双护盾TBM空推段管片质量控制技术研究

2021-05-24王青波陈寿根

山西建筑 2021年10期

王青波李渊张飞陈寿根

(1.中交二局第三工程有限公司，陕西西安 710000；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

随着地下工程迅速发展，双护盾TBM以适用范围广、自动化程度高、掘进速度快等优势，逐渐用于地铁隧道。但若地层岩体是软岩层和坚硬岩层混合的复合式地层，或者孤石群、长距离上软下硬等，直接采用TBM法施工的风险大、损耗高、易卡盾，故采用矿山法初支组合TBM法二衬的施工。

针对空推段管片错台问题，冯天炜[1]采取风险评估理论，用广义函数法建立地铁隧道量化评估结果，为选取掘进参数施工对策提供依据。邓洋[2]对质量缺陷采取分阶段制定和优化施工组织落实质量控制措施。李锦富等[3]从渗漏水机理分析入手，分析其渗漏水的控制难点。毛红梅[4]通过采用钢质复合牙作为临时支顶装置，保证了空推过矿山法成洞段的施工质量。

在地铁隧道施工中，管片质量缺陷问题始终未能很好解决，前人的分析总结主要集中在盾构法，针对双护盾TBM空推过矿山法的研究很少；本文结合工程实践对双护盾TBM空推段管片质量缺陷作了控制研究，可为今后同类工程的施工提供一定的实践经验。

1 工程概况

深圳市城市轨道交通8号线区间采用矿山法初支+TBM空推及TBM法施工，矿山法初支断面分为A型、B型、C型及D型，初支厚度为150 mm；二衬为厚度400 mm的预制钢筋混凝土管片，初支与二衬之间空隙采用豆粒石混凝土填充密实，厚度300 mm；管片内径为5.4 m，外径6.2 m，管片厚度为0.4 m，管片衬砌环宽度为1.5 m，每环管片由3个标准块、2个邻接块和1个封顶块组成，环向和纵向均采用M30螺栓连接，每环管片环向螺栓10根，纵向螺栓12根(见图1)。

2 质量验收及结果分析

2.1 验收方法

依据GB 50446—2017盾构法隧道施工及验收规范，对TBM空推过矿山法段右线的前100环管片拼装进行验收，验收标准及验收方法如表1所示。其中，渗漏水验收需符合GB 50208—2011地下防水工程质量验收规范规定的方法和标准。

2.2 验收结果分析

据验收结果资料整理和分析如下：

1)管片轴线纠偏：对管片姿态进行测量，隧道轴线水平偏差数据统计和整理如图2，图3所示。前40环水平偏差为整体向左，后60环水平偏差整体向右趋势，前45环垂直偏差为整体向下趋势，后55环垂直偏差整体向上趋势；隧道前100环范围内，8环，14环处轴线偏差最大，水平偏差为-38 mm，10环，11环垂直偏差最大，垂直偏差为-48 mm。规范规定范围为100 mm。

2)管片错台控制结果如图4所示。对前100环管片拼装偏差分析，最大错台为：42环纵向错台6 mm，28环环向错台10 mm，最大错台量为10 mm。均在规范要求的最大错台量以内。由表1可知，相邻管片的环向错台量小于15 mm，径向小于10 mm。

3)管片表观质量及渗漏水控制：对前100环区间渗漏水检测结果情况进行总结，前100环管片表观情况良好，仅2处管片发生轻微破损、1处发现环缝渗漏，对发生破损及渗漏处管片进行了修补。

3 管片缺陷分析

3.1 管片错台、上浮

管片错台、上浮是指相邻管片之间出现上下错落不平、左右偏差较大；或是同环管片之间，出现内圆弧面不平整，凹凸不平的现象，如图5所示。其产生原因从豆砾石方面、灌浆方面、拼装方面、地下水和浆液压力方面进行分析。

豆砾石回填方面，管片拼装完成后推出盾尾，由于空推过程中未能及时喷射豆砾石，或注浆不及时，导致管片与隧道初期衬砌之间的间隙填充不密实，使管片不均匀下沉。在灌浆方面，管片壁后注浆不及时、不充分等都会造成管片的错台量增大。管片拼装方面，未采取润滑措施的F块强行插入，拼装过程中，没有按照由下至上左右交叉的原则进行；拼装完成后没有及时将螺栓拧紧。除此之外，管片脱离盾体时，受到盾构机壳体的挤压力而造成管片错台。地下水和浆液压力方面，由于地下水位较高，初支后隧道内存在大量渗漏水，故拼装管片完成后，管片背后四周存在很大的水压力，加上浆液前串的增加了管片背后的压力，导致错台和上浮现象。

3.2 管片破碎、崩坏

TBM空推过程中，管片外侧与TBM外壳的接触部位、管片内侧与标准块、邻接块和封顶块部位容易发生破损，如图6所示。管片崩坏和破损的原因是多方面的，如在生产、运输过程中受挤压、碰撞出现缺陷。拼装时螺栓未拧紧导致拼装缝隙过大，推进过程中管片受力不均等造成崩角和破损。不均匀受力是盾尾与管片的间隙过小、TBM姿态调整时，辅助油缸行程差过大而导致，从而千斤顶撑靴顶在管片上不正，使管片内侧或外侧的混凝土破损。此外，管片环脱出盾尾后，受到水和浆液的作用要上浮，而管片受到盾尾约束，使管片出现悬臂结构，在盾尾附近受到的过大弯矩使管片开裂，此案例往往出现在脱出盾尾后2环、3环处。

