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土压平衡盾构管片在软土地层中的病害防控技术研究

1 工程概述
【海晏北路站～福庆北路站】区间隧道长747.456m，断面为单线圆形隧道。设计曲线最小半径为600m，最大纵坡为25‰，区间埋深9.3m～16.3m，隧道线间距13m。区间采用日本小松土压平衡盾构机掘进，该盾构机外径6340mm，长度8680mm，中盾处设有主动铰接及径向注浆孔装置。管片拼装选用楔形管片错缝拼装工艺，其外径6200mm，内径5500mm，厚350mm，宽1200mm，楔形量为37.2mm的通用型管片，盾尾与管片理论间隙为30mm，管片环缝有凹凸榫槽设计，每环由3块标准块、2块邻接块和1块封顶块组成。
区间所穿越的土层较为复杂，主要为②_2-2灰色淤泥质粘土，其中底部含有少量的③₁粉砂层，推进至+30环进入-24‰的竖曲线，土层以②₂灰色淤泥质粘土为主，有少量的③₁粉砂层、②_2-1灰色淤泥和③₂灰色粉质粘土夹粉砂，该土质具有高压缩性、低透水性、强度低、稳定时间长的特点，在盾构机的扰动下易发生流变，地面易产生较大沉降，管片易上浮。
2 区间管片产生的几种病害
2.1 管片凹槽侧内弧面环向开裂
产生位于背向千斤顶的凹槽侧内弧面的环向裂缝，此种管片开裂数量占区间全部管片破损数量的95%以上，范围较广，对管片产生的质量危害较大。且开裂范围90%以上位于1、2、3、14、15、16点位，特征较明显。此种管片开裂时机基本上在脱出盾尾后1～3环，初始发生时缝隙较小，随着推进裂缝发展很快，在盾尾后8环左右停止发展。多出现于管片上浮量较大（详见2.11）或盾构机姿态不佳，如：盾构机垂直姿态与管片垂直姿态夹角过大、盾构机垂直姿态首尾差较大、较大纵坡时发生。
一般盾构机垂直姿态不佳时，管片上浮量更大，从管片结构配筋图可以看出，环缝凹槽侧壁无配筋，属于抗剪薄弱部位（如图1）。管片本身凹槽侧内弧面素混凝土过厚，最多达到9cm，由于没有设置抗剪钢筋，钢筋保护层偏大将会降低混凝土的抗剪能力，管片在此处抗剪能力差，致使管片在凹槽处受径向剪切力时，凹槽处易发生开裂现象。

2.2 管片凸榫侧内弧面环向开裂
凸榫侧内弧面环向开裂主要是位于迎向千斤顶的凸榫侧内弧面产生的环向裂缝，开裂位置主要在10、11、13、14点位。此种管片开裂时机主要在推进过程中发生开裂，往往在每环掘进出第一斗土时就已经产生裂缝，出盾尾后无太大发展，裂缝开裂范围较小。多出现于盾构机出缓和曲线与圆曲线变化的转弯侧。
由于盾构机在曲线掘进时，盾尾与管片不可避免地会产生夹角，造成转弯侧管片间隙较小，盾构掘进千斤顶施加压力，转弯侧管片应力集中，盾尾拉住管片外弧，造成管片内弧相互挤压而引起开裂。从本区间来看，在155环开始盾构机姿态偏离轴线较大，盾构机姿态的变化直接影响到盾尾间隙的变化（如图2）。盾构机的运动轨迹波动幅度过大，导致管片与盾尾之间的间隙不均匀，造成盾体对管片的挤压使管片开裂。

2.3 管片迎千斤顶侧内弧面纵向开裂
隧道管片内弧面纵向开裂主要是位于迎千斤顶侧管片内弧面的纵向裂缝，开裂范围主要位于1、2、15、16点位，当开裂长度超过15cm时，往往伴有渗水现象发生。一般在盾构机姿态与管片姿态产生夹角较大时，纵向裂缝才会出现。
由于区间隧道主要处于③₁层粉砂和③₂层灰色粉质粘土夹粉砂地层中，该类地层一经扰动易产生液化流动，在盾构掘进时易流动至盾构机底部，从而使盾构机整体抬升，导致盾构机在掘进过程中姿态难于控制，容易跑偏超限,且纠偏困难。而掘进过程中盾构机姿态与管片姿态不相吻合，盾构机姿态如超限较多，盾尾间隙偏小，管片与盾构机会存在较大的夹角，在推进过程中，造成盾构机推进油缸千斤顶与管片横断面不垂直接触，产生径向分力，同时盾构机盾尾对管片产生挤压，导致管片出现开裂。同时考虑到通用型楔形管片，本身存在凹凸槽咬合，在拼装时也极易出现局部受力，也会造成管片内弧面的纵向开裂。
