近年来随着城市地铁的开发建设,轨道交通的发展驶入快车道,而由于盾构施工的安全、环保、快速、可靠等优点,使其广泛应用于地铁区间隧道的修建中。作为盾构隧道主要支护结构的管片衬砌,是由螺栓连接形成的一个连续自持结构,在管片拼装过程中由于施工质量不佳以及外部荷载的作用,拼装完成的管片会出现不同程度的错台、张角、管片开裂等问题,本文针对不同位置、不同程度的环内片间错台、环间错台以及衬砌环拼装不圆等问题进行了研究,分析总结了以上问题对管片受力的影响及规律。管片螺栓作为盾构隧道的主要支护结构,含有很多接头部位,其既不是均质的,也不是连续体,计算模型比较复杂,常用的荷载结构模型有均质圆环模型、多铰圆环模型、梁-弹簧模型、壳-弹簧模型和块体模型。为研究错台和拼装椭圆度对管片内力的影响,更真实地模拟管片衬砌的纵向力学效应,本文建立了三维壳-弹簧模型,采用荷载-结构法,以壳单元模拟管片,以剪切弹簧单元和拉压弹簧单元模拟螺栓和管片间的接触,采用逆向思维对不同程度的管片错台、管片拼装椭圆度等工况进行了分析,主要研究内容如下:
  (1)利用三维壳-弹簧模型对管片衬砌的变形及内力进行分析,研究表明相邻两环的弯矩和轴力在隧道纵向上的分布并不一致。通过建立既有片间错台模型,对不同位置、不同程度的片间错台对管片内力的影响进行了研究,片间内错中拱腰部位的错台对管片受力更为不利,片间外错中拱底以及拱顶的错台对管片受力更为不利。总结了不同位置、不同程度的片间错台对结构受力的影响规律,验算结果表明在10 mm极限错台量下,片间内向错台裂缝宽度为0.157mm,片间外向错台裂缝宽度为0.196 mm,片间外向错台比内向错台更为不利。片间错台对相邻环的影响主要集中在错台附近位置,对相邻环受力的安全性影响不大。
  (2)建立既有环间错台模型,对拱顶、拱底和两侧拱腰四个不同位置的环间内向错台和外向错台对管片内力的影响进行了分析,研究表明在环间15 mm极限错台量下,拱顶内错对结构受力最为不利,左拱腰外错对结构受力最为不利,相较于错台靠近片间接头位置,错台位于管片拼装块中部时结构受力更为不利。极限错台量下,拱顶内错工况下裂缝宽度为0.187 mm,左拱腰环间外错工况下裂缝宽度为0.198 mm,逼近规范限值。分析了环间错台对相邻环的影响,研究表明相邻环上弯矩和轴力的分布变化明显,但数值上变化不大。
  (3)建立了四种不同衬砌环椭圆度的工况模型,根据计算结果,分析了不同椭圆度对管片环向应力、弯矩和轴力的影响。从数值上看,管片的环向应力、弯矩和轴力,均是随着衬砌环椭圆度的增大而增大,各椭圆度下管片弯矩和轴力的分布形式大致相同,但随着衬砌环椭圆度的增大,管片接头在衬砌环的不同位置表现出不同的特性。衬砌环椭圆度接近或超过规范要求的6‰时,在封顶块和邻接块之间可能会出现管片错台或者边角碎裂的现象,裂缝宽度达到0.195 mm,接近规范限值。
  (一)管片螺栓拼装方法
  1.拼装成环方式
  盾构推进结束后,迅速拼装管片成环。除特殊场合外,大都采取错缝拼装。在纠偏或急曲线施工的情况下,有时采用通缝拼装。
  2.拼装顺序
  一般从下部的标准(A型)管片开始,依次左右两侧交替安装标准管片,然后拼装邻接(B型)管片,安装楔形(K型)管片。
  3.盾构千斤顶操作
  拼装时,若盾构千斤顶同时全部缩回,则在开挖面土压的作用下盾构会后退,开挖面将不稳定,管片拼装空间也将难以保证。因此,随管片拼装顺序分别缩圆盾构千斤顶非常重要。
  4.紧固连接管片螺栓
  先紧固环向(管片之间)连接螺栓,后紧固轴向(环与环之间)连接螺栓。采用扭矩扳手紧固,紧固力取决于螺栓的直径与强度。
  5.楔形管片螺栓安装方法
  楔形管片安装在邻接管片之间,为了不发生管片损伤、密封条剥离,必须充分注意正确地插入楔形管片。为方便插入楔形管片,可装备能将邻接管片沿径向向外顶出的千斤顶,以增大插入空间。
  拼装径向插入型楔形管片时,楔形管片有向内的趋势,在盾构千斤顶推力作用下,其向内的趋势加剧。拼装轴向插入型楔形管片时,管片后端有向内的趋势,而前端有向外的趋势。
  6.连接螺栓再紧固
  一环管片拼装后,利用全部盾构千斤顶均匀施加压力,充分紧固轴向连接螺栓。
  盾构继续掘进后,在盾构千斤顶推力、脱出盾尾后土(水)压力的作用下衬砌产生变形,拼装时紧固的连接螺栓会松弛。为此,待推进到千斤顶推力影响不到的位置后,用扭矩扳手等,再一次紧固连接螺栓。再紧固的位置随隧道外径、隧道线形、管片种类、地质条件等而不同。
  (二)真圆保持
  管片拼装呈真圆,并保持真圆状态,对于确保隧道尺寸精度、提高施工速度与止水性及减少地层沉降非常重要。
  管片环从盾尾脱出后,到注浆浆体硬化到某种程度的过程中,乡采用真圆保持装置。
