机械论文:盾构隧道管片开裂的原因及相应对策

　　机械论文:盾构隧道管片开裂的原因及相应对策

　　1.工程概况

　　某市轨道交通七号线一期工程，包含1站1区间。区间隧道采用盾构法施工；线路由南往北延伸。盾构区间线路平面最小曲线半径R=350米。线路纵断面为采用V形坡设计，区间出车站最大坡度为26‰，隧道覆土覆土厚度为7.86m～32.55m，隧道过珠江沥窖水道段净覆土均大于11.5米。

　　工程地质条件分析：本区间设计线路有一条北亭断裂，在通过断层前主要穿行于<6>全风化泥质粉砂岩、<7>强风化泥质粉砂岩、<7Z>强风化混合花岗岩和<8>中风化泥质粉砂岩，通过北亭断层后隧道穿行于<6Z>全风化混合花岗岩、<7Z>强风化混合花岗岩、<8Z>中风化混合花岗岩、<9Z>微风化混合花岗岩、<5Z-1>砂质粘性土。

　　2.管片生产环节造成的开裂

　　2.1开裂特征

　　管片生产环节主要在两个不同的阶段出现开裂：第一阶段为管片蒸汽养护完成脱模后的养护阶段，以肉眼可见的细小龟裂为主。管片外弧面形成较多的表面裂纹，裂缝宽度一般不超过设计要求0.2mm，极个别位置裂缝侵入保护层。第二阶段为管片强度达到要求后，管片转厂运输、进场验收及拼装过程中发现的微细裂纹，这种裂纹出厂外观检查时不易发现，一旦管片受集中应力作用，裂纹迅速呈不规则状发展。受地质条件变化或不均匀地质影响，盾构机在推进过程中可能出现掘进速度突然下降，推力巨增。导致邻近管片均无开裂的情况下，个别管片应力集中管片表面呈严重的网格状开裂，该裂缝没有规律，范围较大，宽度一般较小。

　　2.2原因及应对措施

　　通过管片生产过程驻厂检查及调查不同管片预制厂家，其厂内出现管片开裂主要由混凝土配合比问题和施工工艺不科学等原因引起，相应对策如下。

　　（1）因地制宜优化配合比

　　因全国经济发展差异，每个修建地铁的城市千差万别，同一个城市不同的区域所选用的混凝土原材料性能差异较大，并且气候条件也相差甚大。因此，即使使用同一种标号的混凝土管片(C50)，配合比也不尽相同，不能生搬硬套，应通过系列试验进行适应本地的混凝土配合比验证，特别应根据气候条件[2]。

　　（2）优化施工工艺

　　管片生产的施工环节依次为原材料混凝土拌合、混凝土运输入模、振捣、蒸汽养护、脱模、蓄水养护等，其中对管片质量控制及混凝土密实度影响最大的施工环节为：振捣工艺和养护工艺（蒸养、水养）。

　　振捣工艺：该区间管片生产为移动滑模式，振捣模式采用模具振动台整体振捣，模具整体振捣的振动能量大，同一浇筑层混凝土振捣均匀，机械操作减少人为因素影响；但易出现垂直层面上不均匀，并且在上孤面或外孤面易出现翻浆，在特殊位置，如螺栓孔、吊装孔因构造筋或钢构件密集需人工振捣加强，以减少因混凝土振捣不到位产生的裂缝。

　　养护工艺：混凝土管片养护主要为脱模前蒸养和脱模后水养。蒸汽养护能够缩短脱模时间，加快钢模的周转效率，但必须严格控制蒸养最高温度、内外温差、升温和降温梯度等参数，防止温差导致混凝土表面出现收缩裂缝；蓄水养护周期为7天，混凝土充分进行水化作用，能增强混凝土的密实度，从而更有效地从源头减少开裂。

