盾构隧道管片开裂的原因和相应对策

摘要：管片作为盾构隧道最基本结构单元,其开裂必将造成隧道质量问题,并最终影响隧道的使用寿命。文章分析了管片生产、施工、使用过程中的开裂原因,并提出相应的对策,对指导施工具有重要的意义。

关键词：盾构隧道；管片开裂；原因；对策

中图分类号：U45文献标识码： A

前言：至今为止,中国地铁已建成的盾构隧道总长超过2000km,其中上海超过567 km,北京上海超过465 km, 广州超过260 km,南京、深圳、重庆等的盾构隧道也超过500多公里，其他城市也正在进行盾构隧道施作,2013年施作地铁隧道的盾构机至少超过50台。在这2000多公里的盾构隧道中,质量总体较好,但尚存在开裂、破损、错台、气泡等问题,其中开裂对质量影响最大,并最终影响隧道使用寿命。造成管片开裂的因素很多,但按时段来分,可概括为三类,即管片生产过程造成的开裂、盾构施工过程造成的开裂和盾构隧道使用过程中的开裂。

1.管片崩角、崩边破损

1.1原因分析

盾构隧道管片为钢筋混凝土结构，其开裂主要由受力不均或受力过大造成。在施工过程中，管片的受力状态与设计不完全一致。在这些荷载的相互作用下，盾构管片出现了不同的受力特征。通过分析，总结了造成管片出现上述开裂现象的原因有如下几种。

1.1.1管片环面不平整：造成管片环面不平整的主要原因有：管片制作精度存在误差，管片纠偏时贴片不平整，盾构机推进时各区的千斤顶推力大小不等，管片之间的环缝压缩量不一致等。因管片环面不平整，盾构机千斤顶作用于管片上将产生较大的劈裂力矩而造成管片开裂。

1.1.2千斤顶撑靴损坏或重心偏位：盾构机通过千斤顶作用于管片上向前掘进，在千斤顶与管片接触处设置撑靴以减小管片压力，撑靴损坏后管片局部压力增大造成管片损坏或出现裂缝。在盾构掘进过程中已拼装的管片中心线与盾构机本身的中心线重合为理想状态，但在实际施工中两条轴线存在偏差，造成管片偏心受压。

1.1.3盾构机姿态控制与线路曲线段不匹配：管片是在盾构机尾部内进行拼装，拼装完成后隧道管片在盾构机内部的长度约2.3m,管片外侧的空隙为5cm，盾构机在曲线段掘进时盾构机的姿态变化与管片的姿态变化不一致，盾尾密封刷挤压管片造成开裂。

1.1.4管理不严格：（1）掘进参数控制不当，千斤顶的选择未能兼顾管片走向，技术交底工作未能落实。（2）管片拼装管理不严格，造成错台、管片接触不平顺。（3）拼装前管片检查不充分，管片上存在污物。

1.2防治措施：（1）盾构机在掘进时!注意加注泡沫剂，防止土仓内积“泥饼”而减小推进扭矩和总推力，同时应防止推进速度过快。（2）严格控制管片制作时的质量，减小管片的制作精度误差。在施工过程中保证贴片位置的准确性，盾构掘进完成后，检查上一环管片的环面平整度。（3）检查千斤顶撑靴，出现损坏时应及时更换。

2.盾构施工过程的管片开裂

2.1开裂实例及特征：国际上在盾构施工过程中管片开裂的实例很多,本文仅举有代表性三例。

例1:广州地铁一号线黄沙站～长寿路站区间、二号线海珠广场站～市二宫站区间均有部分管片开裂,裂缝的位置主要位于隧道中部以上,拱顶占多数。以正向裂缝为主,即裂缝的开口方向与盾构推进方向相一致,这种裂缝占总裂缝数的90%以上。

例2:广州地铁二号线某区间左线50～200环,也有部分管片开裂,但几乎全为负向裂缝,并且裂缝常见的位置在隧道腰部和稍偏上位置。

例3:瑞士Sorenberg内燃气隧道,盾构直径4.6 m,隧道内径3.8 m,管片厚25 cm,管片用Bekaert钢纤维混凝土制作,上部盾尾空隙由豆砾石砂浆填充。

2.2成因及对策

有关盾构施工造成管片开裂的具体因素及相应对策,众说纷纭,广州地铁曾多次组织过国内外著名专家研究,提出过许多观点,但被证明合理的且所采取的有效对策主要有下述几种:

