地鐵盾構管片質量成因分析及防止措施

王小健

（成都地鐵有限責任公司　四川省　成都市　610041）

地鐵盾構管片質量成因分析及防止措施

王小健

（成都地鐵有限責任公司四川省成都市610041）

本文主要通過對膨脹性泥巖地層中盾構掘進出現的隧道質量問題進行深入分析，總結出造成管片質量問題的主要影響因素并如何控制管片上浮和盾構機姿態問題提出一些建議方案，為類似地層盾構施工的質量控制提供借鑒。

成型盾構隧道；管片質量缺陷；預防措施

1　工程概況

1.1工程概況

成都地鐵1號線南延線盾構隧道工程起始于科技園盾構始發井，止于廣都北站西端頭，本工程包括：科技園站～錦江站～華陽北站～華陽站～廣都北站4個盾構區間。

1.2地質情況

錦華區間左右線隧道地質情況見表1～2。

表1　錦華區間已掘進隧道線路平面概況表

表2　錦華區間已掘進隧道線路縱斷面概況表

1.3錦華區間水文情況

1.3.1地下水類型

下穿段地下水主要有四種類型：①賦存于粘土層之上的上層滯水；②賦存于粘土中的裂隙水；③第四系孔隙水；④基巖裂隙水。

隧道洞身范圍主要處于第四系孔隙水與基巖裂隙水。

1.3.2土層的水文特性

（1）雜填土①：分布于地表，滲透系數差異較大。

（2）粘土②3：為弱透水層，富水性較差，位于地下水位以上，根據成都地區經驗系數，滲透系數k=0.01m/d。

（3）粉質粘土③3：為弱透水層，富水性較差，位于地下水位以上，根據成都地區經驗系數，滲透系數k=0.02m/d。

（4）粉土④：為弱透水層，富水性較差，位于地下水位以上，根據成都地區經驗系數，滲透系數k=0.5m/d。

（5）細砂層⑤2：為中等透水層，呈透鏡狀分布，根據成都地區工程經驗系數，滲透系數k=8.0m/d，富水性較好。

（6）卵石土層（⑥2、⑥4）：廣泛分布，滲透系數k=25.0m/d，為強透水層，富水性好。

（7）強風化泥巖⑦1：廣泛分布，為弱透水層，富水性差，根據成都地區經驗系數，滲透系數k=0.2m/d。

（8）中風化泥巖⑦2：廣泛分布，為中等透水層，富水性差，局部裂隙發育，根據成都地區經驗系數，滲透系數k=0.2m/d。

據水文實驗資料可知，⑦1、⑦2地層滲透系數K為0.2m/d，均屬弱透水層。區間隧道大部分位于該中等風化泥巖中，受地下水影響較小。

2　錯臺破損統計

經現場統計，錦江站～華陽北站盾構區間左線隧道已掘進374環，其中64環管片破損，破損率為17%，7環管片錯臺大于20mm。右線隧道已掘進199環，其中48環管片破損，破損率為24%，6環管片錯臺大于20mm。

由數據統計可以看出，管片破損部位主要集中在為11點、12點、1點時鐘點位管片螺栓孔位置。

3　原因分析

3.1管片上浮

圖1　線168環～196環管片上浮曲線圖

由圖1可以看出，區間管片普遍存在上浮現象，管片脫出盾尾后的最大上浮量達到78mm，管片上浮近一步加大了管片法面與盾構掘進方向的夾角，導致管片破損。產生管片上浮主要有以下原因：

（1）通過計算管片脫離盾尾后4環管片，同步注漿漿液對管片的浮力遠大于管片自身重力，又因為同步注漿采用初凝時間為6～8h的砂漿，因此使管片有足夠的上浮時間。

（2）同步注漿不飽滿，管片存在上浮空間

目前盾構使用的39#、40#刀具尺寸為18寸，開挖面理論直徑為6305mm，刀盤面板直徑為6280mm，盾構前盾外徑6250mm，盾尾外徑6230mm，盾構機與開挖面存在一定的空隙，同步注漿時，漿液通過空隙竄向刀盤前方。導致同步注漿不飽滿，使管片外側與土層之間的間隙沒有及時有效地充填。

圖2　盾構機刀盤分布圖

（3）盾構機千斤頂分力大

目前盾構處在26‰縱坡段掘進，千斤頂的推力方向與管片的環向軸力不平行時，千斤頂向上的分力加劇管片的上浮。

綜合以上三點，管片上浮量較大，是導致管片錯臺、破損大的重要原因之一。

3.2盾構機推力不足

前期盾構掘進時總推力較小，僅有900t左右，作用于管片上的反力相應較小，管片與管片之間的擠壓力不夠，導致管片接縫不嚴。管片上浮時，環向螺栓由垂直方向變傾斜，造成管片產生錯臺，從而出現螺栓孔部位的破損以及裂縫、滲水。

3.3盾構機姿態不佳

（1）根據前期掘進施工總結，如果盾構機中前盾成直線掘進，盾首將會發生磕頭現象，為避免此情況的發生，我部一直采用盾構機抬頭向前掘進，方可保持盾構機以較為平衡的狀態掘進。采取此措施后，推進千斤頂油缸上下壓力差在100～120bar，鉸接油缸上下行程差在80～100mm，使盾構機出現“V”字型掘進。

