盾构接收处管片变形治理及衬砌方案比选

陈 爽 朱牧原 魏力峰 房新胜

（1.中铁十四局集团大盾构工程有限公司 江苏南京 211800；2.西南交通大学 四川成都 610031）

1 引言

盾构法作为暗挖法的一种，其施工作业大部分在地下进行，具有不影响交通、施工机械化程度高、对附近居民和设施影响小等特点，在城市隧道工程中已得到广泛应用［1］。目前，针对盾构在始发和接收端的关键施工技术以及盾构施工过程中的管片变形问题均有大量的总结和探讨。比如在计算模拟方面，陆鹏程［2］在考虑先期变形的情况下进行管片结构内力分析的相关探讨；张爱等［3］结合实际工程进行监测，总结施工参数对隧道整环管片变形的影响规律；卢院等［4］利用有限元软件分析错缝拼装盾构管片的收敛变形规律。在实际施工技术方面，也取得了不少成果。文献［5］针对长沙地铁1号线，提出管片错台的成因以及防治措施；文献［6］以南昌地铁1号线某区间盾构接收工程为背景，对富水砂层地质中盾构接收措施进行分析和探讨；文献［7］以北京新机场线盾构隧道工程为背景，探讨大直径土压盾构的始发相关技术。这些研究大多围绕对盾构进出洞时地层沉降变形、涌水和塌方等的控制［8－10］，或是单纯管片变形的防治，而对于在进出洞等关键阶段管片突发变形的情况没有相关总结。本文以新建北京至张家口铁路为背景，分析总结在盾构接收段管片突发变形后的应急措施、事故原因以及后续的衬砌方案，对其他类似工程提供参考。

2 工程概况

新建京张铁路清华园隧道为一单洞双线盾构隧道，采用直径为12.64 m的泥水平衡盾构。在3－2区间盾构机由位于清华同方大厦西侧的3号盾构始发井出洞，向南掘进，到达位于原清华园火车站内的2号盾构接收井，全长1.741 km，如图1所示。

图1 3－2盾构区间线路平面

隧道内部管环外径12.2 m、内径11.1 m，环宽2 m，采用6＋2＋1分块设计。管片采用C50强度、P12抗渗等级的混凝土。管片之间通过M36、8.8级直螺栓连接。

3 接收处问题描述

3－2区间盾构接收处的加固区为U型素地连墙隔离区与地层旋喷注浆加固组合，如图2所示。在洞门破除且盾构机从加固区进入接收井后，开始由洞门顶部向底部焊接洞门密封板。

图2 接收加固区（单位：m）

当密封板焊至洞门拱腰处，接收端加固区内的6环洞门发生椭变和错台。为减小错台，应第一时间进行千斤顶支顶，但由于受空间及盾构机台车构造的限制，仅能使用50 t千斤顶进行支顶操作，实际支顶效果不佳，同时对变形管片进行监测。经监测发现，整体椭变度为9‰，错台最大值为5.5 cm，如图3所示。

图3 最大错台部位

4 初期管片变形控制

管片收敛变形过大，极易引起环纵缝渗漏水、管片开裂崩角等结构病害，处理不及时，甚至会出现管片受力破坏，严重影响隧道结构安全［11］。为了减小风险，在洞门密封板焊接完成后，需及时对管片变形以及可能发生的渗水情况进行控制。

（1）注浆固结

首先在接收端用管片预留注浆孔进行注浆密封，以达到加固管片的效果。当出现浆液达到管环下部，引起管片上浮，管片顶部环间缝隙增大、个别纵向螺栓发生脱扣松动时，应停止注浆并注入水泥水玻璃双液浆加速砂浆固结。此后持续交替注入砂浆和双液浆，直至管环外部空隙填充密实。在螺栓的处理上，对于松动且能够取出的螺栓，将其取出后重新加工成长度合适的螺栓再次打入；对于松动且不能取出的螺栓，则对外露松动部分焊接固定后顶进套管。

（2）接缝防水

管片加固后向接缝内注入遇水膨胀止水胶，每次注入2 cm，等止水胶稍固化后再次注入，并在接缝大于1 cm部位注入丙乳砂浆。最后在管片接缝表面施作单组分聚氨酯密封胶嵌缝。

