小半径曲线隧道盾构管片质量问题分析及对策★

陈云峰 张庆丰 吴起星

(1.中交隧道工程局有限公司盾构工程公司，北京 100102; 2.暨南大学力学与建筑工程学院，广东 广州 510632)



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小半径曲线隧道盾构管片质量问题分析及对策★

陈云峰1张庆丰1吴起星2*

(1.中交隧道工程局有限公司盾构工程公司，北京 100102; 2.暨南大学力学与建筑工程学院，广东 广州 510632)

以南宁轨道交通1号线某盾构区间小半径曲线段隧道施工为例，分析了小半径曲线段管片错台、破裂、渗漏等质量问题的产生原因，并从盾构选型、管片选型、掘进参数、注浆参数等方面，提出了相应的解决对策，可供类似盾构工程施工借鉴和参考。

盾构隧道，盾构施工，小半径曲线，管片质量

0 引言

盾构法施工具有掘进快速、施工安全、对环境影响小等优点，已广泛应用于城市地铁、公路、水利、电力等隧道工程施工中[1]，当前综合管廊、深层隧道排水系统的建设也在采用盾构工法。由于受规划、建(构)筑物等的制约，隧道线路设计往往采用小半径隧道线形来适应这种限制。盾构机掘进施工要求其姿态符合设计线路，但在小半径曲线段很难实现，往往会造成错台、破裂、渗漏等管片质量问题[2-5]。下面将以南宁轨道交通1号线某盾构区间小半径曲线段的盾构施工为例，分析盾构管片质量问题产生的原因及采取的应对措施。

1 工程概况

南宁轨道交通1号线某盾构区间左线小半径曲线段圆曲线半径R=330 m，长671.305 m，占区间总长53.6%；右线小半径曲线段圆曲线半径R=340 m，长689.830 m，占区间总长54.2%。盾构机选用土压平衡式盾构，开挖直径6.28 m，主机总长9.156 m，水平最小转弯半径R=250 m。盾构管片强度等级为C50，抗渗等级为P12；外径6.00 m，内径5.40 m，厚300 mm，环宽1.5 m；每环管片由3块标准块、2块邻接块和1块封顶块共6块构成，其中楔形环的楔形量为38 mm，楔形角为0.362 9°。盾构机掘进穿越地层主要为泥质粉砂岩、粉砂岩⑦2-3层和泥岩、粉砂质泥岩⑦1-3层，其天然单轴抗压强度平均值分别为3.0 MPa和3.5 MPa，属极软岩。隧道埋深为6.0 m～20.2 m。

2 小半径曲线隧道盾构管片质量问题分析

2.1 小半径曲线隧道盾构管片质量问题

盾构机在小半径曲线段掘进施工，根据该段管片检查的结果统计，管片缺陷类别主要表现为破裂、渗漏和错台三种形式，左右线管片的缺陷率分别为36.4%，31.7%，明显高于全线平均值。可见，小半径曲线段管片质量控制是提高盾构施工管片拼装质量的难点与关键。

2.2 小半径曲线隧道盾构管片质量问题原因[6,7]

1)管片错台。盾构管片错台包括径向错台、环向错台和纵向错台，引起的原因主要有如下几种：

a.掘进引起错台。通常情况下，盾构机壳体与管片间存在50 mm～150 mm的盾尾间隙，当盾构机运动轴线与管片轴线不重合时管片可能受到盾构壳体挤压力作用而产生错位，如图1所示。b.管片制造、拼装时引起错台。由于管片制造尺寸有误或拼装时管片间存在高差而引起错台。c.注浆压力过大引起错台。盾尾间隙需采用浆液填充，注浆过程中注浆压力不均匀引起压力过大往往会造成盾构管片发生错台，乃至开裂。d.管片拼装操作不当引起错台。管片安装时，盾尾残渣清理不彻底、管片内环面平整度未调整好、管片螺栓未按要求复紧等不当操作均可能造成管片错台。e.管片上浮或下沉引起的错台。由于隧道产生上浮或下沉，部分管片向上或向下位移，而其他管片由于周围约束较大又限制了其错动，那么在错动与没有错动的管片之间势必产生错位而形成错台。