　　3.盾构掘进过程造成的开裂

　　3.1开裂特征

　　裂缝的位置主要位于隧道腰部以上，拱顶占数量居多。以正向裂缝为主（裂缝的开口方向与盾构推进方向相一致，反之为负向裂缝）。在隧道腰部和稍偏上位置也存在负向裂缝。其中左线1069至1075环连续在2点及10点钟方向连续出现贯通裂缝。其中1070环2点中方向裂缝宽度达0.89mm（见图1，图2），1072环2点钟方向裂缝宽度达0.49mm，其他环管片裂缝不超过0.2mm。

　　图1左线1070环管片裂缝

　　图2裂缝测宽仪测量左线1070环管片裂缝宽度

　　3.2原因及应对措施

　　有关盾构掘进施工造成管片开裂的具体因素及相应对策，业内人士众说纷纭，其他项目也曾多次组织国内外著名专家进行研究，并根据工程经验及现场情况提出众多意见，但在后续工程施工实践过程被大家普遍认可且采取应对措施的主要为以下几种：

　　（1）推力过大

　　盾构机推进油缸直接作用于管片上为盾构机提供推进反力，其推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导致管片开裂的最直接因素。通过查询掘进记录参数该位置推力为9000～12000KN，根据地质条件及掘进参数，该位置推力处于正常值范围内。调查研究当总推力超过15000 kN 时，对于未经蓄水养护或养护不当、厚度30 ～35 cm、配筋150kg/m3以下的管片极有可能开裂，随着总推力的增大，其开裂的频率骤增。该区间管片配筋为180kg/m3，且总推力处于正常值范围内，因此推力过大不是导致裂缝的最直接原因。

　　应对措施：① 掘进过程中向土舱内注入膨润土、分散剂、泡沫剂等外加剂，对渣土进行改良，避免刀盘前面和土舱内结“泥饼”，减小掘进扭矩和总推力；

　　②在地质条件相对稳定的地段，确保地面沉降可控的情况下尽可能不采取土压平衡掘进模式，而采用欠土压掘进模式、或半开舱模式、或辅助气压掘进模式。

　　（2）千斤顶推力不均匀、撑靴着力点偏位

　　经过对左线1069至1075环现场连续观察发现管片上部多出现崩角破损，中部以下未发现崩角破损，且管片拼装错台及拼缝较大，管片整圆度偏差较大。经长期现场总结分析与试验发现，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。后经精确量测，该位置管片拼装整圆度偏差较小，更有效证明了这部分开裂是由于千斤顶的撑靴着力点偏位所致。两者的偏差是由管片与盾构姿态及撑靴板设计不合理造成的[3]。

　　应对措施：①更换新的千斤顶撑靴，此类开裂明显减少。

　　②推进过程中尽量保持每组油缸受力均匀，减小油缸行程差，姿态纠偏必须要调整油缸推力时保证勤纠少纠。

　　图3撑靴推力重心偏位

　　（3）盾构机姿态控制与线路曲线不匹配

　　盾构机姿态控制与线路曲线段不匹配(见图4)，致使盾壳与管片直接的间隙过小挤压管片开裂、盾尾顶压管片开裂等(见图5)。盾壳与管片之间间隙过小挤压管片，还与盾尾尾刷结块硬化、盾尾壳体椭变和隧道旋转、管片连接螺栓未拧紧(易使管环变形)、线路曲线变化等有关。这个推断在盾构进洞上托架后得以证实:管片开裂的位置尾刷严重损坏、盾尾内壳磨光。根据区间平纵断面显示左线1069至1075环为线路竖曲线变坡位置，掘进过程中未能提前考虑变坡。

　　应对措施：①提前策划好转弯地段的盾构姿态并预留提前量，宜缓慢掘进，慎重纠编。

　　②在注双液浆封环时尽量与盾尾保持3环的距离，防止双液浆包裹盾尾刷结块导致盾尾刷损坏。

　　图4盾构机姿态与曲线段不匹配示意图

　　（4）管环出盾尾后变形过大

　　出盾尾后管片开裂多是因为管片上浮严重变形引起，而变形则是由盾尾填充物及填充工艺、盾壳内管环姿态、盾尾间隙量大小及地层的偏压等因素造成，其中盾尾填充物及填充工艺对变形影响最大。左线1069至1075环位于过珠江沥窖水道段，该位置地层透水性大为富水地层，施工过程中也出现了水压较大的喷涌现象。在1070环附近位置地质发生变化，在盾构隧道拱顶部位置出现<9z>地层的夹层。

