成型管片碎裂问题分析

成型管片碎裂问题分析

冼海欧

摘 要：盾构隧道管片碎裂影响着成型隧道的实体质量，也给隧道后续防水堵漏工作增加工作量，因此，分析、解决、控制管片碎裂是十分必要的。文章从盾构机械、所处地层、衬背注浆、盾构姿态及线路走向等影响因素着手，对盾构掘进过程中管片碎裂的现象、原因进行了分析研究，并提出了控制措施。

关键词：盾构隧道，管片碎裂，管片上浮，千斤顶同缩现象

1工程概况及地质条件分析

1.1工程概况

某市地铁1号线6标【**站～**门】区间盾构隧道单线全长1703.2米，区间隧道平面总体走向呈“﹙”字形，纵断面总体走向呈“V”字形，长1701.8m，平面曲线半径为1200m、450m、800m；最大纵坡23‰；隧道埋深12～16m。右线已掘进230环为4‰竖曲线下坡段，地质情况主要以粉质粘土为主。隧道最大覆土厚度约为15.5米，隧道水平曲线最小转弯半径为399.851米，最大纵坡为37％。本区段盾构隧道穿越地层分布较稳定，分层界限明显，土层起伏变化不大。整个区间隧道穿越土层主要为粘土层，粉质粘土是盾构施工的主要土层，黄褐色，土质较均匀，属中等压缩性土。

本次勘察期间地下水稳定水位埋深在9.5~10.3米，地下水位与季节、气候、地下水赋存、补给及排泄有密切关系，丰水期（10月~3月）间，地下水位会有所上升，旱季期间，地下水位会有所下降，水位年变化幅度为2.00米。

2盾构隧道管片碎裂观测及分析

2.1盾构隧道管片碎裂观测统计

盾构右线自45环开始，已拼装管片拖出盾尾后管片出现连续的碎裂，主要出现在11、12、1、2点位。



图1 隧道成型管片碎裂图

3盾构隧道管片碎裂的影响因素分析

3.1盾构隧道管片上浮的影响

3.1.1管片上浮位移的观测

10年12月5日来对下行线纵坡为-24‰的第50～65环段管片中心高程上浮位移值进行统计见表1，图1则显示了根据表1绘制的管片拼装后中心高程上浮位移变化曲线。从统计数据和管片垂直位移曲线走势可以观察出，在纵坡为-24‰的第50～65环段管片拼装后最大上浮位移达80mm左右。

表1 纵坡为-24‰的第50～65环段管片中心高程上浮位移值

右线管片环号 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

VMT垂直偏差(mm) -29 -35 -33 -31 -28 -26 -25 -51 -52 -54 -54 -49 -38 -36 -35 -41

垂直实测偏差(mm) 51 32 43 42 47 37 40 34 31 29 31 36 40 35 41 43

管片上浮值(mm) 80 67 76 73 75 63 65 85 83 83 85 85 78 71 76 84

3.1.2管片上浮的影响因素分析

①盾构工法特性的影响

为保证盾构的顺利掘进和管片拼装，盾构机的切削刀盘直径D与隧道衬砌管片的外径d有一定的差值。成型隧道处于西安水位线下黄土地层中，土体自稳性好，管片脱出盾尾后，拱顶土体全部塌落到管片结构需要一定时间和过程，如不及时充填此空间，脱出盾尾的管片周围处于无约束的地下水的包围状态，给管片的位移提供了可能的条件。在全断面地下水压力作用下，防水性能优良的衬砌隧道则有上浮的趋势。以本区间盾构隧道外径6.0m、内径5.4m、宽1.5m的管片为例：

管片混凝土自重G=ρ×g×Vc=2400 ×9.8×8.05≈189{kN) (1)

水浮力 F=ρw×g ×V=1 000 ×9.8 ×42.39≈415(kN) (2)

式中：可见管片混凝土自重G小于水浮力F，而拱顶土体施加在管片结构上需要时间，这就给管片上浮提供了空间。

②同步注浆工艺的影响

从衬背注浆的目的和对浆液的性能要求上分析，及时填充固结管片背后环形建筑空间是解决管片上浮位移的关键。要达到上述目的，关键问题是选择的注浆浆液应满足：①必须具有充填性；②应具有一定的和易性且离析少；③应及早凝固且有一定的早期强度，以抵抗变形对管片产生的不均匀压力。同时，浆液硬化后的体积收缩率要小，以便更好地固定管片；④应有合适的稠度，以便不被地下水稀释。

