盾構(gòu)隧道管片開裂的原因及對策

劉紅躍

(南通城市軌道交通有限公司，江蘇 南通 226000)

1 工程概況

某市軌道交通七號線一期工程，包含1站1區(qū)間。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工；線路由南往北延伸。盾構(gòu)區(qū)間線路平面最小曲線半徑R=350 m。線路縱斷面為采用V形坡設計，區(qū)間出車站最大坡度為26‰，隧道覆土覆土厚度為7.86～32.55 m，隧道過珠江瀝窖水道段凈覆土均大于11.5 m。

工程地質(zhì)條件分析：本區(qū)間設計線路有一條北亭斷裂，在通過斷層前主要穿行于<6>全風化泥質(zhì)粉砂巖、<7>強風化泥質(zhì)粉砂巖、<7Z>強風化混合花崗巖和<8>中風化泥質(zhì)粉砂巖，通過北亭斷層后隧道穿行于<6Z>全風化混合花崗巖、<7Z>強風化混合花崗巖、<8Z>中風化混合花崗巖、<9Z>微風化混合花崗巖、<5Z-1>砂質(zhì)粘性土。

2 管片生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成的開裂

2.1 開裂特征

生產(chǎn)管片過程中，主要在兩個階段出現(xiàn)開裂：第一階段為管片蒸汽養(yǎng)護完成脫模后的養(yǎng)護階段，以肉眼可見的細小龜裂為主。管片外弧面形成較多的表面裂紋，裂縫寬度一般不超過設計要求0.2 mm，極個別位置裂縫侵入保護層。第二階段為管片強度達到要求后，管片轉(zhuǎn)廠運輸、進場驗收及拼裝過程中發(fā)現(xiàn)的微細裂紋，這種裂紋出廠外觀檢查時不易發(fā)現(xiàn)，一旦管片受集中應力作用，裂紋迅速呈不規(guī)則狀發(fā)展。受地質(zhì)條件變化或不均勻地質(zhì)影響，盾構(gòu)機在推進過程中可能出現(xiàn)掘進速度突然下降，推力巨增，導致鄰近管片均無開裂的情況下，個別管片應力集中管片表面呈嚴重的網(wǎng)格狀開裂，該裂縫沒有規(guī)律，范圍較大，寬度一般較小。

2.2 原因及應對措施

通過管片生產(chǎn)過程駐廠檢查及調(diào)查不同管片預制廠家情況，其廠內(nèi)出現(xiàn)管片開裂主要由混凝土配合比問題和施工工藝不科學等原因引起，對策如下。

(1)因地制宜優(yōu)化配合比。每個修建地鐵的城市條件不同，同一個城市不同的區(qū)域所選用的混凝土原材料性能差異較大，并且氣候條件也相差甚大。因此，即使使用同一種標號的混凝土管片(C50)，配合比也不盡相同，不能生搬硬套，應通過系列試驗進行適應本地的混凝土配合比驗證，特別應注重氣候條件[2]。

(2)優(yōu)化施工工藝。管片生產(chǎn)的施工環(huán)節(jié)依次為原材料混凝土拌合、混凝土運輸入模、振搗、蒸汽養(yǎng)護、脫模、蓄水養(yǎng)護等，其中對管片質(zhì)量控制及混凝土密實度影響最大的施工環(huán)節(jié)為：振搗工藝和養(yǎng)護工藝(蒸養(yǎng)、水養(yǎng))。

振搗工藝：該區(qū)間管片生產(chǎn)為移動滑模式，振搗模式采用模具振動臺整體振搗，模具整體振搗的振動能量大，同一澆筑層混凝土振搗均勻，機械操作可減少人為因素影響，但易出現(xiàn)垂直層面上不均勻，并且在上孤面或外孤面易出現(xiàn)翻漿，在特殊位置，如螺栓孔、吊裝孔因構(gòu)造筋或鋼構(gòu)件密集需人工振搗加強，以減少因混凝土振搗不到位產(chǎn)生的裂縫。

