盾構(gòu)隧道施工期管片開裂原因和相應對策

1、盾構(gòu)隧道施工期管片開裂原因和相應對策1 施工階段管片受力分析盾構(gòu)隧道在施工過程中管片襯砌受到的主要荷載有千斤頂推力、注漿壓力、上浮力、盾殼作用力、拼裝荷載等。（1）千斤頂推力千斤頂推力是盾構(gòu)隧道掘進的驅(qū)動力，它反過來作用在管片上，是施工過程中隧道襯砌在軸線方向最大的外力。在目前國內(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道施工中，淤泥質(zhì)黏土層中總推力一般為812 MN，細沙土地層中總推力為1215 MN，全斷面砂土地層推力則為1520 MN，復合地層推力有時候達到20 MN以上，大型跨江海盾構(gòu)隧道千斤頂推力通常都在30MN以上。（2）注漿壓力依據(jù)盾構(gòu)工法的特性：拼裝好的襯砌脫離盾尾后，由于盾殼原來占據(jù)的空間、為襯砌的拼裝操

2、作所留空隙、盾構(gòu)推進時帶走的部分粘附于盾殼上的土體所形成的空隙等，在襯砌環(huán)背面與實際開挖洞壁間存在環(huán)形空隙，使土體暫時處于無支護狀態(tài)，該空隙即為盾尾間隙。盾尾間隙的大小是由盾構(gòu)鋼殼的厚度和盾尾操作空間決定的，一般為816 cm。盾構(gòu)工法施工中，對盾尾間隙的處理，即壁后注漿是施工的關鍵。壁后注漿在填充盾尾間隙、加固土體的同時，對管片也產(chǎn)生了一定壓力，該壓力達到一定程度時，可能引起管片局部或整體上浮、錯臺、開裂、壓碎或其他形式的破壞。（3）上浮力盾構(gòu)隧道的壁后注入的水泥漿液一般需要57h的初凝時間，而通常情況下這期間盾構(gòu)一直在向前掘進，如果周圍地層滿足一定條件，一定范圍內(nèi)的土體未能及時握裹住管片，

3、那么在這幾個小時內(nèi)有一段管片是懸浮在注漿漿液中的（或者是水、泥漿等），這就產(chǎn)生了管片上浮力（漿液浮力扣除管片自重）。（4）盾殼作用力管片與盾殼之間存在著一定摩擦力，盾尾密封刷對管片環(huán)也存在一較為均勻的環(huán)向壓力，一般情況下這些荷載不會對管片結(jié)構(gòu)造成影響。但是，當盾構(gòu)在曲線段掘進、糾偏，或者因其他原因造成盾構(gòu)長時間停止掘進（造成盾構(gòu)機“栽頭”發(fā)生）時，盾殼對管片造成的荷載尤其是擠壓荷載就變得不可忽視，如圖1所示。圖1 盾殼作用力（5）拼裝荷載拼裝荷載主要是管片拼裝過程中作用在管片上的裝配器荷載。管片拼裝器在拼裝管片的過程中需要來回調(diào)整拼裝位置以安裝縱橫向螺栓，若上一環(huán)管片斷面不平整，管片位置不精確

4、，會導致下環(huán)管片的受力不均勻，在帶來螺栓安裝困難問題的同時，亦在管片內(nèi)部產(chǎn)生了不均勻次生應力。盾構(gòu)隧道管片在施工期受到的其他施工荷載還有諸如后備套設備自重、管片運輸車自重以及真圓保持器千斤頂荷載等。2 施工荷載對管片結(jié)構(gòu)的影響21 管片裂縫施工期管片裂縫原因分析（1）盾殼集中力作用在前文所述“盾殼作用力”的情況，盾構(gòu)機械在姿態(tài)調(diào)整過程中會產(chǎn)生應力集中效應，應力積聚到一定程度，即會在管片表面產(chǎn)生裂縫，如圖2所示。由圖可見，管片在筒體內(nèi)時會受到盾殼筒體約束，但管片一旦脫離筒體，應力就會立刻釋放，所以離開筒體最近的一環(huán)管片最有可能破裂。圖2 盾構(gòu)機姿態(tài)調(diào)整產(chǎn)生裂縫（2）千斤頂?shù)牟涣柬斄Χ軜?gòu)掘進過程中