　　由于地层含水量大，盾构施工时管片背后同步注浆填充效果很差，管片推出盾尾后变形较大。为保证施工连续性，该位置进行多次注双液浆封环，导致管片背后填充不均匀。该位置管片上部地层又出现夹层。管片拱顶部出现可供变形的空隙，开裂随着变形而发生。

　　运营发现管片开裂后对左线1070、1072环管片2点钟位置裂缝安装电子裂缝监测设备见图6，对1070环安装棱镜进行断面扫描，扫描数据见图7。通过对管片扫描数据分析，该裂缝位置管片整圆度变形较大，变形达50mm。

　　图6电子裂缝监测设备

　　图7左线1070环断面扫描

　　应对措施：①保证管片背后填充效果，减少管片上浮。管片拖出盾尾后及时进行管片姿态监测，发现管片变形较大立即补注双液浆。

　　②管片背后补注浆时将注浆压力控制在合理范围内，防止因注浆压力过大导致裂缝产生。

　　4.盾构隧道运营过程中的开裂

　　该区间单位工程验收移交时暂未发现该处出现裂缝，运营1年后发现该裂缝发育较大。隧道机械论文运营过程中的开裂主要由两个方面的原因造成，其一是隧道周边土压、水位发生改变。该位置位于过珠江沥窖水道段，受航运及水流影响未能详细对其地质情况进行勘测，且工后周围地质、水位发生变化；其二是隧道内列车的振动造成周边地层变化。该位置地层出现夹层且位于过珠江沥窖水道段富水地层，存在列车振动导致周边地层发生变化的可能。

　　应对措施：①对裂缝宽度超过0.2mm位置安装裂缝宽度监测设备并进行定期（每周三次）进行裂缝宽监测。

　　②定期（每月一次）对裂缝宽度超过0.2mm的位置进行管片断面扫描。

　　通过对监测数据分析，结合目前的裂缝宽度测量数据、隧道沉降变形数据、管片裂缝发展程度、地质情况、管片配筋情况综合分析，目前该段隧道结构基本处于稳定状态，在外界环境条件、地层条件、地下水条件等不发生较大变化的前提下，隧道结构是安全稳定的，不影响列车运行。

　　5.建议

　　造成管片开裂的原因很多又很复杂，对其机理研究是一个论事与实际不断验证的阶段，预防管片开裂既要讲究综合治理，又要讲究有针对性，首先从源头抓起。根据现有数据，以及检测技术手段限制，尚不足以对裂缝成因做出精准判断，导致管片开裂的原因为以上分析的几点，为保证该区间运营安全，提出一下建议：

　　（1）查找左线第1060环至中风井的施工同步注浆、二次注浆的详细记录，进一步分析。

　　（2）选取开裂管片进行混凝土强度检测和钢筋保护层厚度检测。

　　（3）继续现有的隧道断面收敛、断面扫描和裂缝宽度监测措施，至少监测半年，观察隧道断面及裂缝的变化。

　　（4）裂缝继续暴露对管片耐久性不利，对目前管片裂缝位置首先涂刷环氧胶泥进行封堵，待其达到强度后在裂缝位置打斜孔注环氧树脂进行补强。

　　（5）在以后的管片生产过程中应采用强制蓄水养护7 天以上的养护措施。

　　（6）盾构施工要控人为因素总推力过大的现象发生。管片尽可能居中拼装，并且要保证环面平整。

　　（7）要根据不同地区地质条件，通过现场试验摸索及时优化盾尾充填物的性能和充填工艺，使其达到最佳效果。

　　结束语：

　　某市轨道交通七号线一期工程区间为过珠江沥窖水道盾构隧道，地层地质条件复杂，地下水位高，地层透水性强且富水，施工难度大。对其区间出现的管片裂缝进行分析，为以后类似工程提供了可借鉴的经验，尽量减少管片开裂的发生。