養(yǎng)護工藝：混凝土管片養(yǎng)護主要為脫模前蒸養(yǎng)和脫模后水養(yǎng)。蒸汽養(yǎng)護能夠縮短脫模時間，加快鋼模的周轉(zhuǎn)效率，但必須嚴格控制蒸養(yǎng)最高溫度、內(nèi)外溫差、升溫和降溫梯度等參數(shù)，防止溫差導致混凝土表面出現(xiàn)收縮裂縫；蓄水養(yǎng)護周期為7d，混凝土充分進行水化作用，能增強混凝土的密實度，從源頭上減少開裂。

3 盾構(gòu)掘進過程造成的開裂

3.1 開裂特征

裂縫的位置主要位于隧道腰部以上，拱頂占數(shù)量居多。以正向裂縫為主(裂縫的開口方向與盾構(gòu)推進方向相一致，反之為負向裂縫)。在隧道腰部和稍偏上位置也存在負向裂縫。其中左線1069～1075環(huán)連續(xù)在2點及10點鐘方向連續(xù)出現(xiàn)貫通裂縫。其中1070環(huán)2點中方向裂縫寬度達0.89 mm(見圖1，圖2)，1072環(huán)2點鐘方向裂縫寬度達0.49 mm，其他環(huán)管片裂縫不超過0.2 mm。

圖1 左線1070環(huán)管片裂縫

圖2 裂縫測寬儀測量左線1070環(huán)管片裂縫寬度

3.2 原因及應對措施

關于盾構(gòu)掘進施工造成管片開裂的具體因素及相應對策，業(yè)內(nèi)人士眾說紛紜，其他項目也曾多次組織國內(nèi)外著名專家進行研究，并根據(jù)工程經(jīng)驗及現(xiàn)場情況提出不同意見，但在后續(xù)工程施工實踐過程被大家普遍認可且采取應對措施的主要為以下幾種：

(1)推力過大。盾構(gòu)機推進油缸直接作用于管片上為盾構(gòu)機提供推進反力，其推力是造成管片開裂的最基本因素，其中盾構(gòu)掘進過程中總推力過大是導致管片開裂的最直接因素。通過查詢掘進記錄參數(shù)該位置推力為9 000～12 000 kN，根據(jù)地質(zhì)條件及掘進參數(shù)，該位置推力處于正常值范圍內(nèi)。調(diào)查研究當總推力超過15 000 kN時，對于未經(jīng)蓄水養(yǎng)護或養(yǎng)護不當、厚度30～35 cm、配筋150 kg/m3以下的管片極有可能開裂，隨著總推力的增大，其開裂的頻率驟增。該區(qū)間管片配筋為180 kg/m3，且總推力處于正常值范圍內(nèi)，因此推力過大不是導致裂縫的最直接原因。

應對措施：① 掘進過程中向土艙內(nèi)注入膨潤土、分散劑、泡沫劑等外加劑，對渣土進行改良，避免刀盤前面和土艙內(nèi)結(jié)"泥餅"，減小掘進扭矩和總推力；② 在地質(zhì)條件相對穩(wěn)定的地段，確保地面沉降可控的情況下盡可能不采取土壓平衡掘進模式，而采用欠土壓掘進模式或半開艙模式、或輔助氣壓掘進模式。

(2)千斤頂推力不均勻，撐靴著力點偏位。經(jīng)過對左線1069～1075環(huán)現(xiàn)場連續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)管片上部多出現(xiàn)崩角破損，中部以下未發(fā)現(xiàn)崩角破損，且管片拼裝錯臺及拼縫較大，管片整圓度偏差較大。經(jīng)長期現(xiàn)場總結(jié)分析與試驗發(fā)現(xiàn)，一部分的開裂是當千斤頂與管片之間加墊一塊與管片斷面同尺寸的木板后，掘進時裂縫數(shù)量明顯減少。后經(jīng)精確量測，該位置管片拼裝整圓度偏差較小，證明這部分開裂是由于千斤頂?shù)膿窝ブc偏位所致。兩者的偏差是由管片與盾構(gòu)姿態(tài)及撐靴板設計不合理造成的。