（2）由于管片脫出盾尾后的上浮量較大，管片上浮時對盾尾有向上的頂力，使盾構機出現更加明顯的“V”字型掘進，實際施工中上部盾尾間隙基本在35～40mm之間，管片在未脫出盾尾前始終受到盾尾擠壓變形，脫出盾尾后約束力消失，掘進過程中管片又受到盾尾的拖拉，加劇了管片破損。

4　預防措施

4.1防止管片上浮措施

（1）調整同步注漿漿液配合比。將每方漿液水泥用量調整為180kg，砂用量調整為800kg，增大漿液的粘稠度，加大同步漿液的密度，將同步漿液初凝時間為3～4h，注漿量控制每環6.5方以上，注漿壓力控制在2.0～2.5ar。另外每隔兩環對管片頂部注漿孔位置開孔，檢查同步漿液的注入情況、觀察初凝時間，結合實際情況調整漿液。

（2）在目前已經掘進脫出盾尾后的3～4環進行整環二次注漿，形成止水環箍，阻止后方地下水向前方流動。

（3）施工中加強二次注漿控制，在管片脫出盾尾第3環，每隔5環進行二次注漿，形成止水環，控制管片上浮。二次注漿漿液為水泥漿和水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為1：1，水玻璃與水按1：1稀釋，注入時漿液與水玻璃體積比為：水泥漿：水玻璃=4：1，初凝時間為20s，注漿壓力控制在0.2～0.4MPa，二次注漿時以壓力控制為主。

（4）管片螺栓要求擰緊，并嚴格執行三次復緊，使得脫出盾尾的管片成為一個整體，減少管片錯臺。

（5）加強拼裝完成的管片姿態測量，做好拼裝過程控制，及時發現存在的問題并處理。

（6）根據前方線路及地層情況，并結合實測盾尾間隙、超前量預測管片趨勢，做好管片選型。

4.2優化掘進參數

根據地層及線路變化，實時調整、優化掘進參數，建立土壓平衡模式掘進。實際掘進時盾構機姿態控制應做到，勤糾、緩糾，通過千斤頂分組控制、鉸接靈活運用等方式，在隧道軸線控制在設計允許偏差范圍內前提下，使盾構機掘進軌跡保持平順，避免盾構機姿態突變。

（1）盾構機掘進姿態調整與糾偏應掌握下面幾個原則：

①盾尾間隙控制為主，線型控制為輔；

②掘進過程中一次糾偏量不能過大，每環糾偏量控制在4mm以內，防止糾偏量過大造成盾尾間隙過小。

③掘進過程中，推進油缸各區力差不能過大，尤其是上下油缸壓力差，當總推力不足時適當加大左右推進油缸壓力。

（2）試掘進時，逐漸增大盾構機推力。逐步將盾構機推力增加到1100t～1200t，土壓增高到1.2～1.3bar，掘進速度控制在30～ 40mm/min。

（3）對盾構機刀具進行了更換，將39#、40#18寸刀具更換為17寸刀具，減小盾構對土體的超挖量，從而防止管片拼裝時盾首姿態向下突變10mm左右。減小掘進過程中盾首姿態向上糾偏，避免盾構機成“V”字型。

（4）推進油缸行程控制在1800mm以內，有益于盾構糾偏過程中的盾尾間隙量測和控制。

4.3規范管片拼裝行為

（1）管片拼裝前必須清理盾尾拼裝部位的污泥與污水，并清理干凈前一環管片迎水面與盾尾間隙中的雜物，在盾尾無雜物、無積水的情況下才能開始拼裝管片。

（2）管片拼裝應遵循由下至上、左右交叉、最后封頂的順序，必須運用管片安裝微調裝置，將待裝的管片塊與已安裝管片塊的內弧面調整到平順相接，螺栓孔位置對正，螺栓穿插容易。

（3）盾構拼裝時，千斤頂不得全部縮回，拼裝完成后及時頂出千斤頂，使之頂緊管片。

（4）管片拼裝時，操作人員應認真操作，拼裝機動作應平緩，避免撞擊已拼裝管片。

（5）封頂塊安裝前實測并確保兩鄰接塊間間距，安裝止水條前涂抹潤滑劑，安裝時先徑向插入，調整位置后緩慢縱向頂推，嚴禁借用推進千斤頂強行頂推。

（6）管片拼裝過程中，必須嚴格控制管片拼裝的垂直度、橢圓度及螺栓的擰緊力矩，避免出現橫、豎鴨蛋，管片內翻、外翻等現象。

5　總結

通過對錦～華盾構區間管片破損原因分析，可以看出在膨脹性泥巖地層中盾構施工，由于管片上浮造成頂部盾尾間隙變小，是造成管片上部1點、11點破損的主要原因。管片姿態控制不當也是一個原因，由于盾構糾偏過程中，管片姿態不能跟上盾構機姿態，造成管片與盾體之間存在夾角，造成管片受力不均，以及有效推力降低。通過原因查找可以總結出在同類地層盾構施工時，應加強盾構機姿態管理，控制開挖直徑，加強同步注漿，規范管片拼裝質量，采取有效措施控制管片上浮。

U455.43

A

1673-0038（2015）12-0223-03

2015-3-5

王小健（1976-），男，工程師，從事地鐵工程質量管理和工程驗收工作。