高海拔双护盾TBM公路隧道管片破损模式及原因分析

殷金稳

(珠海城市建设集团有限公司，广东珠海 519002)

随着“一带一路”、西部大开发战略的实施，隧道工程建设逐渐向西部深埋山岭地区发展。西部山岭隧道具有地质条件复杂、施工条件环境恶劣等特点，因此具有机械化程度高、施工速度快优势的双护盾TBM施工技术在深埋隧道修建过程中越来越多地被应用[1-3]，其工法也将是未来深埋山岭隧道修建的主流工法之一。

双护盾TBM工法中管片结构作为隧道的永久支护结构，其安全与否直接关系到隧道结构耐久性和使用寿命。然而，由于围岩作用、施工技术水平等原因，双护盾TBM施工过程中管片结构破损、开裂等情况日益增多，严重危害了隧道结构安全性[4]。

针对双护盾TBM管片结构开裂、破损问题，国内外相关学者进行了深入地研究，取得了丰富的研究成果。宋书显[5]总结分析了现场管片设计、施工及养护等过程中造成管片产生裂缝的原因；叶飞[6]分析了盾构掘进过程中管片产生裂缝的情况；张广鹏[7]分析了盾构掘进中管片错台的原因，并提出了相应的控制错台的措施。竺维彬和鞠世健[8]总结了盾构管片结构开裂、破损情况，分析了相关致裂因素。T.Asakura和Y.Kojima[9]对日本铁路隧道结构变形治理问题进行了研究，并对日本铁路隧道变形治理对策进行了介绍。

综上所述，国内外学者对管片结构开裂、破损问题的研究主要集中在盾构管片结构的开裂、破损模式；致裂原因分析和处置措施等。盾构管片开裂主要原因为由推进油缸产生的不均匀的推进力作用于管片结构，使管片结构产生应力集中造成。然而，双护盾TBM掘进反力主要由两侧撑靴提供，辅助油缸推力较小，与盾构掘进差异较大，但对双护盾TBM管片结构开裂、破损阶段及破损模式的分析较少。

鉴于此，本文以某高原双护盾TBM公路隧道为工程依托，对现场管片结构破损、开裂阶段、破损形式进行统计分析，总结归纳出双护盾TBM管片结构开裂模式，并分析管片结构开裂原因，并提出相应的处置措施。研究结论以期为双护盾TBM隧道设计提供参考，为相关工程施工提供经验借鉴。

1 工程概况

某双护盾TBM公路隧道位于青藏高原地区，隧道全长4.12km，最大埋深800m以上，平均埋深400m。隧道采用一台双护盾TBM掘进机单向施工，开挖半径9.13m，隧道采用预制钢筋混凝土管片作为其支护结构，管片采用“6+1”分块模式进行错缝拼装。管片结构示意见图1。管片结构参数如表1所示。

(a)管片尺寸

(b)拼装方式

2 开裂管片现场统计分析

2.1 管片结构开裂阶段分析

通过对现场已发生破坏的78环管片统计分析发现：50环管片在推出护盾后发生破坏，约占总破坏管片环数的64.1 %；28环管片在拼装过程及推出盾尾阶段发生破坏，约占总破坏环数的35.9 %。相比于盾构法管片结构开裂多数发生在推出盾尾阶段不同，双护盾TBM管片结构开裂主要发生在推出盾尾后，围岩作用阶段。分析认为造成两者差异的主要原因为双护盾TBM与盾构掘进原理不同，双护盾TBM掘进反力主要由两侧撑靴提供，作用于管片的后护盾辅助油缸主要克服由后配套产生的摩阻力，因此作用于管片结构的反力值较小，通常在此阶段不会引起管片结构开裂情况的发生。但当管片结构脱出盾尾，受到深埋围岩作用时，由于深埋岩体地应力较高，易使管片结构受力状态劣化，引发管片结构开裂、破损等现象。

表1 管片结构参数

2.2 管片结构损坏类型分析

通过对开裂管片类型统计分析发现，双护盾TBM管片结构损坏主要有4种形式：管片裂缝、管片错台、管片渗水、管片螺栓缺失。其中，管片裂缝和管片错台为主要的损坏形式，四种管片损坏形式见图2。