5、最為理想的狀態(tài)是管片環(huán)中線軸線與盾構(gòu)機中心軸線重合，而實際掘過程中這兩軸線的偏差時時存在，從某種程度上講，盾構(gòu)掘進的過程也是盾構(gòu)機的軸線不斷調(diào)整的過程。因為兩軸線的偏差，經(jīng)常會造成千斤頂?shù)闹行臎]有作用在管片環(huán)的中心上，造成管片偏心受壓，產(chǎn)生軸向彎矩，當此彎矩達到一定程度，亦會產(chǎn)生管片裂縫，如圖3 所示。圖3 千斤頂偏心荷載致使管片裂縫通常情況下，為加大千斤頂與管片環(huán)端面的作用面積，在千斤頂與管片接觸處都設置有撐靴，當撐靴損壞或其他原因致使撐靴傾斜地作用在管片的接頭面上時，會對管片結(jié)構(gòu)造成局部較大剪應力，也可能產(chǎn)生管片裂縫，如圖4 所示。圖4 千斤頂集中荷載致使管片裂縫（3）管片錯臺所致盾構(gòu)隧道

6、施工過程中，管片錯臺是經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象，而其反映在結(jié)構(gòu)上則是減小了該處的受力厚度，改變了管片結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，造成應力集中，通常也會造成管片裂縫，如圖5所示。圖5 接縫錯臺致使管片裂縫（4）拼裝間隙所致盾構(gòu)隧道管片拼裝管片時，一部分千斤頂需要縮回，即產(chǎn)生了局部應力釋放，造成已拼裝好的管片發(fā)生局部位移，產(chǎn)生拼裝間隙，使得環(huán)向接頭面上的不平整，在千斤頂作用下產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，進而產(chǎn)生管片局部裂縫，如圖6所示。圖6 管片拼接間隙產(chǎn)生裂縫2.2 管片局部破損盾構(gòu)隧道管片的局部破損多發(fā)生于連接螺栓的手孔處、定位孔邊緣以及管片周邊位置，也是盾構(gòu)隧道施工期經(jīng)常遭遇的一類破壞形式。一般是因為在吊裝、運輸或拼裝中遭

7、受了沖撞、磕碰、摩擦、擠壓所致，圖7為某盾構(gòu)隧道管片在定位孔位置的破損現(xiàn)象。圖7 管片局部破損2.3 止水條損壞，管片滲漏在盾構(gòu)隧道施工過程中，本文前面所提到的管片間的錯位（錯臺）會使得相鄰管片的止水條不能正常吻合，導致管片滲漏水。各種裂縫，尤其是貫穿性裂縫，也會引起管片滲漏水。連接螺栓未擰緊會使得管片在停止掘進后呈松弛狀態(tài)，造成接縫的擴張，讓止水條無法緊密結(jié)合，也是造成管片滲漏的原因。掘進中千斤頂撐靴擺放位置不對，致使止水條損壞，也是管片滲漏的潛在因素。此外，拼裝過程中不慎將止水條擦擠錯位或脫落，也會造成管片的滲漏（尤其是在插入封頂快時）。圖8 為管片拼裝過程中止水條脫落的圖片，圖9為拼裝好