还有一种原因，拼装管片前对盾尾的清理不干净,使得管片的环缝夹有泥砂,造成整环管片的环面不平整，脱出盾尾后，管片又存在错台趋向，先拼管片凸槽对后拼管片凹槽产生径向剪切，当盾构机油缸千斤顶对后拼管片施加推力进行盾构掘进时，因不均匀受力使管片凹槽侧发生纵向开裂。
2.4 封顶块或邻接块掉角
此种破损多出现于管片拼装过程中，封顶块开口尺寸不够导致的。往往在拼装完成时就已经产生裂缝，推进过程中，千斤顶加大对管片的推力，导致裂缝扩大，最终角部掉落。也有在上一环止水橡胶条挤出，未进行处理，导致环面不平整，邻接块角部呈锐角，千斤顶对管片施加应力时，也较容易导致邻接块掉角。
2.5 块管片中间产生裂缝
管片中间产生的裂缝本区间不多，但出现的较为集中，往往是连续5、6环持续同一部位破损，分析原因主要在管片与管片之间姿态不好时产生的，环与环连接不是一个平面，而是有夹角，会形成一个“内喇叭”。在推进过程中，块管片中间的局部被集中应力顶裂。此种危害开裂普遍较宽，会出现较大掉块，有时裂缝较深，会将管片螺栓暴露出来。修补管片时，有未掉块的，但已产生裂缝，要将管片开裂处凿掉，重新修补。
2.6 管片环之间错台较大
管片环之间错台大，分为腰部错台和顶部错台。管片腰部错台多由于盾构机掘进至小曲线半径时产生，由于盾构机千斤顶顶力与管片产生一定的夹角，造成环与环之间凹凸不平，产生错台。管片顶部错台多由于管片出盾尾后，管片上浮产生的，一般这种错台在管片出盾尾后，能均匀上浮，在管片稳定后，错台逐渐会变小，影响不大，但这种错台带来的更大危害是造成管片开裂（具体见2.11）。
2.7 管片块之间错台较大
由于本区间所用的管片端头设有定位棒，管片块与块之间错台，多是由于拼装过程中，定位不精细，定位棒挤压破碎，造成块与块之间上下错台大。
2.8 管片环之间渗漏水
管片环缝渗漏水分为几种情况：一是由于管片与盾尾之间间隙过小，盾构机推进过程中，盾尾拉碎管片迎水面，这种情况一般在隧道内看不出管片破损，但迎水面已破损，三元乙丙橡胶止水带脱空，如不及时采取修补措施，管片脱出盾尾后，环缝就会出现渗漏。第二种情况是封顶块拼装时，开口尺寸较小，导致三元乙丙橡胶止水带挤出或变形，造成橡胶止水带和封顶块不密贴，这种情况渗漏特点较明显，是发生在封顶块之间的环缝渗漏。第三种情况是管片拼装过程中，拼装区域盾尾未清理干净或掉落的浆块、混凝土块未及时清理，造成环与环之间连接不密贴，也会造成环缝之间渗漏水。
2.9 管片块之间渗漏水
管片块之间渗漏这种情况出现较少，往往是一出盾尾就会发现有渗漏，一般浆液固结后，渗漏情况会有所好转。这种渗漏水一般是由于管片拼装之前或拼装过程中产生的，一块管片从井口吊到工作面，需要经过用龙门吊从井口吊至电瓶车上，再分别经过单轨梁、双轨梁等运至拼装区域，其中任何一个环节如果不注意保护的话，都有可能碰伤管片，造成迎水面的橡胶止水带不脱空，引起渗漏。在管片拼装过程中，如伸出的千斤顶一端先顶在管片上，会造成管片受力不均匀，也会造成管片掉角或裂缝，从而引起块缝或环缝渗漏水。
2.10 管片吊装孔处渗漏水
管片吊装孔处渗漏比较简单，一般发生在管片开孔进行二次注浆，壁后封堵不及时或封堵不严密造成的，一般随着二次浆液凝固后，渗漏处也随之消失。但由于二次注浆的浆液呈白色且较集中，吊装孔处渗漏对管片整体表观质量感觉较差。
2.11 管片上浮
管片上浮对管片产生的危害较大，可能造成管片破损或管片姿态超限、错台等，管片上浮在淤泥质软土上浮量更大，一般会达到6～8cm。