(a)管片裂缝

(b)管片错台

(c)螺栓缺失

(d)管片渗水

通过分析四种破损类型可知，螺栓缺失主要是由于管片结构错台造成管片块相邻螺栓孔之间位置偏差造成螺栓无法对接连接；管片结构渗水主要是由于管片结构裂缝形成渗水通路及管片错台引起管片块间防水垫无法发挥作用。因此，管片结构开裂及错台是主要的破损形式，下文主要对这两种破损形式进行分析。

2.3 管片裂缝情况统计分析

通过对70环开裂管片统计分析发现，从单环来看，管片裂缝主要产生位置为隧道断面的拱部区域，占总数的46 %；其次，在隧道断面左、右边墙处产生管片裂缝，占总数的32 %；有22 %的管片在仰拱位置产生裂缝。不同位置管片裂缝分布见图3。

图3 不同位置管片裂缝分布

对于管片裂缝特征的统计分析发现：管片裂缝按发生原因分类，可以分成受压裂缝和受拉裂缝。其中，受拉裂缝多产生在拱部位置；受压裂缝多发生于边墙位置。环、纵向管片螺栓孔位置由于应力集中裂缝发展较为剧烈。按管片裂缝发展形势，可以分为沿隧道轴向发展的纵向裂缝和沿隧道环向发展的环向裂缝。其中，纵向裂缝、环向裂缝均在拱部位置发展剧烈，逐步向边墙位置发展并逐步衰减，拱脚及以下位置基本观察不到裂缝的产生。管片裂缝分布和形态见图4。

(a)螺栓孔附近裂缝

管片裂缝量值统计分析得出：发生损坏的管片基本都产生肉眼可见裂缝，其中，纵向裂缝长度、宽度和数量上普遍大于环向裂缝。部分纵向裂缝发展严重的管片环纵向裂缝纵向长度为1.8m贯通裂缝，裂缝宽度最大已达3mm；从单环来看，裂缝长度大于1.5m的裂缝数目占裂缝总数的52 %，裂缝长度小于1m的裂缝数目占裂缝总数的22 %；裂缝宽度大于2mm的裂缝数目占裂缝总数的52 %，裂缝宽度小于1mm的裂缝数目占裂缝总数的35 %。管片裂缝长度和宽度统计见图5。

(a)管片裂缝长度统计

(b)管片裂缝宽度统计

2.4 管片错台情况调研

除了管片裂缝的损坏形式，管片环、纵向错台的发展也较为严重，经过现场调研统计，720环至785环，大部分管片都会出现纵向错台、环向错台情况。管片环、纵向管片错台主要出现在拱部区域范围内，边墙以下位置无明显错台损坏形式的发生。管片错台现场见图6。

通过对现场所有发生错台的管片环进行量值统计，分析得出：纵向错台量一般大于环向错台量，最大纵向错台量为8cm。其中，发生3～5cm的纵向错台量的管片环占发生错台管片环总数的43 %，纵向错台量大于5cm的管片环占发生错台管片环总数的32 %；大于4cm的环向错台量的管片环占发生错台管片环总数的17 %，环向错台量为2～4cm的管片环占发生错台管片环总数的67 %。管片环向、纵向错台量统计见图7。

(a)纵向错台

(b)环向错台

(a)纵向错台量分布

(b)管片环向错台量分布

3 管片结构损坏原因分析

通过上文已拼装管片的损坏情况的调研统计分析情况，并结合现场实际的地质、施工情况，认为引起管片损坏的原因有以下四点。

3.1 地质构造

隧道地处大埋深地层，构造应力较强，地应力水平较高。当隧道遇到断层破碎带等不良地质，易引发围岩大变形，造成形变压力过大、荷载分布不均匀，导致管片结构受力状态劣化，造成隧道拱顶区域受到突然的应力集中严重，从而造成隧道管片结构损坏[10-11]。

3.2 管片拼装质量

管片是高精度的预制钢筋混凝土构件，在拼装上有很高的要求。拼装过程中，若管片环面不平整以及拼装顺序不合理，极易使管片产生拼装初始错台、管片边角拼装破损的发生。这些拼装缺陷通常会导致管片结构受力不均、应力集中情况发生，加之围岩作用，最终引发管片开裂、破损。