8、的管片發(fā)生較大面積的滲漏水現(xiàn)象的圖片。圖8 拼裝封頂塊時止水條脫落圖9 管片滲漏水2.4 管片錯臺前已提及，管片錯臺是盾構(gòu)隧道施工中常見的一種現(xiàn)象（圖10），錯臺和本文前面所分析的管片裂縫往往相伴而生，發(fā)生大的錯臺的時候，往往會產(chǎn)生管片裂縫或破損。對于管片錯臺的原因，注漿壓力、上浮力、拼裝荷載、千斤頂荷載、盾構(gòu)機的姿態(tài)調(diào)整以及管片的制造誤差等，都可能造成管片錯臺。圖10 管片錯臺3 施工期管片破損保護3.1 掘進千斤頂控制3.1.1 盾構(gòu)掘進姿態(tài)的合理糾偏盾構(gòu)姿態(tài)是指盾構(gòu)機在掘進過程中盾構(gòu)機與設計隧道的相對形態(tài)，片姿態(tài)是指在掘進過程中，所拼裝的管片與設計隧道的相對形態(tài)。二者主要表現(xiàn)為左右偏移和

9、上下偏移4 種形態(tài)，具體表現(xiàn)在盾尾間隙、盾構(gòu)掘進時油缸行程差、管片錯位以及盾構(gòu)軸線偏移等。糾偏時，糾偏半徑一定要大于偏移半徑，即R糾>R偏，即盾構(gòu)機的糾偏角必須小于已偏移的角度，如圖11所示。圖11 盾構(gòu)糾偏示意圖盾構(gòu)機糾偏不能很快地把盾構(gòu)機調(diào)整到正確的姿態(tài)上去，一般要通過數(shù)環(huán)管片的漸進性修正。糾偏時，先將盾構(gòu)機偏角緩慢變小，但盾構(gòu)機仍為偏離狀態(tài)，控制盾尾間隙為微小變化，經(jīng)過一段距離后，盾構(gòu)機姿態(tài)才糾偏完成。切忌一次性糾偏到位，如果采用一次性糾偏到位，首先管片可能無法拼裝，即使能夠拼裝，一定會造成管片上應力集中，從而使管片推出盾構(gòu)筒體后產(chǎn)生爆裂；其次，若急劇糾偏，盾構(gòu)機將立即出現(xiàn)另一個姿

10、態(tài)偏移。而且，在盾構(gòu)掘進過程中，當盾尾間隙和行程器出現(xiàn)偏差時，應先及時測量監(jiān)控，確定是管片姿態(tài)出現(xiàn)問題還是盾構(gòu)姿態(tài)出現(xiàn)問題，然后再考慮糾偏。盾構(gòu)糾偏時為防止糾偏過急及產(chǎn)生內(nèi)裂，應采取如下措施： 盾構(gòu)機偏移方向使用較多油缸的同時，在糾偏方向使用適當數(shù)量的油缸，用以防止糾偏角度過大，減小應力集中 適當調(diào)節(jié)油壓，形成合適的油壓差以防止應力過于集中。3.1.2 逐步應力釋放及時將千斤頂頂進過程中施加給管片的預應力予以釋放，通過在應力集中部位發(fā)生一定位移，讓應力在拼裝好的管片中再次調(diào)整，重新分布，在一定程度上也會起到一定預防施工期管片破損的作用。3.1.3 地層對應不同的地層對油缸的選擇反應靈敏程度有所

11、不同。比如，在軟地層中掘進時，加上一支頂進油缸盾構(gòu)姿態(tài)就會有很明顯的變化，而在圍巖情況較好的風化巖層中掘進時，由于盾殼筒體受到較大的徑向摩擦，即便是加上幾支油缸，盾構(gòu)機整體反應程度也比較小。所以，盾構(gòu)機的姿態(tài)控制是經(jīng)驗性較強的一門技術(shù)，不光需要操作手高度的責任心、較好的業(yè)務素養(yǎng)，還需要果斷而靈敏的判斷和反應能力。3.2 注漿壓力控制注漿壓力是施工過程中管片所受到的一重要施工荷載，若該壓力過大，經(jīng)常會造成管片的變形和錯臺，嚴重時甚至會剪斷連接螺栓，尤其是封頂塊，注漿壓力經(jīng)常會使得封頂快有向隧道內(nèi)部空間發(fā)生位移的趨勢。所以，施工過程中對注漿壓力的控制顯得尤為重要。3.3 螺栓二次預緊管片拼裝時，每

