【2017年整理】安宏斌《试论盾构旋转的成因及预防》.docVIP

试论盾构旋转的成因及预防 (作者：中铁十二局广深港狮子洋隧道技术主管 安宏斌) 摘要：文章通过工程实例对盾构机和管片发生旋转现象的原因及产生的不良影响进行深入地分析，提出了预防措施及纠正方法，以咨借鉴。 关键词：盾构管片 旋转 成因 预防 1、工程概况 某大直径泥水盾构隧道管片外径为10.8m，厚度为500mm，采用双楔型管片错缝拼装，采用“7+1”分块式的通用楔型环钢筋砼单层管片衬砌。 2、盾构管片旋转的不良影响 在泥水盾构推进过程中，受到盾构机刀盘扭矩的影响，盾构机自身发生扭转，拼装成环的管片拼装位置与设计值相比旋转了一定角度，给后续施工带来很大麻烦。正是因为在施工中发现隧道内污水在底部管片上流动痕迹发生变化，拼管片时发现千斤顶油缸撑靴在管片端面位置的变化，才发现管片已经发生了旋转，见图1所示。 图1 污水流向改变 2.1 管片旋转给洞内辅助设备的不良影响 由于隧道内的辅助设备（后配套拖车轨道、电瓶车轨道以及泥浆管）用连接件固定在管片的连接螺栓上，管片发生扭转后必然导致和电车轨道铺设不平整，影响设备的运行 图2 泥浆管加固位置变化 2.2 管片旋转给管片拼装带来了不便 管片发生旋转之后会产生不良现象，给盾构管片的拼装造成了一定盾构掘进施工时，产生了程度的扭转，局部扭转角度达1°，具体如图所示。由于管片扭转过大，致使管片选型的点位均发生变化，给管片的选型和拼装带来了一定的难度，影响了管片的拼装质量，也使后续台车架和电机机车轨道铺设不平整，影响了设备的运行。 盾构机刀盘旋转分正转及反转两种(即顺时针和逆时针旋转)，当电机带动刀盘顺时针或者逆时针旋转切削岩土时，岩土对刀盘产生逆时针方向的反力矩M岩，此时盾构机外壳与土体间的摩擦力对盾构机产生一反方向力矩M盾，以维持盾构机体平衡，如图所示。 图4 管片扭转力学示意图 ?⑴当M岩M盾静摩擦力矩M盾静(盾构机与盾构外壳与围岩间临界摩擦力矩值)时，盾构机体稳定，管片不会出现扭转趋势； ??⑵当M岩M盾静时，盾构机具有滚动的趋势，盾构机机体内的推进千斤顶会对管片产生一逆时针方向的扭矩，当管片自身稳定性及围岩或衬背已凝固的水泥浆对管片的摩阻力产生的反抗力矩M管片能抵抗这一力矩时，盾构机体及管片也都稳定，不会出现扭转趋势； ? 当M岩M盾静+M管片时，盾构机机体及管片均会产生逆时针方向的扭转。 ?从以上力学分析中，我们得知管片扭转最主要的原因是围岩未能提供足够的摩阻力来阻止盾构滚动的趋势而带动管片扭转。而导致围岩未能提供足够摩阻力的内在原因为：盾构刀盘左右旋转方向不均衡，刀盘总朝一个方向旋转；同步注浆效果不理想，造成围岩无法提供足够的摩擦阻力以约束管片的扭转；管片螺栓未足够紧固，故无法有效地传递力矩。以下再对其内在原因进行详细分析。.2刀盘正反转不均衡 图5 刮刀设计 当盾构机体及管片均具有滚动趋势时，刀盘顺逆旋转的不均衡将造成管片向某个方向的扭转大于另一方向的扭转，造成成型管片的扭转积累。均衡是指在盾构掘进过程中，刀盘正反转的时间基本一致，同时也要求刀盘正反转的扭矩基本一致，这样管片顺逆时针扭转的趋势也会一致。 掘进施工中，最初由于经验不足，刀盘总是朝着某个方向旋转，导致盾构机体滚动角度急剧增大，后续台车轨道也跟着倾斜，管片随其扭转了一定角度，造成后续台车出轨，严重影响盾构的掘进施工，后来我们在掘进施工中严格控制刀盘正反转时间和扭矩，有效地控制了管片扭转和后续台车的出轨现象。因此在盾构推进过程中，如扭矩较大则应尽量缩短刀盘的单向旋转时间，若某一环推进过程中未消除该情况对管片造成的扭转，且在每一环推进完毕后盾构机体滚动角均增大，则管片的扭转角将会叠加，使扭转程度变得更严重。 .3围岩未能给予管片足够的摩阻力 在较稳定的岩层中，由于围岩的拱效应作用，管片与围岩之间存在着一定的建筑空隙，需同步注浆进行填充并固结管片。但在基岩裂隙发育，地下水丰富地段，注浆效果往往较差，管片背填注浆液长时间未能有效凝固，或注浆量严重不足导致管片未能充分接触周围岩体，因此无法产生足够的摩阻力组织管片转动。管片扭转在种地层。 对于岩层较软弱的地段，盾构掘进开挖后形成的建筑空隙，由于地层的变形和沉降，即使同步注浆也无法有效凝结或注浆量严重不足，导致管片受变形沉降的土体所约束。此时，盾构机及管片扭转受到衬背、盾体外壳的土层所提供的摩阻力，故不易发生扭转。12°。 通过对施工过程中盾构机及管片扭转情况进行统计，也证实在软弱地段不易发生扭转，而在岩层自稳性较好且含水的地层段，管片发生扭转的现象较为普遍。 .4管片螺栓未足够紧固在管片拼装时，由于工人对管片连接螺栓未能足够