海相饱和软土地层盾构管片开裂分析及处治

李国栋

(中铁一局集团有限公司，陕西 西安 710054)



海相饱和软土地层盾构管片开裂分析及处治

李国栋

(中铁一局集团有限公司，陕西 西安 710054)

管片是盾构法隧道施工中的重要装配构件，影响到隧道施工及后期运营的安全性。文章以宁波轨道交通1号线世纪大道-海晏北路区间隧道管片为对象，分析了在海相高流变饱和软土地层修建盾构隧道过程中管片开裂的现象及规律，并结合数值分析揭示了管片开裂部分原因，提出了控制管片开裂的相应措施，可为类似地层条件下的盾构掘进及管片开裂处治提供参考。

海相饱和软土；盾构隧道；管片开裂；控制措施

0 引言

随着我国经济的蓬勃发展，城市地铁的修建方兴未艾。目前，大部分城市地铁采用盾构法修建，在盾构法隧道施工中，管片是主要的装配构件。盾构管片承担了来自地层的水土压力，影响到盾构隧道的安全施工及运营。同时，在隧道修建过程中管片容易碰到各种问题而开裂。目前，国内许多学者对不同地层盾构管片开裂问题进行了大量研究。吴坤[1]等结合北京地铁大兴线黄—义

区间盾构隧道进行了研究，探讨了北京地铁盾构管片的开裂原因，并给出了相应的处理措施。徐军[2]从千斤顶推力、管片环面平整度、千斤顶撑靴角度、线型拟合程度方面进行了管片开裂机理分析。竺维彬[3]等结合广州地铁铁二号线市二宫-江南盾构区间隧道分析了广州地铁盾构管片开裂的原因，并提出了相应的控制措施。农兴中[4]从地质原因、注浆、先施工盾构管片对后期施工管片影响的角度分析了盾构管片开裂原因，并给出了针对性的处治措施。

在修建宁波地铁的过程中，同样遇到了管片开裂的情况，本文结合宁波轨道交通1号线世纪大道-海晏北路区间隧道进行了宁波特有海相高流变饱和软土地层盾构管片开裂原因分析，并给出了施工解决措施。

1 工程概况

1.1 水文地质概况

拟建场地第四系地层发育，厚度较大，且层位较稳定，从中更新世至全新世地层发育齐全。主要成因类型有河流相、河湖相及海相等，从老到新是由一套陆相堆积～海陆交替堆积～海相堆积地层组成。

本标段区间穿越的地层主要为②2-1层淤泥，土质不均，局部为淤泥质粘土，呈流塑状，高压缩性，高灵敏度；②2-2淤泥质粘土，土质不均，局部为淤泥，呈流塑状，高压缩性，高灵敏度；③1粉砂，土质不均，夹粘性土，局部较多，中压缩性；③2粉质粘土加粉砂，土质不均，夹薄层粉砂，局部粉性较重为粘质粉土，呈软塑状，中压缩性。

拟建场地沿线地表水丰富，主要水源为奉化江。地下水由浅部土层中的潜水、砂性土中的微承压水及深部粉(砂)性土层中的承压水组成，补给来源主要为大气降水与地表径流，排泄方式主要以蒸发方式排泄。

勘察期间实际测得的地下水初见水位埋深为1.2～3.6 m，相对应的高程为-1.01～1.52 m；稳定水位埋深为0.7～1.95 m，相对应的高程为1.13～2.10 m。

1.2 管片设计概况

文中盾构区间采用的是预制钢筋混凝土管片，管片外径6 200 mm，内径5 500 mm，宽1 200 mm，厚3 50 mm。每环管片纵向共16只M30螺栓，环向共12只M30螺栓。按照隧道埋深不同，管片配筋相应有差别，按照隧道埋深不同将管片分为P1、P2、P3三类，即浅埋、中埋、深埋环，浅埋覆土厚度h≤11m，中埋11m

管片端面环缝采用凹凸榫槽结构，纵缝采用平面式，衬砌间连接件采用双头弯螺栓，连接件采用锌基铬酸盐涂层+抗碱涂层处理。衬砌纵、环缝防水采用多孔特殊断面的三元乙丙橡胶弹性密封垫，外侧加贴遇水膨胀止水条，形成双道防水。为避免管片拼装时因应力集中而破坏，在管片环缝设传力衬垫。管片设计如图1所示。