3.3 接缝、灌浆孔渗漏水

空推段TBM管片渗漏水，在构造上，主要在管片的接缝、孔洞位置；缺陷处在破损、裂缝等位置。经过大量的缺陷统计与工程经验，以相邻管片接缝处渗漏水最为严重，其次为注浆不密实的注浆孔，如图7所示。渗漏水是综合多方面引起的，有密封垫的部位缺陷、混凝土不密实、受力过大出现微裂纹、顶部块位纵缝过宽等。有密封垫粘贴质量不好、未形成密封防水带、粘贴后脱落、外力不足、在粘贴密封垫后直接下井拼装等造成该处渗漏水。当管片错台和上浮量大于最大设计值10 mm，管片之间有效面积接触不足，不足以对密封垫提供有效挤压力。密封垫错开，或者发挥作用不足，造成管片渗漏水。此外，管片背后注浆不密实，对管片造成受力不均，局部变形过大，首道防水层失去作用而引起渗漏水。

3.4 管片轴线偏差超限

管片轴线偏差超限在曲线空推地段很突出，主要是由于在曲线转弯段，推进千斤顶沿垂直隧道轴线方向会产生横向分力，导致管片受力不均匀，产生偏压过大，造成横向；还有用折线(管片)拟合曲线(线路)产生的误差。此外，初期支护侵限处理不到位迫使管片轴线超限。

4 结合工艺分析控制要点

4.1 空推工艺

空推作业，TBM采用单护盾模式步进，刀盘在主推进油缸的推力作用下，伸缩盾伸开，刀盘向前推进，辅助推进油缸顶推到已安装好的管片上为掘进机提供掘进反力。当刀盘向前掘进1.5 m时，同时进行豆砾石充填及回填灌浆等工作；TBM停止掘进，在尾盾的保护下，开始进行管片的安装，与此同时，辅助推进油缸缩回，每安装完成一块管片后，辅助推进油缸伸出顶推到已安装完成的管片上，直至该辅助推进油缸全部顶推到位。

4.2 隧道超挖侵限控制

毛洞的开挖，超挖欠挖很难保证。如果初期支护存在超挖或侵限，不仅管片会受力不均匀，质量难以保证，衬砌断面尺寸将难以保证，往往会导致错台和轴线超限问题。针对初期支护超挖欠挖问题，措施如下：

超挖大于20 cm，补喷混凝土处理，注意新老混凝土的结合，确保质量的同时也要保证豆砾石注浆层的厚度在设计范围。对个别点或者局部侵限小于20 cm的部位，对该部位进行凿除并抹浆。对大面积侵限大于20 cm的情况，经研究决定，采取换拱方案，重新架设拱架并喷射混凝土，并在换拱部位打设注浆导管，注水泥—水玻璃双液浆，纵向连接筋与格栅钢架主筋进行焊接连接，架设水平工字钢支撑，挂网、打设锁脚锚杆、喷射混凝土至设计厚度，如图8所示。

4.3 管片拼装控制

第一环管片是在工作井内负环之后拼装，其拼装质量，包括角度、平面位置、空间位置等对于隧道整体管片拼装起到基准面的作用。必须严格按照要求，精准控制第一环管片的拼装高程、方向、坡度等。在首环管片拼装完成前，负环管片的拼装、起始环管片拼装质量也关乎整体拼装效果。

整体的拼装效果是由整条隧道每一环甚至每一块管片拼装组合而成，横向和纵向之间均未螺栓成整体，故螺栓及其施工质量，往往是关乎到隧道衬砌轴线偏差和错台的关键。因此，拼装时分三次复紧螺栓，即：拼装施工第一次及时拧紧连接螺栓；在千斤顶的作用下即将推出盾尾，第二次复紧螺栓；当整环管片推出盾尾后，第三次拧紧螺栓。

4.4 豆砾石回填灌浆控制

管片还未脱出盾尾，及时、足量地填充管片背后豆砾石，喷豆砾石遵守阶梯式、对称式和同步及时的原则，采用单液硬性浆液和双液浆结合的注入方式，保证浆液的充填性、初凝时间与早期强度，以及限定范围防止流失(浆液的稠度)的有机结合，使豆砾石的填充量尽量充分和饱满，在管片与初期支护之间形成一个力的传递层，起到优化协调变形和受力的作用，形成复合支护结构。同时防止注浆压力过大使浆液流入盾体区域引起其他问题。

4.5 轴线偏差超限纠偏控制

由于地层软硬不均以及操作等因素的影响，TBM推进不可能完全按照设计的隧洞轴线前进，而会产生一定的偏差。当这种偏差超过一定限界时就会使隧洞衬砌轴线偏差超限。轴线偏差超限的调整和纠正是一个渐变的过程，往往体现在连续几环的错台和上浮纠偏，细化到最后就是管片的纠偏，力争使管片的环面与设计轴线接近垂直。

平面轴线纠偏采用左右千斤顶的行程差来控制，要做到勤测勤纠，纠偏量每环控制在10 mm以内，避免过量纠偏使环缝加大而引起漏水。

5 缺陷治理措施

5.1 管片破损、崩坏处理

对大块崩角部位凿锚处理，用膨胀螺栓锚固及挂网，按照乳灰比1∶6拌合聚合物砂浆，注意新老面结合问题，采用分层修补，每一层小于15 mm，每两层修补间隔6 h～7 h，最后一层的面层涂刷3 mm～5 mm厚砂浆。对缺角、小崩角采用高强度地铁管片专用修补材料进行修补，按料水1∶(0.1～0.15)拌合SCM无收缩水泥加固料，人工灌注，如图9所示。