小半徑曲線隧道盾構管片質量問題分析及對策★

陳云峰 張慶豐 吳起星

(1.中交隧道工程局有限公司盾構工程公司，北京 100102; 2.暨南大學力學與建筑工程學院，廣東 廣州 510632)

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·橋梁·隧道·

小半徑曲線隧道盾構管片質量問題分析及對策★

陳云峰1張慶豐1吳起星2*

(1.中交隧道工程局有限公司盾構工程公司，北京 100102; 2.暨南大學力學與建筑工程學院，廣東 廣州 510632)

以南寧軌道交通1號線某盾構區間小半徑曲線段隧道施工為例，分析了小半徑曲線段管片錯臺、破裂、滲漏等質量問題的產生原因，并從盾構選型、管片選型、掘進參數、注漿參數等方面，提出了相應的解決對策，可供類似盾構工程施工借鑒和參考。

盾構隧道，盾構施工，小半徑曲線，管片質量

0 引言

盾構法施工具有掘進快速、施工安全、對環境影響小等優點，已廣泛應用于城市地鐵、公路、水利、電力等隧道工程施工中[1]，當前綜合管廊、深層隧道排水系統的建設也在采用盾構工法。由于受規劃、建(構)筑物等的制約，隧道線路設計往往采用小半徑隧道線形來適應這種限制。盾構機掘進施工要求其姿態符合設計線路，但在小半徑曲線段很難實現，往往會造成錯臺、破裂、滲漏等管片質量問題[2-5]。下面將以南寧軌道交通1號線某盾構區間小半徑曲線段的盾構施工為例，分析盾構管片質量問題產生的原因及采取的應對措施。

1 工程概況

南寧軌道交通1號線某盾構區間左線小半徑曲線段圓曲線半徑R=330 m，長671.305 m，占區間總長53.6%；右線小半徑曲線段圓曲線半徑R=340 m，長689.830 m，占區間總長54.2%。盾構機選用土壓平衡式盾構，開挖直徑6.28 m，主機總長9.156 m，水平最小轉彎半徑R=250 m。盾構管片強度等級為C50，抗滲等級為P12；外徑6.00 m，內徑5.40 m，厚300 mm，環寬1.5 m；每環管片由3塊標準塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊共6塊構成，其中楔形環的楔形量為38 mm，楔形角為0.362 9°。盾構機掘進穿越地層主要為泥質粉砂巖、粉砂巖⑦2-3層和泥巖、粉砂質泥巖⑦1-3層，其天然單軸抗壓強度平均值分別為3.0 MPa和3.5 MPa，屬極軟巖。隧道埋深為6.0 m～20.2 m。

2 小半徑曲線隧道盾構管片質量問題分析

2.1 小半徑曲線隧道盾構管片質量問題

盾構機在小半徑曲線段掘進施工，根據該段管片檢查的結果統計，管片缺陷類別主要表現為破裂、滲漏和錯臺三種形式，左右線管片的缺陷率分別為36.4%，31.7%，明顯高于全線平均值。可見，小半徑曲線段管片質量控制是提高盾構施工管片拼裝質量的難點與關鍵。

2.2 小半徑曲線隧道盾構管片質量問題原因[6,7]

1)管片錯臺。盾構管片錯臺包括徑向錯臺、環向錯臺和縱向錯臺，引起的原因主要有如下幾種：

a.掘進引起錯臺。通常情況下，盾構機殼體與管片間存在50 mm～150 mm的盾尾間隙，當盾構機運動軸線與管片軸線不重合時管片可能受到盾構殼體擠壓力作用而產生錯位，如圖1所示。b.管片制造、拼裝時引起錯臺。由于管片制造尺寸有誤或拼裝時管片間存在高差而引起錯臺。c.注漿壓力過大引起錯臺。盾尾間隙需采用漿液填充，注漿過程中注漿壓力不均勻引起壓力過大往往會造成盾構管片發生錯臺，乃至開裂。d.管片拼裝操作不當引起錯臺。管片安裝時，盾尾殘渣清理不徹底、管片內環面平整度未調整好、管片螺栓未按要求復緊等不當操作均可能造成管片錯臺。e.管片上浮或下沉引起的錯臺。由于隧道產生上浮或下沉，部分管片向上或向下位移，而其他管片由于周圍約束較大又限制了其錯動，那么在錯動與沒有錯動的管片之間勢必產生錯位而形成錯臺。

