雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)施工管片內(nèi)表面裂縫成因分析

桑文才

(山西省萬家寨引黃工程管理局，山西太原 030012)

0 引言

雙護(hù)盾巖石隧洞掘進(jìn)機(jī)(Double Shield Tunnel Boring Machine)經(jīng)常用于調(diào)水工程長隧洞的掘進(jìn)施工，該工法有掘進(jìn)速度快、施工安全性高、開挖襯砌流水作業(yè)一次性成洞等優(yōu)點(diǎn)。在施工過程中，管片裂縫是一種質(zhì)量通病。導(dǎo)致管片裂縫的原因較多，除設(shè)計(jì)原因外，主要與施工荷載和不良地質(zhì)圍巖應(yīng)力有關(guān)，經(jīng)常是多種因素復(fù)合而成。宋書顯［1］分析了管片混凝土配合比設(shè)計(jì)、澆筑、養(yǎng)護(hù)等過程中管片產(chǎn)生裂縫的情況;昝志斌等［2］分析了管片安裝機(jī)機(jī)臂張力及其他安裝荷載引起底頂管片發(fā)生裂縫的情況;王從慶［3］、梁晉平［4］分析了輔助油缸作用于管片的偏心推力導(dǎo)致側(cè)管片發(fā)生裂縫的情況;李文全等［5］、馮超等［6］分析了圍巖壓力導(dǎo)致管片產(chǎn)生裂縫的情況，并且指出裂縫的出現(xiàn)與管片類型沒有直接關(guān)系，而管片類型的區(qū)別在于鋼筋配筋量的不同;葉飛等［7］、姜敦燦［8］分析了盾構(gòu)掘進(jìn)施工管片產(chǎn)生裂縫的各種情況。雖然盾構(gòu)與雙護(hù)盾TBM有差異，但許多施工工藝有相同之處，值得借鑒。本文對某隧洞側(cè)管片內(nèi)表面的多處裂縫進(jìn)行了詳細(xì)觀察和分析，認(rèn)為在軟質(zhì)地層中掘進(jìn)時(shí)主推油缸強(qiáng)行牽引及尾盾鋼板約束是造成管片內(nèi)表面產(chǎn)生裂縫的主要原因。

1 工程概況

某無壓輸水隧洞的25 km洞段采用羅賓斯155－274型雙護(hù)盾TBM施工。隧洞最大埋深430 m，最大水頭200 m，開挖直徑4.819 m，管片襯砌后內(nèi)徑4.140 m，管片為蜂窩狀六邊形結(jié)構(gòu)，厚25 cm，寬120 cm，每4片組成1環(huán)。

TBM掘進(jìn)洞段上游段穿越地層為太古界集寧群片麻巖與古生界寒武系、奧陶系各類灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖及中生界燕山期侵入巖等。除侵入巖外，沿線地層均較平緩。TBM掘進(jìn)洞段下游段地層為中生界石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組及下石盒子組的砂頁巖、煤層、砂巖、泥巖。隧洞巖層走向 NE，傾向SE，傾角范圍5°～24°，一般為5°～10°。

施工過程中，隧洞下游段已安裝的側(cè)管片內(nèi)表面連續(xù)產(chǎn)生裂縫，上游段已安裝管片內(nèi)表面也不同程度地產(chǎn)生裂縫。本文基于對裂縫管片的現(xiàn)場調(diào)查，對裂縫成因進(jìn)行分析和研究。

2 裂縫洞段現(xiàn)場情況

2.1 裂縫的出現(xiàn)位置與發(fā)現(xiàn)時(shí)間

裂縫檢查分2個(gè)階段進(jìn)行。第1階段在后配套前部及尾盾內(nèi)進(jìn)行，除個(gè)別裂縫通過肉眼可直接發(fā)現(xiàn)外，主要是通過地下水或人為灑水后形成的水印進(jìn)行判別。水沿管片表面流淌，形成水線。當(dāng)水線遇到裂縫后，便會分成2股，一股在管片表面受重力作用向下流，另一股則沿裂縫延伸，形成水印。在沒有地下水或人工灑水的管片處，許多裂縫被漏檢了。第2階段則是在后配套尾部，在管片表面沖洗后剛變干時(shí)進(jìn)行，此時(shí)所有裂縫上都形成了水印，因此裂縫檢查比較全面。

總體來說，裂縫發(fā)現(xiàn)時(shí)間滯后于產(chǎn)生時(shí)間，二者間隔多久，很難準(zhǔn)確判定。根據(jù)實(shí)際檢查情況分析，裂縫最早是在尾盾內(nèi)的管片上被發(fā)現(xiàn)的。

