[分享]盾构衬砌施工
盾构法修建隧道常用的衬砌有预制装配式衬砌、挤压混凝土衬砌、预制装配式衬砌和模筑钢筋混凝土整体式衬砌相结合的复合式衬砌,其中以预制装配式衬砌采用得最多。因此这里只介绍预制装配式衬砌的施工
隧道预制装配式衬砌是采用预制管片,随着盾构推进,在盾构尾部盾壳保护下的空间内进行管片衬砌拼装,即在盾尾依次拼装衬砌环,由衬砌环纵向依次连接而成隧道的衬砌结构。预制管片的种类和型式很多,按预制材料分有铸铁管片、钢管片、钢筋混凝土管片、钢与钢筋混凝土组合管片;按结构型式分有平板型管片(图7-29)、箱型管片(图7-30)
通常根据衬砌结构受力及使用要求确定盾构衬砌型式及拼装方法,可区分为举重臂拼装或拱托架拼装。拱托架比隧道衬砌内径略小,呈半圆或稍大于半圆的弧形钢制构架,上有些滑轮,千斤顶、钢丝绳和卷扬机将管片牵引运到架子上面,再用千斤顶顶到设计位置。上述两种拼装又分别有通缝拼装(管片的纵缝环环对整齐)或错缝拼装(利用衬砌本身来传递圆环内力,一般环间错开1/2~1/3管片宽度)。管片接头一般可用螺栓连接。但有的平板型管片不用螺栓连接,而采用榫槽式接头或球铰式接头。这种不采用螺栓连接的管片也称砌块。管片衬砌环一般分标准管片、封顶管片和邻接管片三种,转弯处加楔形管片。
管片通缝拼装施工方便,但受力较差;错缝拼装较麻烦,但受力较好。管片拼装主要应解决管片或砌块的运送、就位、成环及作好衬砌防水等。为此,首先应做好准备工作和检查工作,如举重臂的安全检查、管片质量检查(检查外观、形状、裂纹、破损、止水槽有无异物、尺寸误差是否符合要求等)、拼装车架的配合、盾构底部的清洗、防止盾构拼装时的后退、有关材料(如螺栓、螺帽、垫圈及扳手)的准备等,并按预定位置放好,以提高拼装衬砌施工速度。
管片拼装方法按其程序可分为“先纵后环”和“先环后纵”两种。先纵后环程序是,管片按先底部、后两侧、再封顶的次序拼装,逐次安装成环,每装一块管片,对应千斤顶就伸缩一次。先环后纵程序是,管片依次安装成环后,盾构千斤顶一齐伸出,将衬砌环推向已完成的隧道衬砌,进行纵向连接。先环后纵法较少采用,尤其在推进阻力较大盾构后退的情况下更不宜采。
管片拼装结束后,应拧紧每个连接螺栓和检査安装好的衬砌环是否保圆,必要时用真圆保持器进行调整,以保证下一拼装工序顺利进行。盾构推进时的推力反复作用在临近几个衬砌环上,容易引起已拧紧的螺栓松动,因此必须对受推力影响消失的衬砌环进行第二次螺栓拧紧工作,以保证管片的紧密连接及防水要求。
一、衬砌防水
虽然国内外已建成大量地下工程和地铁隧道,也形成了较成熟的结构设计计算理论与工程实践体系,但是在隧道及地下工程的防水方面认识则相对落后。隧道经过含水量较高的地层(如上海地铁所处地层大多为饱和含水软粘土层),必将受到地下水的有害作用。如果没有可靠的防水、堵漏措施,地下水就会侵入隧道,影响其内部结构与附属管线,甚至危害到地铁的运营和降低隧道使用寿命。
1.漏水的原因
引起隧道渗漏水的原因主要是由防水材质不良或违反操作规程造成的,如在制作管片选定的混凝土的配合比、水泥用量、人模温度、浇捣顺序、养护时间和条件等环节上出现失误,表面出现收缩开裂;在吊装、运输、拼装过程中操作不当,造成管片丢角、损边,甚至出现贯穿性裂缝;拼装成隧道后,管片自动防水达不到设计要求的抗渗等级等实践证明,密封垫材料性能极大地影响接缝防水的效果,因此对它要有严格的控制要求。尤其是对防水功能的耐久性更应严格控制,要使密封垫能长时间保持接触面应力不松弛。
密封垫材料的主要物理力学性能指标有耐水性、耐动力疲劳性、耐干湿疲劳性、耐化学腐蚀性等,对水膨胀橡胶还要求能长期保持其膨胀压力。这些性能指标要与隧道施工和运营的情况、沉降变形、接缝开张度等相适应。有些厂家的产品性能不稳定,在施工过程中过早地受到水的浸泡,致使遇水膨胀性能受影响,从而影响止水效果。止水带制作安装误差和粘贴密合程度也影响材料的防水性能在施工中操作不当引起管片间缝隙产生渗漏的原因有多种,其结果都导致了止水带之间以及止水带与管片之间的粘结性和压应力不够,从而引起漏水。归纳为以下几点:
