淤泥地质大坡度盾构管片病害分析及预防技术

蔡惠华

(中交第三航务工程局有限公司南京分公司，江苏南京 210011)

引言

管片作为盾构隧道最主要结构单元，其质量的好坏，将最终影响隧道的使用寿命[1]。目前，盾构隧道内拼装的管片基本都采用钢筋混凝土，且要求有较高的结构强度和抗渗等级，随着制造工艺和管理水平的不断提升，管片在生产过程中已很少出现裂缝，经过严格的验收程序，基本杜绝有裂缝管片的使用，有效提高了进场管片的质。但在盾构隧道施工过程中管片成型质量差还是比较常见的现象，为了有效控制管片成型质量，在不同地质条件下采取的控制措施存在一定差异，如何有效提高相应地质管片成型质量需要有针对性的研究。

1 项目概述

某项目盾构区间长932.4 m，盾构完成始发，并调整姿态后，首先进行下坡掘进，坡度为28.2 ‰，再以4.06 ‰坡度上坡，最后以24.56 ‰坡度上坡到达接收井，区间覆土5.8～16.8 m。具体管片参数、盾构区间所在地层和地下水情况，详见表1。

表1 管片参数、盾构区地层和地下水情况

盾构掘进选用中铁装备568#土压平衡盾构机，刀盘开挖直径6.46 m，盾构机盾体呈锥形状，前盾直径6.44 m、中盾直径6.43 m、盾尾直径6.42 m，理论盾尾间隙30 mm；为满足直线段和曲线段施工及纠偏的需要，设计了标准衬砌环和左、右转弯楔形、环双面楔形、楔形量为37.7 mm。

2 管片缺陷情况统计及影响分析

2.1 管片缺陷情况统计

区间盾构于2020 年5 月20 日始发，截至2020年6 月30 日掘进了280 环。经检查，拼装好的盾构管片在脱出盾尾后出现错台、破损、渗漏水等一系列情况[2]，如图1 所示。

图1 管片缺陷

从管片缺陷情况来看，管片漏水主要出现在环与环间拼缝处和螺栓孔附近，局部破损位置位于管片角部，且管片破损位置伴随着较大环间错台。

缺陷位置主要位于隧道顶部及隧道底部，前280 环的缺陷位置统计结果为：管片中出现破损的环数为48 环，占比17.1 %，其中存在质量缺陷的48 环管片的缺陷位置共有56 处，管片上部有21 处，管片底部有16 处，管片左侧有10 处，管片右侧有9 处，如图2 所示。

图2 缺陷位置统计

2.2 管片缺陷影响分析

1）管片拼装后，在同一环相邻管片或者相邻环管片之间的内弧面易出现错台[3]，当错台量超过规范允许值时，环向或纵向的连接螺栓会受到较大剪切力，不均匀的推挤力会使管片间的防水密封条出现较大错位、撕裂，造成隧道管片环缝漏水。

2）千斤顶作用在管片上过大的集中应力和管片拼装后的过大错台均有可能造成管片破损，如管片边缘破损、贯穿裂缝等，轻则引起管片渗水，重则降低管片结构强度。

3）管片渗水和环间漏水均会使成型管片在地下水的长期浸蚀下，出现保护层脱落、钢筋锈蚀等情况，从而影响管片结构的耐久性、隧道机电设施的有效运行及附近构筑物的安全性。

3 管片缺陷原因分析

通过缺陷统计和影响分析可知该项目前期出现的管片错台、破损都有可能发展成管片的渗漏水，且除了管片错台、破损外，可能出现渗漏水的原因主要为管片间的防水密封条的破损，而错台过大同样会造成防水密封条的失效，因此，下面主要分析管片错台、破损的原因。

3.1 管片错台、破损表现形式

在盾构管片安装施工过程中，错台和破损的产生经常是相辅相成、相伴出现的[4]。从管片破损的位置可知，其主要分布在隧道顶部及隧道底部，且破损位置均位于环间螺栓孔位置处，具体可总结为如下两种表现形式：

1）顶部管片破损

出现的位置主要位于上浮环（第n环）螺栓孔附近，如图3 所示。当第n环管片脱出盾尾后，管片自重无法抵抗上浮力的作用，致使第n环相对于第n+1 环出现上浮，一方面虽然螺栓杆的直径比环间螺栓孔的直径小3 mm，若上浮量大于3 mm，则管片上浮将产生环间剪切力导致管片受到剪切作用，若剪切力较大，超过了管片自身混凝土的承载力，将导致管片螺孔位置部分开裂或破坏。另一方面，顶部管片受到上浮力作用产生的剪切力F1在第n环（上浮环）的作用方向往管片内侧，剪切力F2在第n+1 环的作用方向往管片外侧。由于管片内侧较薄，而外侧较厚，在相同剪切力的作用下，内侧更容易发生破损。