  (三)管片拼装误差及其控制
  管片拼装时,若管片间连接面不平行,导致环间连接面不平,则拼装中的管片与已拼管片的角部呈点接触或线接触,在盾构千斤顶推力作用下,发生破损(见图1K413033-2)。为此,拼装管片时,各管片连接面要拼接整齐,连接螺栓要充分紧固。
  另外,盾构掘进方向与管片环方向不一致时,盾构与管片产生干涉,将导致管片损伤或变形。伴随管片宽度增加,上述情况增多。为防止管片损伤,预先要根据曲线半径管片图1K413033-2管片环间连接面不平状况示意图与管片宽度对适宜的盾构方向控制方法进行详细研究,施工中对每环管片的盾尾间隙认真检测,并对隧道线形与盾构方向严格控制。在盾构与管片产生干涉的场合,必须迅速改变盾构方向、消除干涉:
  盾构纠偏应及时、连续,过大的偏斜量不能采取一次纠偏的方法,纠偏时不得损坏管片,并保证后一环管片的顺利拼装。
  (四)楔形环的使用  ‘
  在盾构工程中,除曲线施工外,为进行蛇行修正,也可使用楔形环管片。
  四、注浆控制
  注浆是向管片与围岩之间的空隙注入填充浆液,向管片外压浆的工艺,应根据所建工程对隧道变形及地层沉降的控制要求选择同步注浆或壁后注浆,一次压浆或多次压浆,由计划到施工的流程如图1K413033-3所示。
  (一)注浆目的.
  管片拼装完成后,随着盾构的推进,管片与洞体之间出现空隙。如不及时充填,地层应力得以释放,而产生变形。其结果发生地面沉降,邻近建(构)筑物沉降、变形或破坏等。注浆的主要目的就是防止地层变形,还有其他重要目的,具体如下。
  1.抑制隧道周边地层松弛,防止地层变形。
  2.及早使管片环安定,千斤顶推力平滑地向地层传递。作用于管片的土压力平均,能减小作用于管片的应力和管片变形,盾构的方向控制容易。
  3.形成有效的防水层。
  (二)注浆材料的性能
  一般对注浆材料的性能有如下要求:    ’
  1.流动性好;
  2.注入时不离析;
  3.具有均匀的高于地层土压的早期强度;
  4.良好的充填性;
  5.注入后体积收缩小;
  6.阻水性高;
  7.适当的黏性,以防止从盾尾密封漏浆或向开挖面回流;
  8.不污染环境。
  (三)一次注浆
  一次注浆分为同步注浆、即时注浆和后方注浆三种方式,要根据地质条件、盾构直径、环境条件、注浆设备的维护控制、开挖断面的制约与盾尾构造等充分研究确定。
  1.同步注浆.
  同步注浆是在空隙出现的同时进行注浆、填充空隙的方式,分为从设在盾构的注浆管注入和从管片注浆孔注入两种方式。前者,其注浆管安装在盾构外侧,存在影响盾构姿态控制的可能性,每次注入若不充分洗净注浆管,则可能发生阻塞,但能实现真正意义的同步注浆。后者,管片从盾尾脱出后才能注浆,为与前者区别,可被称作半同步注浆。
  2.即时注浆
  一环掘进结束后从管片注浆孔注入的方式。
  3.后方注浆  ’
  掘进数环后从管片注浆孔注入的方式。    ’+
  一般盾构直径大,或在冲积黏性土和砂质土中掘进,多采用同步注浆;而在自稳性好的软岩中,多采取后方注浆方式。
  (四)二次注浆    .,
  二次注浆是以弥补一次注浆缺陷为目的进行的注浆。具体作用如下:
  1.补足一次注浆未充填的部分;
  2.补充由浆体收缩引起的体积减小;
  3.以防止周围地层松弛范围扩大为目的的补充。
  以上述1、2为目的的二次注浆,多采用与一次注浆相同的浆液;若以3为目的,‘多采用化学浆液。
  (五)注浆量与注浆压力
  注浆控制分为压力控制与注浆量控制两种。压力控制是保持设定压力不变,注浆量变化的方法。注浆量控制是注浆量一定,压力变化的方法。一般仅采用一种控制方法都不充分,应同时进行压力和注浆量控制。
  1.注浆量
  注浆量除受浆液向地层渗透和泄漏外.还受曲线掘进、超挖和浆液种类等因素影响,不能准确确定。一般采用以下方法确定。
  按下式计算注浆量Q:
  o=v×口
  V=7c(D~ - Dg)×vl4式中V-计算空隙量;
  铲一注入率;
  D。——开挖外径;
  Do-管片外径;
  矿一掘进速度。
  注入率口是根据浆液特性(体积变化)、土质及施工损耗考虑的比例系数,基于经验确定。
  2.注浆压力
  注浆压力应根据土压、水压、管片螺栓强度、盾构形式与浆液特性综合判断决定,但施工中通常基于施工经验确定。
  从管片注浆孔注浆,注浆压力一般取l00—300kNlm2 (l~3kg/cm2),或间隙水压+200kN/m2左右。
  注浆量与注浆压力要经过一定的反复试验,确认注浆效果、对周围地层和建(构)筑物的影响等,并在施工中进行一定范围内的效果确认,反馈其结果指导施工。