2.2 裂縫狀況

裂縫主要位于側(cè)管片中部和中部靠下位置，基本上位于2個(gè)灌漿孔之間，個(gè)別頂管片也曾產(chǎn)生少量裂縫。由于底管片表面普遍存在泥污，觀測條件差，無法準(zhǔn)確檢查裂縫的存在情況。

在TBM掘進(jìn)施工洞段約3 500環(huán)管片的長度范圍內(nèi)，共計(jì)有191環(huán)管片產(chǎn)生裂縫，其中左側(cè)398條，右側(cè)287條，有38環(huán)管片左右側(cè)同時(shí)產(chǎn)生裂縫(如圖1所示)。每片管片上裂縫數(shù)量不等，個(gè)別管片上裂縫達(dá)到8條(如圖2所示)。

圖1 裂縫沿管片環(huán)分布Fig.1 Cracks along segment rings

圖2 裂縫在管片上的分布Fig.2 Cracks on segments

裂縫主要沿洞軸線方向水平延伸，以張裂縫為主。大部分裂縫橫貫整環(huán)管片，縫寬多在0.3 mm以下，部分裂縫縫寬達(dá)到1.2 mm。極個(gè)別裂縫是閉合縫，縫兩壁之間緊緊閉合，縫緣沒有擠碎現(xiàn)象。通過長時(shí)間觀察，發(fā)現(xiàn)縫寬基本穩(wěn)定，不隨時(shí)間變化。

裂縫沒有貫穿管片厚度，因?yàn)榱芽p水印主要是由管片內(nèi)表面流進(jìn)縫內(nèi)的水或由管片接縫處流進(jìn)縫內(nèi)的水形成的。即便圍巖中有地下水出露，只要管片內(nèi)表面及管片接縫無水，裂縫便保持干燥狀態(tài)。跨著裂縫鉆孔取芯，芯樣中裂縫深度均不超過10 cm。

2.3 洞內(nèi)現(xiàn)場調(diào)查

對TBM作業(yè)情況、管片結(jié)構(gòu)、地質(zhì)情況、地下水狀況等進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查和比較，總結(jié)如下:

1)在圍巖完整洞段，管片、圍巖間隙分明;在圍巖裂隙發(fā)育洞段，大量巖塊脫落堆積在管片上。圍巖松散洞段，側(cè)管片上有裂縫;圍巖完整洞段，側(cè)管片也有裂縫;2類洞段的裂縫數(shù)量、分布和縫寬無明顯區(qū)別。

2)在泥巖質(zhì)圍巖洞段，巖壁完整，但部分洞段圍巖收斂變形較大，圍巖緊貼在頂管片上。圍巖、管片緊貼洞段，側(cè)管片有裂縫;圍巖、管片存在間隙的洞段，側(cè)管片上也有裂縫。

3)隧洞轉(zhuǎn)彎段與直洞段均有裂縫，且二者的裂縫特征沒有明顯差異。

4)管片在洞外、洞內(nèi)運(yùn)輸及安裝過程中均未發(fā)現(xiàn)裂縫，裂縫主要是在已安裝的管片上發(fā)現(xiàn)的，個(gè)別管片在安裝就位尚未脫出尾盾便產(chǎn)生裂縫。在這些管片上游表面上，裂縫從管片內(nèi)表面向內(nèi)延伸，裂縫深度不超過止水條所在位置。

5)在一段約200環(huán)長度的泥巖質(zhì)圍巖洞段，由于工序安排原因，未及時(shí)進(jìn)行豆礫石和水泥回填灌漿。部分洞段的圍巖由于收斂變形較大與頂管片緊貼，該處側(cè)管片沒有產(chǎn)生裂縫，且管片接縫處的勾縫砂漿也比較完整，沒有破碎開縫或砂漿擠出現(xiàn)象。由此表明，圍巖壓力并未導(dǎo)致管片環(huán)顯著變位。

6)在一些裂縫發(fā)生洞段，曾進(jìn)行過TBM尾盾糾偏操作。尾盾調(diào)整的方法是:前護(hù)盾穩(wěn)定油缸支撐圍巖，主推油缸收縮，尾盾一邊向前拖動，一邊旋轉(zhuǎn)。

7)施工中曾一度忽略了刀盤、刀具的維護(hù)工作，導(dǎo)致刀盤面板和側(cè)緣嚴(yán)重磨損，側(cè)緣個(gè)別部位甚至被磨穿，不得已進(jìn)行停工大修，并且在面板和側(cè)緣加焊了耐磨板。恢復(fù)掘進(jìn)后相當(dāng)長的洞段上都沒有產(chǎn)生裂縫，但隨著TBM的繼續(xù)掘進(jìn)，裂縫又逐漸產(chǎn)生了。