2)管片破裂。此处管片破裂主要指盾构施工过程造成的破损，表现为管片混凝土崩裂、崩角、崩边及裂缝等外观缺陷，其原因主要有如下几种：

a.推力与油缸行程差过大。盾构机在小半径曲线段掘进过程中，整体的推力面和管片的平面存在夹角而产生侧向分力，油缸形成差越大则其值也越大，该力使管片侧向移动形成错台，进而造成管片错台碎裂。b.盾尾间隙过小。盾构机进入小半径曲线段后，因测量误差累积，盾构后续推进过程一直处于纠偏状态，导致盾尾间隙变小，管片在出盾尾处所受到的盾尾密封刷挤压力较大，导致管片出现错台崩裂。c.推进油缸靴靶作用力。盾构机在小半径曲线段掘进时，内外侧推进油缸受力悬殊，管片局部承受过大的反推力可能引起管片错台破损，推进油缸靴板破坏管片的发生概率高于非小半径曲线段。d.管片拼装操作不当。管片拼装不当操作包括管片环面之间及相邻两块管片间接触面未达到理想平行状态而强行操作、封顶块强行顶入、封顶块两侧未涂刷润滑剂等，这些操作不当可能导致管片角部或接缝处发生破碎现象。

3)管片渗漏。管片渗漏指管片接缝、螺栓孔、注浆孔及管片裂缝处出现漏水质量缺陷。根据渗漏部位的不同，渗漏原因分述如下：

a.管片接缝渗漏。管片拼装质量不好，接缝中有杂物或局部缝隙太大，使止水条无法满足密封要求；盾构掘进过程中，纠编过大，所粘贴楔子垫块厚度超过止水条的有效作用范围；止水条粘贴质量不好，使止水条在拼装时松脱或变形，无法达到止水作用。b.螺栓孔渗漏。由于未加防水胶圈、螺栓未拧紧及防水胶圈与管片接触面之间有杂物等原因，引起螺栓孔部位出现的漏水管片质量问题。c.注浆孔渗漏。管片吊装引起注浆孔周边混凝土剥蚀或兼作泄水孔的注浆孔封堵不密实均可能导致注浆孔发生漏水。d.裂缝渗漏。管片制作养护不当造成管片出现气孔和龟缩裂缝、盾构千斤顶推力过大引起管片出现通缝、盾构机姿态控制不好造成管片裂缝等均可能导致管片发生裂缝渗漏。

3 小半径曲线隧道盾构管片质量问题对策[6-8]

小半径曲线段盾构施工管片出现质量问题的概率较其他地段高得多，基于前述管片缺陷原因，采取相应对策。

3.1 盾构选型合理

盾构掘进轴线应尽量与隧道轴线重合，选择具有铰接的盾构机，可有效地减少刚体长度，让盾构机在小半径曲线段实现灵活调姿、高质量转弯。盾构机刀盘应设置超挖刀，以便转弯时通过两边扩挖而形成满足净空增大要求的孔洞。

3.2 管片选型合理

为保证盾构机在小半径曲线段推进油缸各组间行程差最小及降低已安装管片所受靴板作用力，必须严格控制管片选型，综合考虑地质情况、线路特点、盾构机千斤顶行程差、盾尾间隙、管片点位及其楔形量等诸因素，合理选择管片类型及拼装点位，将管片在盾构内居中拼装，保证均匀的盾尾间隙和千斤顶行程，使管片不与盾壳相碰。同时，根据隧道轴线及掘进实际情况，可在小半径曲线段适当安装转弯环。

3.3 掘进参数合理

1)盾构姿态要控制好。

盾构机操作员应依据地质情况和隧道线形，进行推进油缸分区操作并设定掘进推力和速度，实时控制盾构姿态，避免后续不良姿态引起的纠偏。如盾构机进入小半径曲线段掘进前，预留一定偏移量(一般30 mm～50 mm)以抵消部分管片偏移量。当管片楔形量不能满足纠偏需要时，可在管片上加贴不同厚度的橡胶石棉垫使其满足需要。

2)油缸推力尽量小。

在小半径曲线段，盾构司机需控制好左右两侧油缸的推力差且总推力不宜过大，以实现慢速急转及减小盾体横向偏移的不利影响。曲线段每环施工采用分段掘进方式，如1.5 m环段每掘进50 cm停机一次，先让所有推进油缸收回复位，然后将所有油缸靴板顶在管片上继续掘进，以消除侧向力，降低管片被挤坏的概率。

3)纠偏方式合理。

盾构掘进实际为蛇行推进，不可避免会出现姿态偏差现象，故盾构蛇行修正应采用长距离的滚动纠偏、垂向纠偏或水平向纠偏等方式缓慢进行盾构姿态调整(纠偏)。盾构纠偏过程中应保持盾构姿态不应有突变，运动轨迹尽量平顺；以盾尾间隙控制为主，线形控制为辅；盾构掘进过程中一次纠编不能过大，即推进油缸行程差不能过大，应控制在50 mm左右。