2)管片破裂。此處管片破裂主要指盾構施工過程造成的破損，表現為管片混凝土崩裂、崩角、崩邊及裂縫等外觀缺陷，其原因主要有如下幾種：

a.推力與油缸行程差過大。盾構機在小半徑曲線段掘進過程中，整體的推力面和管片的平面存在夾角而產生側向分力，油缸形成差越大則其值也越大，該力使管片側向移動形成錯臺，進而造成管片錯臺碎裂。b.盾尾間隙過小。盾構機進入小半徑曲線段后，因測量誤差累積，盾構后續推進過程一直處于糾偏狀態，導致盾尾間隙變小，管片在出盾尾處所受到的盾尾密封刷擠壓力較大，導致管片出現錯臺崩裂。c.推進油缸靴靶作用力。盾構機在小半徑曲線段掘進時，內外側推進油缸受力懸殊，管片局部承受過大的反推力可能引起管片錯臺破損，推進油缸靴板破壞管片的發生概率高于非小半徑曲線段。d.管片拼裝操作不當。管片拼裝不當操作包括管片環面之間及相鄰兩塊管片間接觸面未達到理想平行狀態而強行操作、封頂塊強行頂入、封頂塊兩側未涂刷潤滑劑等，這些操作不當可能導致管片角部或接縫處發生破碎現象。

3)管片滲漏。管片滲漏指管片接縫、螺栓孔、注漿孔及管片裂縫處出現漏水質量缺陷。根據滲漏部位的不同，滲漏原因分述如下：

a.管片接縫滲漏。管片拼裝質量不好，接縫中有雜物或局部縫隙太大，使止水條無法滿足密封要求；盾構掘進過程中，糾編過大，所粘貼楔子墊塊厚度超過止水條的有效作用范圍；止水條粘貼質量不好，使止水條在拼裝時松脫或變形，無法達到止水作用。b.螺栓孔滲漏。由于未加防水膠圈、螺栓未擰緊及防水膠圈與管片接觸面之間有雜物等原因，引起螺栓孔部位出現的漏水管片質量問題。c.注漿孔滲漏。管片吊裝引起注漿孔周邊混凝土剝蝕或兼作泄水孔的注漿孔封堵不密實均可能導致注漿孔發生漏水。d.裂縫滲漏。管片制作養護不當造成管片出現氣孔和龜縮裂縫、盾構千斤頂推力過大引起管片出現通縫、盾構機姿態控制不好造成管片裂縫等均可能導致管片發生裂縫滲漏。

3 小半徑曲線隧道盾構管片質量問題對策[6-8]

小半徑曲線段盾構施工管片出現質量問題的概率較其他地段高得多，基于前述管片缺陷原因，采取相應對策。

3.1 盾構選型合理

盾構掘進軸線應盡量與隧道軸線重合，選擇具有鉸接的盾構機，可有效地減少剛體長度，讓盾構機在小半徑曲線段實現靈活調姿、高質量轉彎。盾構機刀盤應設置超挖刀，以便轉彎時通過兩邊擴挖而形成滿足凈空增大要求的孔洞。

3.2 管片選型合理

為保證盾構機在小半徑曲線段推進油缸各組間行程差最小及降低已安裝管片所受靴板作用力，必須嚴格控制管片選型，綜合考慮地質情況、線路特點、盾構機千斤頂行程差、盾尾間隙、管片點位及其楔形量等諸因素，合理選擇管片類型及拼裝點位，將管片在盾構內居中拼裝，保證均勻的盾尾間隙和千斤頂行程，使管片不與盾殼相碰。同時，根據隧道軸線及掘進實際情況，可在小半徑曲線段適當安裝轉彎環。

3.3 掘進參數合理

1)盾構姿態要控制好。

盾構機操作員應依據地質情況和隧道線形，進行推進油缸分區操作并設定掘進推力和速度，實時控制盾構姿態，避免后續不良姿態引起的糾偏。如盾構機進入小半徑曲線段掘進前，預留一定偏移量(一般30 mm～50 mm)以抵消部分管片偏移量。當管片楔形量不能滿足糾偏需要時，可在管片上加貼不同厚度的橡膠石棉墊使其滿足需要。

2)油缸推力盡量小。

在小半徑曲線段，盾構司機需控制好左右兩側油缸的推力差且總推力不宜過大，以實現慢速急轉及減小盾體橫向偏移的不利影響。曲線段每環施工采用分段掘進方式，如1.5 m環段每掘進50 cm停機一次，先讓所有推進油缸收回復位，然后將所有油缸靴板頂在管片上繼續掘進，以消除側向力，降低管片被擠壞的概率。

3)糾偏方式合理。

盾構掘進實際為蛇行推進，不可避免會出現姿態偏差現象，故盾構蛇行修正應采用長距離的滾動糾偏、垂向糾偏或水平向糾偏等方式緩慢進行盾構姿態調整(糾偏)。盾構糾偏過程中應保持盾構姿態不應有突變，運動軌跡盡量平順；以盾尾間隙控制為主，線形控制為輔；盾構掘進過程中一次糾編不能過大，即推進油缸行程差不能過大，應控制在50 mm左右。