图3 顶部管片剪切力作用与裂缝位置

2）底部管片破损

出现的位置主要位于上浮环的相邻环（第n+1环）螺栓孔附近，如图4 所示。底部管片破损位置与顶部管片破损位置存在差异，这是由于底部管片螺栓孔的方位与顶部螺栓孔方位相反。上浮环（第n环）受到的剪切力作用方向往管片外侧，第n+1环受到的剪切力作用方向往管片内侧。

图4 底部管片剪切力作用与裂缝位置

3.2 管片错台、破损原因分析

一般情况下盾构机沿着设计线路走，管片沿着盾构机轴线走，此时的盾构机姿态与管片姿态相匹配，盾尾间隙均匀，管片选型以千斤顶行程差为主；若盾尾间隙不均匀，差值超过20 mm 时，管片选型以盾尾间隙为主[5]。标准环封顶块采用拼装点位为11 点、1 点（时钟点位），每环管片由6 块组成，相比其他块封顶块尺寸较小，盾构机在下坡过程中，作用在封顶块上的推力较大，容易致使封顶块应力集中、管片破损。根据千斤顶行程差、盾尾间隙合理调整拼装点位，尽可能使封顶块处于受力较小位置，以减少管片破损。

施工中加强拼装手拼装技能培训，禁出现喇叭口、内外仰角，拼装后的管片径向错台不大于2 mm，环向错台不大于5 mm，螺栓穿过率100 %，在满足拼装质量的情况下，适当将管片圆缩小，减小管片进入土体后的变形量；下一环管片掘进200 mm 后、管片脱出盾尾时、管片脱出盾尾3～5 环时，共对管片螺栓进行了三次复紧。

控制好掘进、安装过程中的问题后，管片错台、破损的原因主要为管片上浮，而盾构隧道管片上浮的原因很多，针对该项目淤泥地质和大坡度的特性，主要分析了如下原因：

1）盾构机在始发基座上及进洞过程中几乎无坡度，拼装的负环管片均为标准衬砌环，此时盾构机轴线垂直与管片环面；区间线路出始发井后以28.2 ‰坡度下坡，盾构机通过调整上下推进油缸油压差，逐渐调整垂直姿态使盾构机沿着设计线路掘进，此时盾构机推进油缸给管片提供斜向上的合力，合力分解为向上和水平分力，若盾构机纠偏过急，上部推进油缸推力较大，管片局部受力较大，造成管片破损。

2）管片周围为淤泥地质，丰富的地下水和未及时固结的浆液等均会对管片产生上浮力，当上浮力大于管片自重及上覆土荷载时，管片会局部上浮[6]。

在盾构管片安装施工过程中，考虑到浆液实际搅拌、运输等过程所需时间及浆液对现场施工工效的影响，在配合比设计时，同步注浆所采用浆液的初凝时间初步定为10 h，此浆液的初凝时间可以满足设计强度和施工需求。但成型管片在同步注浆48 h 以后，将二次注浆孔打开，发现管片壁后浆液依然呈喷射状流出，未达到初凝。其原因主要为此地层为淤泥质粉质黏土，土体密实，透水性差，且土体温度较低，浆液在此环境下固结所需时间较长。

管片周围地层为淤泥质粉质黏土，土体自稳性差，虽对管片有一定的握裹力，但管片上浮抗力不够，加上同步浆液未及时未固结，过大的浮力造成管片产生不均匀上浮。当管片由地下水、泥浆或注浆浆液包裹时，由浮力定律可得管片环受到得上浮力[7]为：

管片所受浮力与管片自重力计算如表2 所示。

表2 管片浮力计算

由计算结果可知，管片所受到的浮力617.46 kN＞管片自重189.14 kN，因此，在地层自稳性、握裹力差的情况下，若浆液未能及时固结，管片在浮力的作用下易出现不均匀上浮。从施工监测的管片上浮量也可验证这一点，施工过程中不同时间测得的管片上浮量如图5 所示。