12、拼裝一塊管片都會立即安裝上連接螺栓，一環(huán)拼裝完成時，一般該環(huán)能夠安裝的螺栓也會安裝完成。值得注意的是，隨著盾構(gòu)機不斷向前推進，已拼裝好的管片由于受千斤頂荷載作用，會發(fā)生沿盾構(gòu)軸線方向向后的位移，該位移的發(fā)生會使得已安裝的螺栓出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，隨著盾構(gòu)機的持續(xù)推進，千斤頂推力對后方已拼裝好的管片的荷載效應會越來越小，此時，螺栓的松弛效應即顯現(xiàn)出來，便會出現(xiàn)管片錯臺、接縫位置滲漏水等現(xiàn)象。實踐證明，在盾構(gòu)機掘進過程中，及時對已拼裝好的管片的連接螺栓進行二次預緊（甚至多次預緊），對保證拼裝精度、防止管片錯臺、滲漏等問題都有積極作用。4 管片的修補4.1 材料的選用水泥：采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，強

13、度等級32.5Mpa,質(zhì)量要符合硅酸鹽水泥，普通硅酸鹽水泥（GB175-1999）質(zhì)量標準。本工程采用42.5號二級白色硅酸鹽水泥，42.5號普通硅酸鹽水泥。細骨料：潔凈無污染的中砂，細度模數(shù)2.3-3.0，含泥量3%，其他技術(shù)指標符合TB10210-2001標準要求。外加劑：膠黃粘補劑、 “丙乳”液(二烯、苯乙烯共聚勿乳液)。4.2配合比設計配合比的設計不僅要求砂漿的強度，還要要求修補后的砂漿顏色于管片的顏色一致。配合比經(jīng)試驗室試配和現(xiàn)場反復試驗來確定較為理想的配合比，實際施工可跟據(jù)現(xiàn)場原材料的實際情況作適當?shù)脑嚺湔{(diào)整，一般可分為水泥漿和水泥沙漿兩種。水泥漿主要用于修補管片小蜂窩，小氣泡；水

14、泥沙漿主要用于修補裂縫及大于2毫米的氣泡、氣孔、蜂窩、孔洞、缺角等。水泥漿和水泥沙漿配合比如下所示：水泥漿配合比材料原色水泥白色水泥水粘接劑比重110.540.48注：水泥漿摻入適量的“丙乳”液（“丙乳”液為：丙乳:水=1:1）水泥砂漿配合比材料原色水泥白水泥砂水粘接劑比重117.50.720.3注：水泥砂漿摻入適量的“丙乳”液（“丙乳”液為：丙乳:水=1:1）4.3材料的運輸由于所用材料的量較少，不需要用電瓶車運輸，只須在地面人工拌合好修補材料后，人工搬運至施工點即可，如遇須高空作業(yè)，可搭設能移動的簡易腳手架及施工平臺。工具、設備的運輸必要時利用隧道內(nèi)電瓶車運輸。4.4主要方法與步驟1、對管片外表面的少量裂縫或表面少許破損均可采用“丙乳”液拌合的水泥漿填補，用灰匙壓平，且使用厚泡沫海棉塊蘸漿表面抹平。2、對管片外表面有裂紋的，要沿縫鑿程“V”形斜坡槽，槽深10毫米，再用水沖洗后，再用素水泥漿打底、水泥砂漿壓實抹干。3、對外觀損壞稍深的崩裂管片，可按以下步驟修補：用鋼鑿和鐵錘，人工鑿除已破裂松動的砼，要求打出新斷面并鑿毛，不允許有松動的砼塊殘留，再用鋼刷清理已打出的新斷面，并用壓力水沖洗。采用水泥砂漿填補之前，先涂素水泥漿（1：1水泥漿摻10%107膠薄涂一層），再采用水泥砂漿填補崩裂缺陷處，完成初步成形修補。為更好地控制水泥砂漿的密實度及與鑿出的新斷面結(jié)