8)豆礫石回填和底拱水泥注漿在管片剛脫出尾盾后進(jìn)行，而側(cè)拱、頂拱灌漿則在后配套末端和后配套之后進(jìn)行，考慮到裂縫主要是在側(cè)拱、頂拱灌漿之前發(fā)現(xiàn)的，因此推斷灌漿不是產(chǎn)生裂縫的原因。

3 裂縫成因分析

管片經(jīng)歷的施工環(huán)節(jié)有澆筑、蒸養(yǎng)、拆模、起吊、常溫養(yǎng)護(hù)、洞外洞內(nèi)裝卸運(yùn)輸、管片安裝、管片脫出尾盾、豆礫石回填、水泥灌漿、承受外界圍巖壓力等過程，現(xiàn)對各個(gè)施工環(huán)節(jié)逐一進(jìn)行分析。

如上節(jié)所述，管片在澆筑、蒸養(yǎng)、拆模、起吊、常溫養(yǎng)護(hù)、洞外洞內(nèi)裝卸運(yùn)輸、直至洞內(nèi)安裝之前，均未產(chǎn)生本文所述的裂縫。

在相似工程管片安裝過程中，曾發(fā)生管片安裝機(jī)抓取管片時(shí)管片內(nèi)表面開裂的情況［2］，這是因?yàn)楣芷惭b機(jī)徑向油缸壓力過大，抓取管片時(shí)夾具沖擊力超過管片彎矩承載力，導(dǎo)致管片內(nèi)表面開裂。針對上述可能原因，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。在側(cè)管片安裝過程中，當(dāng)管片安裝機(jī)抓起管片時(shí)，將管片向運(yùn)輸盤上快速下壓。連續(xù)試驗(yàn)若干管片，管片內(nèi)表面均未產(chǎn)生裂縫。

根據(jù)現(xiàn)場觀察，裂縫分布與豆礫石回填、水泥灌漿、承受外界圍巖壓力、洞軸線彎直情況均無相關(guān)性［4］，結(jié)構(gòu)計(jì)算也印證了這一點(diǎn)。在管片自重、回填灌漿、圍巖壓力、彈性抗力、內(nèi)外水壓力等各種荷載組合下，側(cè)管片內(nèi)表面均以受壓為主。雖然側(cè)管片內(nèi)表面下部受拉，但拉力要小得多(如圖3所示)。

經(jīng)過上述排查分析，最后認(rèn)為裂縫是在管片安裝就位、管片脫出尾盾等施工過程中產(chǎn)生的。具體分析如下:

在TBM掘進(jìn)過程中，TBM主機(jī)經(jīng)常偏離設(shè)計(jì)位置，因此總是進(jìn)行掘進(jìn)方向調(diào)整和糾偏，導(dǎo)致主機(jī)軸線與洞軸線不平行，二者之間存在一個(gè)微小夾角。相應(yīng)地，尾盾軸線與洞軸線也不平行，或者說，尾盾與其內(nèi)的管片環(huán)也不平行，尾盾軸線與管片環(huán)軸線之間總是存在微小的夾角。如果管片與尾盾之間的間隙不足，則管片外表面與尾盾鋼板可能會接觸，產(chǎn)生接觸壓力。根據(jù)TBM的設(shè)計(jì)，尾盾與管片之間的頂部空隙較大，側(cè)壁空隙較小，因此，側(cè)管片與尾盾接觸的概率較大。至于底管片，雖然尾盾底部開口邊緣與底管片更易接觸，但該處尾盾鋼板處于自由端，變形能力較大，會抵消部分接觸壓力。

圖3 管片環(huán)各種荷載下的彎矩圖Fig.3 Bending moment of segment rings under different loads

尾盾與側(cè)管片接觸時(shí)產(chǎn)生接觸壓力，導(dǎo)致管片內(nèi)表面受拉、外表面受壓。當(dāng)TBM處于掘進(jìn)行程時(shí)，尾盾與管片相對位置不變，產(chǎn)生接觸壓力的原因主要是護(hù)盾或管片環(huán)形狀不規(guī)則、相對位置錯(cuò)動、管片安裝機(jī)施壓等。除特殊情況外，這些力不會太大。但是，如果尾盾與側(cè)管片緊緊接觸，或者尾盾與側(cè)管片接觸且尾盾與圍巖也接觸(圍巖收斂變形較大或TBM邊刀磨損較大都可能造成開挖洞徑縮小)，則尾盾、側(cè)管片、圍巖相互制約。當(dāng)TBM由掘進(jìn)行程轉(zhuǎn)為復(fù)位行程、主推油缸強(qiáng)行收縮牽引尾盾時(shí)，圍巖、尾盾和管片環(huán)三者之間可能產(chǎn)生很大的摩擦力和接觸壓力，管片內(nèi)表面產(chǎn)生過大拉應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂(如圖4所示［7］)。