本区间隧道同步注浆浆液采用惰性浆液，其主要成分为砂、粉煤灰、膨润土和水，24 h强度很低(基本无强度)，在富水地层中，惰性浆液初凝时间长，浆液在初凝前容易被稀释，因此低强度浆液不仅无法对管片提供约束，相反提供了上浮力；另一方面，在盾构机掘进震动和重力作用下，未凝固的浆液材料很可能被挤到隧道底部或地层其他间隙，进一步加剧了隧道上浮。

表2 同步注浆浆液配比

水泥（kg） 粉煤灰（kg） 膨润土（kg） 砂（kg） 水（kg） 外加剂

80~140 381~241 60~50 710~934 460~470 根据实验加入

注浆量计算，根据刀盘开挖直径和管片外径，可以按下式计算出一环管片的注浆量。

V=π/4×K×L×（D12-D22） V—— 一环注浆量， L—— 环宽（m）， D1—— 开挖直径（m），

D2—— 管片外径（m）， K—— 扩大系数取 1.5~2

代入相关数据，可得：V=π/4×（1.5~2）×1.5×（37.6996~36）=3.0~4.0m3/环

从盾构机掘进到管片脱出盾尾后的工况分析来看，管片脱出盾尾后(一般情况2～3环)，同步注浆的浆液不能达到初凝和一定的早期强度，隧道管片仍然可视为浸泡在液体之中，在浮力的作用下必然会产生上浮现象。

③黄土地层地基回弹

本段隧道设计轴线纵断面呈“V”字形上下坡，所处地层又是黄土，而盾构机的重量主要集中在前盾{切口环和支承环)，由盾尾至后配套台车间一段衬砌(约9～10环管片)基本无压载，同时上浮管片脱出盾构后失去了约束，盾构出土造成地基卸载，管片受到地基回弹的作用，进一步上浮。

3.2盾构机械的影响

此次盾构掘进采用的是日本小松生产的土压平衡盾构机。据施工单位反映，小松盾构机适合在粘土地层掘进，但盾构机使用时间一长，会出现不同程度的推进油缸同缩现象。小松盾构机推进油缸分为4个区（如图3所示），也就是说在收缩A区推进油缸时，邻近B、C区推进油缸会出现卸力的情况，直接导致已拼装完成但尚未拖出盾尾的管片受重力作用往下掉，直接导致后一环成型管片顶部12、1点位螺栓孔位置处出现拉裂现象。



图3 小松盾构机油缸分布图

3.3盾构姿态与推力的控制

盾构机在掘进过程中的运动轨迹实际上是一条蛇形运动轨迹，始终围绕着隧道轴线作蛇形运动，要通过不断调整各分区油缸千斤顶的推力来让盾构机运动中不断逐渐靠近隧道设计轴线。在盾构掘进中，由于盾构机自身重量，可能发生盾构机偏离隧道中心线以下。此时，为纠正其运动轨迹不断靠近理论轴线，要加大下部千斤顶的推力以克服盾构机身的自重。在隧道轴线由下坡改变为上坡或由急下坡改变为缓下坡时，亦需要加大下部千斤顶的推力，循序渐进地改变盾构机的运动轨迹，以满足设计线路的需要。但分区推力及盾构姿态的不同对管片质量造成较大的影响。上下部的推力差大时，对管片螺栓连接处产生一个向下的剪切力FV，当剪切力与管片上浮的合力超过螺栓处混凝土的承载力，就会发生碎裂

4结 语

地质是基础，盾构机是关键，人是根本。此次管片碎裂的发生时间主要在晚上，根本原因还是人为，如管片注浆量的不足，盾构姿态的控制等。要想彻底控制管片碎裂的发生，除上述施工措施外，进行人员施工责任心教育是关键。

参考文献：

【1】复合地层中的盾构施工技术，竺维彬，鞠世健 2005年中国科学技术出版社

【2】广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究，竺维彬，鞠世健 2007年既南大学出版社