3.3 管片质量不合格

在高海拔地区，环境温度低、施工效率下降，管片结构质量无法得到保证。且管片施工时内部会产生大量的水化热，在养护前管片内外温差大，管片产生温度应力，易导致管片表面抗拉强度达到极限使得其表面出现大面积的龟裂[7]，造成管片结构初始损伤。这些初始损伤在管片拼装完成后，易形成管片结构开裂诱发位置，经围岩压力作用，裂缝发展，最终形成管片结构贯通裂缝。

3.4 TBM推进过程

油缸千斤顶作用也是造成管片损坏的主要因素之一，其中推进过程中总推力过大、油缸千斤顶偏移等因素是致使管片在施工过程开裂的主要原因。推进过程中TBM姿态控制不当，造成油缸行程差过大、千斤顶与水平方向产生一定倾角，从而造成管片环受力不均，发生管片损坏[12-13]。但通过对双护盾TBM管片结构破损统计发现，TBM推进过程造成的管片结构破损、开裂不是主要原因。

4 开裂管片预防处置措施

针对可能引起造成管片结构损坏的原因，分别给出预防处置措施：

(1)加强地质超前预报工作。对掘进机前方的围岩情况充分掌握，对可能会遇到的如断层破碎带、软弱围岩、高地应力等不良地质，采取相应的工程控制措施，如软弱围岩掌子面前方钻孔注浆加固围岩、高地应力围岩钻孔注水以释放围岩应变能等措施，力求隧道施工掘进过程中围岩地质情况不会发生较大的改变[12]。

(2)加强双护盾TBM施工质量控制。加强管片施工管理，对管片生产过程中的风险因素进行预测评估，避免管片在生产过程中的不必要损坏。管片拼装阶段，提高管片拼装的施工技术水平，力求使管片拼装点位合理、管片拼装时机正确，避免过大的拼装误差[14-15]。双护盾TBM掘进要做到勤测量，勤纠偏，管片纠偏不宜过快过猛，防止管片受力不均而引起管片损坏[16]。

(4)针对开裂管片，选择合理的加固措施。由于已拼装管片拆卸不便，可对开裂情况不严重的管片结构进行加固补强。目前，补强措施主要有型钢整环加固、钢环加固和锚杆局部加固三种措施。应根据具体的管片结构破损情况，进行加固措施的选择及设计，也可采用上述2种以上的加固方式组成复合加固措施。

5 结论

本文以某高原地区双护盾TBM公路隧道为工程依托，采用现场统计分析方法，对开裂管片破坏类型、破损模式进行分析。研究主要得到三点结论:

(1)双护盾TBM管片损坏主要发生在拼装管片推出盾尾阶段。管片破损类型主要有管片裂缝、管片错台、管片渗水、螺栓孔不到位无法上紧固螺柱四种损坏类型，其中管片裂缝和管片错台为主要的破损形式。

(2)管片裂缝主要有环向、纵向裂缝两种形式，管片裂缝主要发生位置在拱部区域，逐步向边墙位置扩散并衰减；纵向裂缝长度和宽度普遍大于环向裂缝，纵向裂缝基本上均能形成管片环宽度的贯通裂缝；管片错台分为环向、纵向错台，主要发生位置和裂缝位置基本一致，纵向错台量普遍大于环形错台量，最大纵向错台量达8cm。

(3)引起双护盾TBM管片损坏的主要原因为：地质条件突然改变，造成管片结构受力恶化；管片制作、拼装质量较差，使管片结构产生初始破坏及损伤，经围岩压力作用后，最终发展为管片结构整体破损；双护盾TBM掘进机掘进过程中，盾体与管片结构位置偏差过大，导致拼装环管片结构产生应力集中，管片结构破损。

(4)相应的管片结构破损预防处置措施为：加强地质超前预报工作，力求隧道施工掘进过程中围岩地质情况不会发生较大的改变；加强管片施工管理，避免管片结构在生产、拼装过程中的不必要损坏；加强双护盾TBM掘进控制，防止由于管片受力不均而引起的管片损坏；针对已破损管片具体情况，选取相应的管片结构加固措施，提高管片结构承载能力，保证管片结构整体安全性。