本工程TBM的頂管片與尾盾設(shè)計(jì)間隙約19 mm，側(cè)管片與尾盾設(shè)計(jì)間隙約14 mm，在管片與尾盾之間可容易地塞進(jìn)去1個(gè)手指。但在施工過程中，各處間隙均不滿足設(shè)計(jì)要求，手指有時(shí)能塞進(jìn)去，有時(shí)不能;有時(shí)管片與護(hù)盾緊緊相貼，連手指甲都塞不進(jìn)去。在某斷面進(jìn)行測量，頂部、側(cè)壁間隙大約3 mm，個(gè)別部位不足1 mm。

圖4 盾構(gòu)作用力Fig.4 Pressure generated by shield shell

現(xiàn)場觀察可見，由于撐靴摩擦，輔助油缸撐靴所在高度的尾盾內(nèi)表面光滑明亮，與其他部位褐紅色表面形成鮮明對比。在褐紅色的尾盾鋼板上，存在一道道水平擦痕，頂壁、側(cè)壁均是如此，有些擦痕寬大、明顯，許多擦痕上能找到管片混凝土受尾盾鋼板摩擦留下的粉屑。

管片安裝就位主推油缸牽引尾盾時(shí)，曾在尾盾內(nèi)觀察到幾塊內(nèi)表面開裂的管片，個(gè)別側(cè)管片從尾盾內(nèi)拆卸下來運(yùn)出洞外，如圖5所示(在安裝位置時(shí)裂縫沒有這么寬大，在拆管片和外運(yùn)過程中裂縫變大、變深)。這些管片裂縫是圍巖、尾盾、側(cè)管片相互約束以及主推油缸強(qiáng)行牽引尾盾，導(dǎo)致尾盾鋼板擠壓側(cè)管片，側(cè)管片內(nèi)表面拉應(yīng)力過大而開裂的典型事例。至于在TBM后配套上發(fā)現(xiàn)裂縫的情況，主要是裂縫發(fā)現(xiàn)時(shí)間滯后于裂縫產(chǎn)生時(shí)間的緣故。

圖5 尾盾內(nèi)開裂的管片(側(cè)面)Fig.5 Side face of cracked segment under shield tail

4 降低或減少管片裂縫的措施

要想避免裂縫的產(chǎn)生，必須避免尾盾鋼板對側(cè)管片產(chǎn)生過大的約束壓力。擴(kuò)大隧洞開挖直徑或尾盾直徑是一個(gè)辦法，但這樣做會加大洞室開挖量、增加豆礫石回填量和回填灌漿量，很不經(jīng)濟(jì)。除此之外，加強(qiáng)施工環(huán)節(jié)控制，也可降低或減少裂縫的產(chǎn)生。本文提出如下幾點(diǎn)建議:

1)控制好管片外表面平整度。在定制鋼模中澆筑混凝土?xí)r，管片外表面中間部位無模板，該部位不抹面時(shí)，管片厚度比設(shè)計(jì)值大，拼裝組環(huán)后管片外側(cè)中部超厚的混凝土?xí)p小管片與尾盾之間的間隙，容易引起尾盾鋼板對管片背部的約束壓力，導(dǎo)致管片內(nèi)表面開裂。

2)由于管片配筋率較大，且模具底部的附著式高頻振搗器經(jīng)常出現(xiàn)振幅不足、振時(shí)過長等情況，導(dǎo)致管片中部，尤其是外側(cè)部位粗骨料偏少、砂漿偏多，管片整體抗彎能力下降。因此，需要對模具振搗系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，避免上述情況的發(fā)生。