图1 管片设计图

2 管片开裂情况

海福区间右线部分管片的内弧面出现开裂现象。经过现场调查、统计、分析，并结合具体施工实际、地层及设计情况，归纳出管片开裂主要表现为三种形式。

2.1 隧道管片凹槽侧内弧面环向开裂

(1)主要是位于背向千斤顶的凹槽侧内弧面的环向裂缝。

(2)此种开裂数量占全部总开裂数量的95%以上。

(3)盾构机姿态不好、转弯、变坡等情况时开裂严重。

(4)盾构机姿态与管片姿态相互间有恶化趋势且超限不严重时，管片90%以上出现在脱出盾尾后1～3环开裂；当盾构机姿态与管片姿态相互间已经恶化且超限严重时，管片位于盾尾内开裂和位于盾尾外开裂各占50%。

(5)管片发生开裂后，初始时缝隙较小，推进几环后开缝变大，如图2所示。

2.2 隧道管片凸榫侧内弧面环向开裂

(1)主要是位于迎向千斤顶的凸榫侧内弧面的环向裂缝。

(2)裂缝主要出现在缓和曲线与圆曲线变化的转弯侧。

(3)裂缝开裂范围较小。

(4)主要是推进过程中发生开裂，往往在每环掘进出0.4m时开裂，如图3所示。

2.3 隧道管片内弧面纵向开裂

(1)主要是位于迎千斤顶侧管片内弧面的纵向裂缝。

(2)开裂长度>15cm时，往往伴有渗水现象。

(3)一般在盾构机姿态与管片姿态相互间已经恶化且超限严重时纵向裂缝才出现，如图4所示。

图2 隧道管片凹槽侧内弧面环向开裂示例图

图3 隧道管片凸榫侧内弧面环向开裂示例图

图4 隧道管片内弧面纵向开裂示例图

3 管片开裂原因分析

盾构机掘进过程中管片开裂现象的出现，降低了盾构掘进施工的效率、施工及后期运营期间的安全性。为了减少管片开裂，更高效、更安全地修建隧道，本文对宁波海相高流变饱和软土地层盾构掘进过程中管片开裂原因进行了分析。

3.1 盾构机掘进姿态

在宁波地层情况下，盾构机掘进土层流塑性大，灵敏性高且地层软弱无法给盾构机提供足够的约束力，导致盾构机在掘进过程中出现一定程度的上浮，使得盾构机掘进姿态与管片姿态不相吻合。在盾构机推进过程中，造成盾构机推进油缸千斤顶与管片横断面不垂直接触，产生径向分力。同时，由于盾尾间隙偏小，盾构机盾尾对管片产生挤压，导致管片出现开裂。

3.2 管片拼装原因

管片拼装过程中若出现错缝或开缝，那么组装中的管片和已组装好的管片的角部就可能呈点接触或线接触，如图5所示。这些地方一旦承受千斤顶的压力就会发生残缺或开裂，当盾构机的方向与管片的方向产生差异时，会出现盾构机与管片挤压的现象，导致管片的损伤或变形，管片宽度越大这种现象的发生率就越高。

图5 管片间点接触、管片与盾构机挤压示意图

3.3 管片自身上浮

管片脱出盾尾过程中因自身上浮时存在错台趋向，先拼管片凸榫对新拼管片凹槽产生径向剪切；当盾构机油缸千斤顶对后拼管片施加推力进行盾构掘进时，先拼管片凹槽侧发生开裂。

如果在管片拖出盾尾后，同步注浆浆液凝固时间长，管片就会出现上浮现象。根据工程情况和施工质量，将会产生不同程度上浮，理论上浮最大极限值为8～12cm，连续推进和加快注浆凝固时间与浆液粘稠度可以减缓管片上浮量。

3.4 千斤顶顶推力作用

由于地层原因，宁波地铁盾构隧道管片受到很大的浮力。在千斤顶顶推力与浮力的共同作用下容易使管片开裂。

根据管片衬砌在顶推力和浮力作用下的作用性态，采用ABAQUS对管片结构进行受力分析，研究结构在顶推力和浮力共同作用下裂缝的形成和发展过程。

研究对象选择单块管片结构，选择典型断面设定管片结构所承受的浮力，同时，改变作用在结构上的顶推力，研究不同顶推力作用下管片结构裂缝的形成和发展，研究结果为：顶推力45% 时，裂缝宽度达到3mm；顶推力60% 时，裂缝宽度达到12mm；顶推力70% 时，裂缝宽度达到18mm；顶推力80%时，裂缝宽度达到24mm；顶推力90%时，裂缝宽度达到30mm；顶推力95% 时，裂缝宽度达到33mm；顶推力100%时，裂缝宽度达到36mm。由此可见，管片结构在承受一定浮力作用下，增大顶推力将会导致管片结构裂缝的进一步形成和发展。由于盾构机掘进姿态调整的需要，在掘进过程中可能会增大千斤顶上下推力，导致管片开裂增多。因此，在盾构机掘进过程中应合理选择千斤顶顶推力，在保证掘进效率的同时减少管片开裂。