5 原因分析及事故评估

盾构机在推进过程中姿态控制不当、管片拼装过程不规范、注浆参数选择不当等都可能造成管片发生变形、错台［12］。本工程在管环变形后，立即进行评估，认为主要原因在于出洞过程中，同步注浆、推力等参数难以达到正常掘进要求。同时认为，管片虽有变形，但不影响正常使用，且变形后结构整体安全，然而由于管片错台值已超20 mm限值，且止水带变形较大，易渗水，需要采取防护措施以保证隧道的耐久性，为此需进一步进行衬砌处理。

6 接收处衬砌处理方案

针对隧道管片变形现状，提出两种思路：第一种，保持已经拼装完成的管片不变，在确保可以正常使用的情况下，直接设置钢板内衬；第二种，直接进行管片破除，该思路又分暗挖和明挖两种方法，暗挖法需施作初次支护，而明挖法则在6环错台管片破除后先施作主体结构再回填土。

6.1 钢板内衬方案

钢板内衬法已有一些实践与研究，如在南京河西地区地铁运营盾构隧道收敛变形治理中，就曾利用管片内衬钢环加固。翟五洲等［13］通过数值模拟对比未加固与钢板加固两种情况下错台变形随荷载增大的变化情况，量化讨论该方法对错台变形的控制效果。

（1）钢板规格及布置

使用10 mm厚的钢板施作单层衬砌，其布置区域为隧道轨下结构面以上，环向对应圆心角度为42°及29°两种规格，每环共七片，其布置如图4所示。

图4 钢板内衬布置

钢板从外包洞门位置纵向向内布置七环，除了第一环幅宽为1.54 m外，其余各环幅宽均为2 m。同时需保证纵向间的焊缝与环向焊缝错开、环向钢板焊接缝与管片的拼接缝错开，以增大刚度。

（2）施工工艺

在盾构设备拆除完毕并完成轨下预制结构后，立即在钢板的加固范围内搭设作业平台并进行管片修整、手孔密封等措施。采用龙门吊、叉车、手拉葫芦等机械调运，开始拼装和焊接钢板。

采用植筋的方法将管片与钢板结合，以起到共同受力、共同变形的效果，钢板间通过焊接连接，以形成一个良好的受力整体。

植筋孔径25 mm，钻孔深度为220 mm，孔环向间距1.5 m、纵向间距1 m，距钢板边缘50 cm，并注意避开管片中钢筋位置。在完成钻孔并清理干净后注入植筋胶并植入C22钢筋，如图5所示。植筋完成后，钢板与钢筋间需进行塞焊，待冷却后对外露的多余钢筋进行打磨，使其表面与钢板表面光滑度保持一致。

图5 钢板植筋（单位：mm）

（3）注浆与防腐作业

为完全填充钢板与管片之间的空隙，确保两者共同受力，需进行水泥浆压注。预先在轨面结构上方1 m高度处预留两个植筋孔，在拱顶两侧预留两个排气孔，并用嵌缝密封条和聚氨酯封堵隧道两侧钢板与管片的接缝。以0.05～0.5 MPa的注浆压力从预留植筋孔处压注配合比为0.8∶1的硫铝酸盐水泥浆，分多次压注。当排气孔中溢出水泥浆液时停止注浆并封堵排气孔，在注浆孔处植入钢筋。

最后处理钢板表面，对焊缝焊点进行机械打磨。钢板表面处理干净后，用环氧沥青涂料对钢板进行多层涂刷，涂料内掺入颜料使之与管片颜色相仿。

6.2 管片破除方案

（1）暗挖方案

采用边破除管片边施作初支的方法来保证洞口土体稳定，同时为保证洞口稳定、避免隧道进水，在管片破除前，需进行加固区降水作业和管棚施工。前期在加固区每侧布置4口降水井，共计8口，并在洞门环处打入管棚支护。环向每300 mm布置1根钢管，共计99根。管棚施工完成后注浆加固并在洞门钢环处施作内衬环梁，支撑住洞门处的管棚钢管以防止塌落。前期工作结束后，每环管片由人工持风镐破除，按第一次破除2.1 m高度、第二次破除4.5 m高度、第三次破除3.8 m高度的顺序先破除上部管片并施作初支。初支架设利用盾构接收加固区的特殊性，在地连墙范围内向上凿除0.3 m混凝土，架设第一榀钢格栅，通过植筋与地连墙锚固，此后各环均向外凿除0.3 m后架设钢格栅。在初支结构施作完毕后，拆除脚手架并破除底部管片。为确保初支稳固，需设置锁脚锚杆加强支护。锚杆需穿透管棚间隙锚入土体。管片破除及初支结构如图6所示。

