片制作和养护过程中出现的质量问题。2.2.2管片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,注浆的好坏影响地面沉降控制,在硬岩段,注浆不足还会导致隧道上浮。事实上,注浆也是隧道的第一道防水防线,注浆不足,直接致使接缝防水和管片防水。2.2.3施工原因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;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;在掘进困难时推力过大也会造成管片产生裂纹而渗漏水;由于盾尾间隙不均
9、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。由于掘进行程不足或拼装不当,导致封顶块插入困难时止水条破坏而漏水;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,管片损坏、崩缺漏水。 2.3管片错台产生的原因2.3.1线路方面的原因在小曲率半径地段,易产生错台。主要是由于在转弯段推进千斤顶沿垂直隧道轴线方向的横向分力引起错台。此类错台主要表现为左右方向错台,隧道腰部错台量最大。此外是管片拟合方面产生的几何误差,即用折线(管片)拟合曲线(线路)产生的误差。2.3.2管片上浮造成错台由于盾尾内的管片受到约束,而脱出盾尾的管片受到向上的浮力作用,管片环之间
10、产生剪力作用而错台。此类错台主要表现为竖向错台,隧道顶部、拱部错台量最大。目前的错台主要属于此类错台。2.3.3注浆偏压造成错台在进行管片背后二次补注浆,当压力过大时容易出现错台。国外曾经出现过在对K块进行管片背后二次补注浆时由于压力失控导致K块失落并伤人的事故。此类错台一般表现为局部管片块的向隧道内部错台。2.3.4其他原因造成错台管片选型不当,掘进操作不当,急纠偏,盾构姿态差等也会造成管片错台。2.4管片上浮产生的原因硬岩段是产生上浮的外部条件。由于硬岩段隧道围岩变形小,难以对上浮管片形成顶部约束,而软土层中洞周收敛快,限制了上浮。线路原因,下坡段导致管片上移。 下坡段盾构机推进千斤顶与水
11、平方向产生夹角(等于坡度),千斤顶对管片的推力存在竖向分力。按隧道28线路坡度,15000kN总推力计算,竖向分力约 有420kN。砂浆或地下水的浮力,流体浮力是普遍存在的,这是管片上浮最根本的原因。经计算,砂浆密度按1.6kg/cm3考虑,在浆液注满的情况下, 每环管片受到的浮力约678kN,而每环管片自重仅200kN,两者相差478kN,比较容易上浮。4针对质量问题采取的措施4.1加强管片本身生产质量控制,严格控制管片模具精度、混凝土配比及管片的养护过程;4.2施工管理方面:制订质量管理措施和质量办法,严格控制管片进场、运输、拼装引起的质量缺陷;4.3掘进过程中,控制好盾构机姿态,合理调整掘进参数,尽可能地降低掘进推力,各组千斤顶推力差值控制在一定范围,管片选型时尽量根据盾尾间隙来选择,推进过程中管片螺栓的拧紧必须达到设计要求;4.4同步注浆及二次注浆。掘进时,盾尾同步均匀注浆,为注浆饱满,保证盾尾尾刷质量,对由于地下水引起的上浮,在管片下部砂浆未固结前及时泄水,打开下部管片 注浆孔泄水。采用注双液浆做止水环,然后注浆充填,注浆过程中,严格控制注浆压力。这样可保证隧道具有良好的稳定性,解决上浮问题。图2.1管片拼装完成的地铁单线隧道