(1)在推进过程中,盾构与管片姿态不好会造成管片拼装困难,影响管片的拼装质量,致使管片间错位、有台阶差,相邻管片不在同一圆弧面上,因此减少了止水橡胶的有效止水面积。
(2)盾构与管片相对位置不好常常会使管片发生碎裂,发生止水带掉落现象,由于盾构推进的特殊性,不能很好地进行及时处理,使得相邻止水带不能正常吻合压紧,从而引起漏水。
(3)盾尾与管片之间间隙过大,盾尾密封失效引起漏浆,在处理过程中未能将管片上的泥浆清理干净,致使管片、止水带间夹有泥沙。
(4)管片间的对拉螺栓在拼装后,出于进度考虑,不等拧紧就向前推进,在一定程度上引起环缝的扩张(尤其在纠偏时),使得管片间呈松弛状态。
(5)在竖曲线推进或纠偏时加贴石棉楔子,相应地增加了环缝间隙。
(6)管片的制作精度误差,导致拼装环、纵缝间隙超过设计标准。
(7)压浆量不足引起隧道后期产生较大的沉降变形而漏水。
(8)手孔、螺栓孔、注浆孔等薄弱部位未加防水垫片,封孔施工质量差。
2.防水处理原则
在饱和含水软土地层中隧道的防水原则为:以防为主,多道防线,综合治理。所谓的综合治理是指不但要从防水的设计、施工着手,还要从衬砌的结构设计、管片拼装质量和控制隧道后期不均匀沉降等多方面进行综合治理。其中包括：
(1)衬砌接缝防水。
(2)管片自防水、管片外防水、螺栓密封、嵌缝止水的处理。
(3)管片制作的强度、精度、盾构施工拼装质量及其他现场管理等方面的综合治理
3.一次衬砌的止水措施
盾构法隧道渗漏水容易岀现在管片自身小裂缝、管片的接缝、注浆孔和手孔等处,其中以管片自身小裂缝和管片的接缝处渗漏水较多。因此,盾构法隧道防水主要是解决管片本身的防水和管片接缝的防水问题。
(1)管片结构的自防水。盾构法区间隧道在含水地层内,要防止地下水的渗入。首先要做到结构自防水。其主要方法是管片材料采用防水混凝土。防水混凝土是一种通过调整配合比,或者是掺入少量防水剂、减水剂、加气剂、密实剂、早强剂、膨胀剂等外加剂的途径来改善混凝土本身的密实性,补偿混凝土的收缩,增加抗裂性和抗渗性的混凝土。实际上混凝土强度等级越高,抗渗号越高,单位水泥用量越多,其结果是水化热增高,收缩量加大,从而导致裂缝的产生。因此必须合理地选择混凝土的强度等级、抗渗号和外加剂。
(2)提高管片的制作精度。对于装配式钢筋混凝土管片防水,根据国内外隧道施工实践,采用高精度钢模来提高管片精度是很重要的环节。如果衬砌管片制作精度差,加上衬砌拼装的累计误差,将会导致衬砌接缝不密贴而出现较大的初始缝隙,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。另外,衬砌制作精度不够时,衬砌容易在盾构推进时被顶碎和崩落,从而导致漏水。要生产出高精度的钢筋混凝土管片,就必须有一个高精度的钢模。
(3)管片外防水涂层。影响钢筋混凝土结构寿命的主要因素是钢筋的锈蚀。钢筋在混凝土的碱性环境中一般是不会生锈的,除非混凝土表面的碳化程度已达到保护层的厚度。埋设于地下的钢筋混凝土结构物,由于地下水中富含硫酸根或氯离子,会使混凝土本身受到损坏。所以管片的外防水涂层在很大程度上是必要的。
(4)管片接缝防水堵漏。管片接缝防水包括管片间的弹性密封垫防水、隧道内侧相邻管片间的嵌缝防水以及必要时向接缝内注浆等。其中弹性密封垫防水是最重要也是最可靠的,是接缝防水的重点。此时要考虑管片制作精度对接缝防水的影响,一般要求缝宽度不大于1.5cm。
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