4)土倉壓力控制合理。

在小半徑曲線段掘進時，根據地質環境條件設置合適的土倉壓力，最大程度減小地層擾動和維持掌子面穩定，以防止坍塌。

3.4 注漿參數合理

管片注漿時要求多個方向同時均勻注入、控制好注漿壓力，尤其是管片背后二次補漿時要控制好注漿壓力，防止單塊(環)管片受力過大而產生錯位。合理調整盾構回填漿液的凝固時間，保證脫出盾尾的管片盡早產生約束，以限制管片錯位空間。小曲線段注漿壓力必要時可在曲線外側補注雙液漿，防止漿液向土倉倒流。管片注漿口的注漿壓力宜控制在0.1 MPa～0.3 MPa，不宜大于0.5 MPa；最佳注入時期應在盾構機推出的同時或推進后立即注入，應完全填充盾尾間隙，注入量為盾尾間隙的1.5倍～2.0倍。

3.5 其他對策

1)加強管片質量管理。

加強管片生產和進場驗收的管理，杜絕問題管片進入隧道拼裝；管片拼裝按照規范要求拼裝，避免拼裝錯臺；管片修補必須按照規范進行并做好修補后的檢查和養護；在搬運過程中輕吊慢放，吊放管片采用專用尼龍吊帶；管片堆放層數不要超過設計要求。

2)做好管片螺栓擰緊工作。

采用初擰和復擰方式，兩種方式的擰緊順序應一致，即先中間螺栓后周圍螺栓。當管片脫離盾構尾部后，須對管片連接螺栓及時進行二次緊固，盾尾脫出盾尾10環后進行三次復緊或多次復緊。

3)做好管片修復工作。

嚴格按照規范要求及時進行修補破損管片，運輸過程引起的管片損壞要求在貼止水條前修復好；掘進或拼裝過程中造成的管片損壞應原地修補，以保護止水條。

4 結語

以南寧軌道1號線某盾構區間小半徑曲線段的盾構施工為例，統計表明小半徑曲線段盾構隧道管片主要存在錯臺、破裂、滲漏等管片質量問題，分別分析了產生這些管片缺陷的原因，并從盾構選型、管片選型、掘進參數調整、注漿參數控制等方面采取相應對策，可供類似工程參考借鑒。

[1] 戈志強.小曲線半徑盾構施工技術總結[J].建筑機械化,2012,33(S2):55-57.

[2] 嵇 彭.小曲線半徑隧道無鉸接盾構施工技術[J].施工技術,2013,42(13):79-81.

[3] 劉建衛，孟江鋒.無錫軌道交通盾構小半徑曲線施工技術[J].施工技術,2010,39(5):9-11.

[4] 李 翔.小半徑曲線盾構掘進時管片破損分析[J].現代城市軌道交通,2006(6):47-48.

[5] 秦建設，朱 偉，陳 劍.盾構姿態控制引起管片錯臺及開裂問題研究[J].施工技術，2004(10):25-27.

[6] 劉建國.深圳地鐵盾構隧道技術研究與實踐[M].北京:人民交通出版社,2011.

[7] 樂貴平.盾構工程技術問答[M].北京:人民交通出版社,2013.

[8] 裴 建.小曲線轉彎半徑盾構施工中管片質量控制技術[J].中國公路，2016(7):134-135.

Problem analysis and countermeasures of segment quality in shield tunnel with small radius curve★

Chen Yunfeng1Zhang Qingfeng1Wu Qixing2*

(1.ShieldEngineeringCompany,CCCCTunnelEngineeringCompanyLimited,Beijing100102,China；2.CollegeofMechanicsandConstructionEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,China)

Taking curve tunnel construction in small radius of a shield interval in Nanning metro line one as an example, the main quality problems such as step, crack, and leakage existed in lining segments of the small radius curve tunnel are pointed out, the causes of these segment defects are analyzed, the corresponding countermeasures from the aspects of type selection of shield, segment selection, shield tunneling parameters, grouting parameters and so on are put forward, which can provide

for similar shield project construction.

shield tunnel， shield construction， curve in small radius， segment quality

1009-6825(2016)30-0161-03

2016-08-14★：中國交通建設股份有限公司科研資金資助項目(項目編號：2013-ZJKJ-17)；廣東省自然科學基金資助項目(項目編號：2016A030313095)

陳云峰(1977- ),男，高級工程師； 張慶豐(1990- )，男，助理工程師

吳起星(1972- ),男，博士，副教授

U455.42

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