管片上浮除地层原因外，还应考虑同步注浆控制不当，当管片脱出盾尾后，由于盾构掘进过程中的蛇形运动、超挖以及理论间隙，使得管片与周围土体之间存在一环形间隙。由于管片自重与所受到的浮力差有20t左右，同步注浆使用的是惰性浆液，在该类富水地层中凝固时间较长，初期强度较低，因此拖出盾尾时管片在浆液中处于悬浮状态，当注入的浆液尚未凝固时，浆液由于重力原因向下部流动，造成管片上部和下部存在压力差，由于压力差管片在浮力作用下有上浮的趋势，管片在脱出盾尾后1～3环时存在10～50mm的上浮，3～6环一般会达到60～80mm的上浮量（如图3）。管片上浮引起的环缝处凹凸榫槽错位是造成凹槽侧壁应力集中并导致该类破损现象的主要原因，因此若衬背注浆参数选择不当，如浆液凝固时间过长、注浆次序和压力选择不当时，就易因浮力造成管片错台，管片错台易形成对管片环缝处凹槽的径向剪切力，造成管片内弧面出现裂纹或破损（如图4）。

3 产生管片病害的防控措施
⑴盾构机与管片姿态超限首先以调整盾构机姿态为主，管片姿态要逐步拟合盾构机姿态，防止纠偏过急。充分摸清后续盾构掘进地质情况，加强盾构机姿态控制，做到勤纠、少纠。每环纠偏量不大于5mm，且严禁出现单环盾构机纠偏量过大情况出现，并根据盾构机姿态、设计线路、管片点位，制定详细的纠偏计划，为施工过程提供数据依据。
⑵做好管片拼装点位的选点工作，提高管片拼装质量，避免在管片拼装过程中出现错台现象。及时根据盾构机姿态与设计曲线调整管片楔形量，优化管片拼装点位选择，减少千斤顶油缸行程差，正常掘进时尽量控制每环行程差在20mm以内。纠偏过程中行程差控制在30mm以内，当行程差大于40mm，必须及时调整，防止因管片姿态不能拟合盾构机姿态，造成管片开裂现象发生。
⑶遇到设计线路线形发生变化，应提前参考盾构机推进姿态，制定详细掘进计划，模拟盾构后续掘进，以保证不因设计线路线形的改变，而引起盾构机掘进时自身姿态、管片姿态与线路线形无法拟合。
⑷调整管片之间软木衬垫的厚度，用3.0mm厚代替1.5mm厚，增加凹凸槽拼装时空间的富余量，以改善管片受力状况。
⑸控制好管片生产的质量，对管模尺寸进行精准控制，管模中混凝土浇筑时防止钢筋笼上浮，避免钢筋保护层厚度过大。
⑹封顶块安装前对止水条进行润滑处理，安装时先径向插入，调整位置后缓慢纵向顶推。封顶块安装到位后，应及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，顶推力应大于稳定管片所需力，然后方可移开管片拼装机。
⑺在浆液性能的选择上应保证浆液的充填性、初凝时间与早期强度、限定范围防止流失（浆液的稠度）的有机结合，才能保证隧道管片与围岩共同作用形成一体化的构造物。盾构隧道衬背注浆的浆液配比应进行动态管理，依据不同地质、水文、隧道埋深等情况的变化而不断调整浆液性能，以控制地表的沉降和保证管片的稳定。根据本区间的掘进情况，对浆液配合比摸索上，认为缩短浆液凝固时间，提高浆液初期强度，在注浆泵能够顺利注入的情况下尽量选用厚浆，同时优化了注浆点位和注浆量，减少管片上部和下部压力差，有效地降低了管片上浮量。
⑻对脱出盾尾管片上浮量较大的情况，一是可以考虑用型钢进行固定，减少相邻管片环之间的错台量。二是考虑提高管片环缝凹槽侧壁的抗剪强度，可以在管片制作过程中，在凹槽保护层处设置有抗剪钢筋的管片，提高管片自身抗剪能力。三是加强管片与管片之间的螺栓连接，尤其是纵向螺栓必须经过初紧、复紧、终紧拧紧，避免由于螺栓未拧紧造成管片上浮，导致管片错台。
⑼由于本区间使用的通用型楔形管片，存在凹凸槽咬合，在拼装或推进时极易出现局部受力，造成管片内弧面出现裂缝。如果在管片接缝上取消凹凸榫槽的设计，改为平头接缝或减小凹凸量，也可以降低对管片拼装或推进的精度要求。
4 结语
盾构区间管片破损、错台、渗漏水等产生的病害原因是多方面的，有客观原因和主观原因，如管片凹凸槽钢筋的设置、同步注浆浆液的选择、管片拼装精度等，只有从管片质量、盾构机姿态、掘进参数设置等多方面控制，精细化施工，才能有效控制管片病害情况的产生。