2.2.1总推力过大：作用于管片上的力是造成管片开裂的最基本因素,其中盾构掘进过程中总推力过大是致使管片开裂的最直接原因。目前,国内地铁盾构隧道(内径5.4～5.5 m)施工,常见的总推力在5 000～15 000 kN之间。建立土压平衡状态下或土舱内聚结“泥饼”的情况下,总推力将超过15 000 kN。当总推力超过15000 kN时,对于未经水养或养护不好的、厚度30～35 cm、配筋150 kg/m3以下的管片则有可能开裂,总推力的增大,开裂的频率也增大。

2.2.2管片环面不平整和千斤顶撑靴重心偏位：根据理论计算,即使只有0.5～1.0 mm的高差,将会造成下一环片最大劈裂力矩为1 241 kN・m。盾构管片虽然都属于精密管片,但安装过程中任何不精细和错缝拼装的原因(从结构刚度来说,错缝拼装优于通缝拼装),造成0.5～1.0 mm错位的频率是较高的。因此,为了防止这类开裂,尽可能地提高管片的安装精度。经长期跟踪和试验发现另外一部分的开裂是当千斤顶与管片之间加垫一块与管片断面同尺寸的木板后,掘进时裂缝数量明显减少。

3.盾构隧道管片破损、开裂应对措施

3.1管片上浮的处理：管片上浮后的处理比较难，在地下水较发育的地层中，一般在隧道底部打开注浆孔泄压#释放管片底部的注浆浆液，根据试验，此方法效果不理想，而且污染隧道。一旦发现管片上浮超限，应立即停止盾构掘进，对已上浮的管片通过注浆孔进行二次注浆。注浆材料以瞬凝双浆为宜，注浆应顺着隧道坡度方向，从隧道拱顶至两腰，最后压注拱底。打开拱底注浆孔无渗水时终止注浆，以防止盾构恢复掘进后管片继续上浮。

3.2盾构姿态的控制：黄一义区间隧道曲线段为350m半径的曲线，盾构转弯掘进过程中，盾构姿态与曲线段不匹配，致使盾壳挤压管片开裂、整圆器顶压管片开裂。与此同时，推进千斤顶在管片端面作用不均匀顶力，盾壳通过盾尾刷对管片产生挤压，从而使整环总体变形。盾尾刷结块硬化、盾尾壳体椭变和隧道旋转、管片连接螺栓未拧紧等因素使盾壳挤压管片，过量的蛇形运动必然造成频繁的纠偏，纠偏的过程就是管片环面受力不均的过程。因此，必须控制好转弯地段的盾构姿态，宜缓慢掘进，慎重纠偏。

3.3注浆浆液配比与注浆工艺：注浆液的配比、初凝时间、注浆量的多少等都会影响管片安装后的稳定性。管片在约束条件不好的情况下，易发生变形，会出现管片开裂。所以，应根据管片上浮规律和盾构推进姿态合理选择注浆孔位、注浆量和注浆压力。

3.4管片环面不平和千斤顶撑靴重心偏位控制

3.4.1因管片环面不平整，盾构千斤顶作用于管片上产生较大的劈裂力矩造成管片开裂。因此。要严格控制管片的制作质量，减小管片制作的精度误差；施工过程中要确保管片位置的准确性，盾构掘进完成后检查上一环管片的环面平整度。

3.4.2千斤顶撑靴重心与管片中心线位置不吻合时，管片由于受力不均造成管片开裂。造成千斤顶撑靴重心偏位的因素有：管片没有居中拼装、盾尾刷结块硬化以及盾构姿态控制不好等。其相应对策有：更换千斤顶撑靴，使新撑靴的推力重心始终与管片中心线保持一致，同时争取做到居中拼装。

4.结语

根据地层情况选择不同的浆液，同时在掘进中进行严密的监测，发现管片上浮现象，及时更换浆液。及时调整盾构姿态，使其掘进方向与隧道尽量保持一致，减少因盾构与管片拼装不同心造成的管片破损。掘进施工中，应及时矫正错误操作，严格按照操作规程施工，尽量避免由于千斤顶位置偏移或管片安装过程中敲击螺栓等造成的管片破损、开裂。

参考文献：

[1]王振信.盾构法隧道的耐久性[J].地下工程与隧道,2002-02

[2]李志南.地铁盾构隧道管片制作误差的研究[J].地铁科技,2001-03