4 管片开裂控制措施

在管片出现开裂之后，采取了一系列措施防止后续施工中管片再次开裂。采取的主要措施如下：

4.1 纠偏施工

纠偏施工应先以调整盾构机姿态为主。施工中遵循勤纠、少纠，每环纠偏量≤5mm，并根据盾构机姿态、设计线路、管片点位，制定详细的纠偏计划，为施工过程提供理论依据。

遇到设计线路线形发生变化时，提前参考盾构机推进姿态，制定详细计划，模拟盾构后续掘进，保证不因设计线路线形的改变，而引起盾构机掘进时自身姿态、管片姿态与线路线形无法拟合。

4.2 管片拼装控制

做好管片拼装选点工作，提高管片拼装质量，避免管片拼装错台现象出现。纠偏过程中，及时调整管片楔形量，保证每环管片上超前量控制在60mm，确保纠偏过程中管片与盾构机姿态相互吻合。盾构机姿态正常掘进时严格控制每环行程差在20mm以内。纠偏过程中行程差控制在30mm以内，行程差>40mm时，及时进行调整。

在拼装管片时将管片向外喇叭趋势拼，这样有利于下一环的拼装，且不会因为预留F块空间不够，造成邻接管片破损。

4.3 同步注浆

改善同步注浆浆液强度，控制浆液初凝时间在3～4h以内，保证脱出盾尾管片稳定性，并在管片拖出盾尾第6环时，注双液浆，缩短浆液凝固时间，增加管片在地层中的稳定性，防止因管片浮动发生错动而造成管片开裂。

4.4 盾构机推力控制

盾构机推进过程中，调节油缸分区油压，根据实际推进情况改变盾构机顶推力，在盾构机姿态受控的同时尽量减小盾构机顶推力以减少管片开裂。

4.5 管片质量控制

采用凹槽处保护层已设置抗剪钢筋的管片，提高管片自身抗剪能力，控制管片开裂情况发生。将原1.5 mm丁腈软木橡胶垫片增加至3 mm，加强管片凹凸榫槽位置缓冲，预防管片开裂现象。

5 结语

本文结合工程实际，对宁波海相高流变饱和软土地层盾构隧道管片开裂现象进行分析，得出了管片开裂的原因，并据此进行施工方法的改善。最终，控制住了管片开裂。

针对施工过程中出现的管片开裂等情况，本文分析认为，管片开裂主要与管片上浮、盾构机上浮造成管片受力的变化有关。由于管片上浮情况严重，导致管片拼装过程中或拼装完成后受到径向分力，同时管片还受千斤顶反推力的径向分力。为了避免管片出现开裂等情况，研究认为施工过程中可以通过采取纠偏施工、管片拼装控制、同步注浆、盾构机推力控制、管片质量控制等方法进行控制调整。

[1]吴 坤，栾文伟.盾构法施工中隧道管片开裂原因分析及应对措施[J].市政技术，2011(2)：93-95.

[2]徐 军.盾构管片开裂原因分析及应对措施[J].交通标准化，2009(13)：184-186.

[3]竺维彬，鞠世健.盾构隧道管片开裂的原因及相应对策[J].现代隧道技术，2003(1)：21-25.

[4]农兴中.盾构隧道开裂管片计算分析与加固设计[J].城市轨道交通研究，2011(4)：29-33.

Shield Tube-sheet Cracking Analysis and Treatment of Marine Saturated Soft Soil Layer

LI Guo-dong

(China Railway First Group Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi，710054)

Tube sheet is the important assembly component for tunnel construction by shield method，af-fecting the safety of tunnel construction and subsequent operation.Taking the tunnel tube sheet in Centu-ry Avenue-Haiyan North Road range of Ningbo Rail Transit Line 1 as the object，this article analyzed the tube sheet cracking phenomena and laws during shield tunnel construction in marine high-flow saturated soft soil layer，revealed some reasons of tube sheet cracking in combination with numerical analysis，and proposed the appropriate measures to control the tube sheet cracking，which can provide the ref-erence for the shield tunneling and tube sheet cracking treatment under similar stratum conditions.

Marine saturated soft soil；Shield tunnel；Tube sheet cracking；Control measures

李国栋(1986—)，男，助理工程师，主要从事地铁土建施工工作。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.010

1673-4874(2015)01-0043-04

2014-12-05