3)TBM在軟弱圍巖中掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)盡量減少班組停機(jī)檢修時(shí)間，或?qū)z修工作分在2個(gè)不同的時(shí)段進(jìn)行，以便縮短一次性停機(jī)時(shí)間。本工程原設(shè)計(jì)TBM尾盾底部結(jié)構(gòu)并無開口，尾盾是由水平分縫的2個(gè)半圓鋼板組焊而成的。施工過程中安裝的底管片坐落在尾盾上，當(dāng)尾盾受主推油缸牽引而前進(jìn)后，底管片架空向下跌落，導(dǎo)致管片錯(cuò)臺增大。因此，改進(jìn)TBM設(shè)計(jì)，預(yù)留尾盾底部鋼板開口，在底管片上設(shè)支座，管片環(huán)直接坐落在圍巖上，有效地減小了管片錯(cuò)臺。但是，隨之而來的負(fù)面效果是尾盾剛度下降。如果長時(shí)間停機(jī)或卡機(jī)，圍巖收斂變形過大，可能導(dǎo)致尾盾鋼板變形和縮徑。

4)本工程采用20世紀(jì)90年代初制造的掘進(jìn)機(jī)，主機(jī)偏差監(jiān)測及主機(jī)方向調(diào)整均由人工操作，誤操作和超標(biāo)情況時(shí)有發(fā)生［7］，增大了管片裂縫產(chǎn)生的概率。如果采用自動化監(jiān)控系統(tǒng)，會大大降低管片裂縫的發(fā)生概率。

5)本工程TBM尾盾未設(shè)止?jié){刷，充填的豆礫石經(jīng)常流到尾盾與圍巖巖壁之間，導(dǎo)致尾盾轉(zhuǎn)向不靈。如果設(shè)有止?jié){刷，管片裂縫的發(fā)生概率會有所下降。

5 結(jié)論與建議

TBM隧洞管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是基于垂直洞軸線的橫向荷載，如圍巖壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、灌漿壓力等。TBM隧洞管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沒有考慮掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的平行于洞軸線的縱向作用力，但這些縱向作用力卻很大。如果施工中尾盾與管片、管片與管片之間的相對位置不規(guī)范，這些縱向荷載偏心效應(yīng)可能會引起應(yīng)力集中和較大的橫向荷載，導(dǎo)致管片表面裂縫、管片邊角破損、錯(cuò)臺等質(zhì)量通病。在TBM掘進(jìn)施工中，一方面要提高施工人員，尤其是TBM操作員的作業(yè)技能;另一方面要加強(qiáng)TBM設(shè)備各部件、管片環(huán)的姿態(tài)監(jiān)控，盡可能避免上述質(zhì)量通病。

［1］ 宋書顯.盾構(gòu)大體積管片裂紋分析［J］.隧道建設(shè)，2006，26(10):56 －59.(SONG Shuxian.Analysis on cracks of large-scale segments for shield-driven tunnels［J］.Tunnel Construction，2006，26(10):56 －59.(in Chinese))

［2］ 昝志斌，梁晉平，謝冰.430－A型管片安裝裂縫原因初探［J］.山西水利科技，2000(4):25－27.(ZAN Zhibin，LIANG Jinping，XIE Bing.Discussing into cause of crack of 430－A segment［J］.Shanxi Hydrotechnics，2000(4):25－27.(in Chinese))

［3］ 王從慶.萬家寨引黃工程北干線1號隧洞管片裂縫處理［J］.山西水利科技，2008(4):17－18.(WANG Congqing.Treating tunnel segment cracks in No.1 tunnel of north main line of Wanjiazhai YRDP［J］.Shanxi Hydrotechnics，2000(4):17－18.(in Chinese))

［4］ 梁晉平.蜂窩狀六邊形混凝土預(yù)制管片裂縫原因分析［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2011(4):54－56.

［5］ 李文全，許潔，韓龍.引黃工程總干線6#隧洞管片裂縫及移位原因的進(jìn)一步分析［J］.水利水電技術(shù)，2002(8):13－14.

［6］ 馮超，羅志鑫，劉林濤.新疆大坂隧洞TBM施工管片裂縫原因及處理措施［J］.水利建設(shè)與管理，2008(4):38－40.

［7］ 葉飛，何川，王士民.盾構(gòu)隧道施工期襯砌管片受力特性及其影響分析［J］.巖石力學(xué)，2011，32(6):1801－1807.(YE Fei，HE Chuan，WANG Shimin.Analysis of mechanical characteristic of shield tunnel segments lining and its influence during construction［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(6):1801－1807.(in Chinese))

［8］ 姜敦燦.盾構(gòu)在推進(jìn)時(shí)隧道管片產(chǎn)生裂縫、碎裂的原因及防治措施［J］.隧道建設(shè)，2009，29(6):694－698.(JIANG Duncan.Causes and countermeasures for segment cracks［J］.Tunnel Construction，2009，29(6):694 －698.(in Chinese))