图5 管片上浮量

从图中记录结果分析可知：①盾构机附近的2～5 环管片间隔两天测得上浮量相差较大，盾构机后第10 环及以后的管片间隔两天测得上浮量基本保持不变；②不同时间测得的管片上浮量变化规律基本一致，均为靠近盾构机的管片上浮量小，远离盾构机的管片上浮量大。管片脱出盾尾后的上浮发展过程可归纳为线性发展阶段、圆弧发展阶段和变形稳定段等[8]，具体三个阶段的管片环号与上浮量的关系如图6 所示。

图6 管片脱出盾尾后的上浮发展过程

可见在同步注浆未固结的情况下，管片受到的浮力很大。而后方管片浆液已固结，管片被约束住，且其轴线比盾构轴线高，前方盾构机重量大，盾构机内管片难以发生上浮，由此造成脱出盾尾后数环管片出现不均匀上浮，环间形成的较大拉扯力，致使管片局部破损。

（3）盾构推进过程中分区压力不均，当分区压力相差较大时，易导致管片受到纵向偏心荷载，造成管片纵向向上位移，并在螺栓孔附近出现破损。

该区间隧道前310 环为大坡度下坡，且地层较软，若不形成上下区压差，盾构容易出现栽头，姿态不易控制。掘进过程中盾构机上下分区压力如图7 所示。

图7 盾构分区压力差

图中分别为上减下区压差和左减右区压差统计结果，从图中记录结果分析可知：①大部分区段上下区压差大于5 MPa，局部区段上下区压差达10 MPa 以上，其中下区压大于上区压；②左右区压差无明显变化规律。可见，掘进过程中，若上、下区压差控制不好，管片受到剪切力作用，有助于后续管片发生上浮，从而造成管片破损。

4 应对措施

针对管片存在的破损问题，采取以下几个方面措施进行控制管片上浮和分区压差，管片上浮控制目标为上浮量小于30 mm。

1）调整盾构姿态时控制上下油压差不超过5 MPa，千斤顶行程差不超过40 mm，盾构机每环纠偏量≤4 mm，避免上下千斤顶行程差较大，管片轴线与盾构机轴线形成较大夹角使盾构机上部盾尾间隙减小、甚至管片卡死盾尾，而发生管片破损。

2）缩短浆液初凝时间，定期检查浆液是否按照既定配比进行，确保现场使用浆液的质量，避免搅拌站为了节约成本添加了其他添加剂，减少了水泥用量，必要时安排现场实验室相关人员按照相应配比配制同步注浆液，确定其初凝时间、稠度等，并观察其凝结性。

3）局部不理想部位在盾尾后2～5 环采用水玻璃双液浆进行二次注浆稳固管片，在管片易上浮区段阻止其上浮；二次注浆孔开孔时可将钢钎加长，穿过同步注浆体，注入前确定好注入参数，做好技术交底，以实现二次双液注浆效果。

4）更严重部位在盾尾后8～10 环位置注环氧树脂，形成止水环，防止后方未固结的浆液泌水向盾尾扩散，造成管片持续上浮，同时也可防止注入的双液浆扩散到周围管片，减弱其固结效果。

5）280 环以后首先为大坡度下降至310 环，然后是小坡度上升至580环，最后是大坡度上升至780环，掘进过程中，根据不同坡度适当调整竖直方向铰接角度（不大于0.3°），以减小上下分区压力差。

5 施工效果

盾构掘进第280 环后，严格控制管片壁后同步浆液在管片后方的初凝时间为6 h，经现场开孔检测，24 h 后的固结率达到90 %；根据不同坡度合理控制盾构区压，对向区压差控制在5 MPa 以内，并将各方向盾尾间隙控制在18～30 mm 之间，以确保盾构与管片之间的良好姿态；由此，管片脱出盾尾后上浮量得到有效控制，平均上浮量控制在17 mm，只有个别位置超过了30 mm，管片拼装质量得到极大改善。

图8 改善后管片上浮量

6 结语

本文以淤泥地质大坡度盾构隧道施工为研究对象，分析了管片成型质量的影响因素，提出了有针对性的控制措施，结果表明：该地层大坡度盾构隧道的管片易上浮、破损，破损现象主要出现在顶部和底部，且顶部破损位置位于上浮环，底部破损位置位于上浮环的相邻环。其原因与同步注浆初凝时间和盾构区压差有关，经采取控制同步注浆初凝时间、分区压差和盾构姿态等措施，可有效控制管片上浮量，抑制管片破损的产生，提高了管片成型质量，可为后续类似工程提供一定借鉴。