图6 管片破除与初支结构（单位：mm）

管片完全破除及初支架设完成后，采用LDPE膜及喷涂速凝橡胶沥青做防水处理，12 h后进行二衬施作。先施作仰拱，再搭好脚手架施作上部结构二衬，待混凝土养护两周后浇筑轨下结构，完成整个洞室施工。

（2）明挖方案

明挖方案直接从隧道上方破除管片，即通过开挖基坑将管片吊起，然后再进行主体结构施工。

按照基坑施工方法，首先在加固区范围围绕U型素地连墙施作钻孔灌注桩，隧道轴线两侧各10根桩，北侧设置9根，桩底距盾构隧道底5 m，共计29根。基坑支撑共设6层，第一层为混凝土撑（1 000×1 000 mm），其余5层为Ø609（t＝16）钢支撑。从平面看，北侧冠梁拐角处施作两道支撑，距南侧地连墙边界6 m起，每隔3 m设一道，共两道，如图7所示。

图7 基坑平面

基坑开挖到位后，开始吊取管片。利用水钻在管片上钻开50 mm直径的孔，再用双股钢丝绳穿孔与吊环连接，吊起管片。每环拆除均从顶部开始，然后拆除邻接块、标准块等。如果受结构限制，无法直接吊起，可采用人工风镐破除。拱腰以上管片全部破除后，再拆除脚手架破除底部管片。

三仓浇筑施工新衬砌，采用C40、P12抗渗混凝土，利用定型模板和定型钢架施作全圆衬砌，如图8所示。按照从仰拱到拱腰再到拱顶的顺序，逐步向上边施作边拆除基坑支撑。防水结构为LDPE膜及喷涂速凝橡胶沥青。

图8 三仓浇筑

6.3 方案比选

就最终效果而言，明挖和暗挖均可实现二衬与已有管片表面保持一致，解决错台问题，使隧道整体更加美观。但管片破除方案本身会破坏原有结构，特别是暗挖方案，其管棚施工对已完成竖井结构破坏较大，而且主体结构钢筋切除较多，会对现有结构质量产生一定影响。而钢板内衬方案则不会改变原有结构状态，仅加强了其耐久性和安全性，但隧道在出洞处仍会存在凸台。

从施工角度看，钢板内衬方案无需破除管片，因此工程量小，工期短。而对于管片破除方案，不管是明挖还是暗挖都存在以下两种问题：

（1）安全性。本工程施工作业面位于承压水层中，存在较大施工风险，且暗挖方案使用管棚在软弱围岩内采用大断面一次性支撑作业，施工风险很高；对于明挖方案而言，深大基坑的开挖，作业空间小且基坑高水压风险大，存在一定安全隐患。

（2）效率问题。管片破除方案需大量的前期准备工作，而后期混凝土浇筑也需要养护时间。另外，本工程在冬季施工，钢筋、混凝土工程均需采取保护措施，所以可能会出现工期延长等问题。经估算，暗挖方案与明挖方案分别需要164 d与175 d，相比较而言工期较长，严重影响后续施工进度。

综上，选择钢板内衬方案。

7 结束语

一方面，在盾构接收处管片突发变形且无法纠正的情况下，首先要通过注浆固结与接缝防水等措施控制变形，以防严重影响结构安全。

另一方面，采用钢板内衬控制收敛变形为最简单有效的补救措施，该方法已在一些工程中得到应用，但由于钢板内衬没有对原有变形进行纠正，仅起到加强安全性和耐久性的作用，造成隧道现有结构略有缺陷，所以仅适用于变形尚在初期阶段且对整体结构没有影响的情况。相应地，采用通过管片破除后施作初支和二衬的治理方案，可以消除管片变形带来的缺陷，改善工程质量，当地层条件良好且工期不紧张，或者隧道变形严重影响结构安全的情况下，可以考虑采用。