4)土仓压力控制合理。

在小半径曲线段掘进时，根据地质环境条件设置合适的土仓压力，最大程度减小地层扰动和维持掌子面稳定，以防止坍塌。

3.4 注浆参数合理

管片注浆时要求多个方向同时均匀注入、控制好注浆压力，尤其是管片背后二次补浆时要控制好注浆压力，防止单块(环)管片受力过大而产生错位。合理调整盾构回填浆液的凝固时间，保证脱出盾尾的管片尽早产生约束，以限制管片错位空间。小曲线段注浆压力必要时可在曲线外侧补注双液浆，防止浆液向土仓倒流。管片注浆口的注浆压力宜控制在0.1 MPa～0.3 MPa，不宜大于0.5 MPa；最佳注入时期应在盾构机推出的同时或推进后立即注入，应完全填充盾尾间隙，注入量为盾尾间隙的1.5倍～2.0倍。

3.5 其他对策

1)加强管片质量管理。

加强管片生产和进场验收的管理，杜绝问题管片进入隧道拼装；管片拼装按照规范要求拼装，避免拼装错台；管片修补必须按照规范进行并做好修补后的检查和养护；在搬运过程中轻吊慢放，吊放管片采用专用尼龙吊带；管片堆放层数不要超过设计要求。

2)做好管片螺栓拧紧工作。

采用初拧和复拧方式，两种方式的拧紧顺序应一致，即先中间螺栓后周围螺栓。当管片脱离盾构尾部后，须对管片连接螺栓及时进行二次紧固，盾尾脱出盾尾10环后进行三次复紧或多次复紧。

3)做好管片修复工作。

严格按照规范要求及时进行修补破损管片，运输过程引起的管片损坏要求在贴止水条前修复好；掘进或拼装过程中造成的管片损坏应原地修补，以保护止水条。

4 结语

以南宁轨道1号线某盾构区间小半径曲线段的盾构施工为例，统计表明小半径曲线段盾构隧道管片主要存在错台、破裂、渗漏等管片质量问题，分别分析了产生这些管片缺陷的原因，并从盾构选型、管片选型、掘进参数调整、注浆参数控制等方面采取相应对策，可供类似工程参考借鉴。

[1] 戈志强.小曲线半径盾构施工技术总结[J].建筑机械化,2012,33(S2):55-57.

[2] 嵇 彭.小曲线半径隧道无铰接盾构施工技术[J].施工技术,2013,42(13):79-81.

[3] 刘建卫，孟江锋.无锡轨道交通盾构小半径曲线施工技术[J].施工技术,2010,39(5):9-11.

[4] 李 翔.小半径曲线盾构掘进时管片破损分析[J].现代城市轨道交通,2006(6):47-48.

[5] 秦建设，朱 伟，陈 剑.盾构姿态控制引起管片错台及开裂问题研究[J].施工技术，2004(10):25-27.

[6] 刘建国.深圳地铁盾构隧道技术研究与实践[M].北京:人民交通出版社,2011.

[7] 乐贵平.盾构工程技术问答[M].北京:人民交通出版社,2013.

[8] 裴 建.小曲线转弯半径盾构施工中管片质量控制技术[J].中国公路，2016(7):134-135.

Problem analysis and countermeasures of segment quality in shield tunnel with small radius curve★

Chen Yunfeng1Zhang Qingfeng1Wu Qixing2*

(1.ShieldEngineeringCompany,CCCCTunnelEngineeringCompanyLimited,Beijing100102,China；2.CollegeofMechanicsandConstructionEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,China)

Taking curve tunnel construction in small radius of a shield interval in Nanning metro line one as an example, the main quality problems such as step, crack, and leakage existed in lining segments of the small radius curve tunnel are pointed out, the causes of these segment defects are analyzed, the corresponding countermeasures from the aspects of type selection of shield, segment selection, shield tunneling parameters, grouting parameters and so on are put forward, which can provide

for similar shield project construction.

shield tunnel， shield construction， curve in small radius， segment quality

1009-6825(2016)30-0161-03

2016-08-14★：中国交通建设股份有限公司科研资金资助项目(项目编号：2013-ZJKJ-17)；广东省自然科学基金资助项目(项目编号：2016A030313095)

陈云峰(1977- ),男，高级工程师； 张庆丰(1990- )，男，助理工程师

吴起星(1972- ),男，博士，副教授

U455.42

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