應對措施：①更換新的千斤頂撐靴，此類開裂明顯減少。②推進過程中盡量保持每組油缸受力均勻，減小油缸行程差，姿態(tài)糾偏必須要調(diào)整油缸推力，保證勤糾少糾。

圖3 撐靴推力重心偏位

(3)盾構(gòu)機姿態(tài)控制與線路曲線不匹配。盾構(gòu)機姿態(tài)控制與線路曲線段不匹配(見圖4)，致使盾殼與管片直接的間隙過小擠壓管片開裂、盾尾頂壓管片開裂等(見圖5)。盾殼與管片之間間隙過小擠壓管片，還與盾尾尾刷結(jié)塊硬化，盾尾殼體橢變和隧道旋轉(zhuǎn)，管片連接螺栓未擰緊(易使管環(huán)變形)，線路曲線變化等有關。這個推斷在盾構(gòu)進洞上托架后得以證實：管片開裂的位置尾刷嚴重損壞，盾尾內(nèi)殼磨光。根據(jù)區(qū)間平縱斷面顯示左線1069～1075環(huán)為線路豎曲線變坡位置，掘進過程中未能提前考慮變坡。

應對措施：①提前策劃好轉(zhuǎn)彎地段的盾構(gòu)姿態(tài)并預留提前量，宜緩慢掘進，慎重糾編。②在注雙液漿封環(huán)時盡量與盾尾保持3環(huán)的距離，防止雙液漿包裹盾尾刷結(jié)塊導致盾尾刷損壞。

(4)管環(huán)出盾尾后變形過大。出盾尾后管片開裂多是因為管片上浮嚴重變形引起，而變形則是由盾尾填充物及填充工藝、盾殼內(nèi)管環(huán)姿態(tài)、盾尾間隙量大小及地層的偏壓等因素造成，其中盾尾填充物及填充工藝對變形影響最大。左線1069至1075環(huán)位于過珠江瀝窖水道段，該位置地層透水性大為富水地層，施工過程中也出現(xiàn)了水壓較大的噴涌現(xiàn)象。在1070環(huán)附近位置地質(zhì)發(fā)生變化，在盾構(gòu)隧道拱頂部位置出現(xiàn)<9z>地層的夾層。

由于地層含水量大，盾構(gòu)施工時管片背后同步注漿填充效果很差，管片推出盾尾后變形較大。為保證施工連續(xù)性，該位置進行多次注雙液漿封環(huán)，導致管片背后填充不均勻。該位置管片上部地層又出現(xiàn)夾層。管片拱頂部出現(xiàn)可供變形的空隙，開裂隨著變形而發(fā)生。

圖4 盾構(gòu)機姿態(tài)與曲線段不匹配示意圖

圖5 盾殼、盾尾頂壓管片示意圖

運營發(fā)現(xiàn)管片開裂后對左線1070、1072環(huán)管片2點鐘位置裂縫安裝電子裂縫監(jiān)測設備見圖6，對1070環(huán)安裝棱鏡進行斷面掃描，掃描數(shù)據(jù)見圖7。通過對管片掃描數(shù)據(jù)分析，該裂縫位置管片整圓度變形較大，變形達50 mm。

圖6 電子裂縫監(jiān)測設備

圖7 左線1070環(huán)斷面掃描

應對措施：①保證管片背后填充效果，減少管片上浮。管片拖出盾尾后及時進行管片姿態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)管片變形較大立即補注雙液漿。②管片背后補注漿時將注漿壓力控制在合理范圍內(nèi)，防止因注漿壓力過大導致產(chǎn)生裂縫。

4 盾構(gòu)隧道運營過程中的開裂

該區(qū)間單位工程驗收移交時暫未發(fā)現(xiàn)該處出現(xiàn)裂縫，運營1年后發(fā)現(xiàn)該裂縫發(fā)育較大。隧道運營過程中的開裂主要由兩個方面的原因造成，其一是隧道周邊土壓、水位發(fā)生改變。該位置位于過珠江瀝窖水道段，受航運及水流影響，未能詳細對其地質(zhì)情況進行勘測，且工后周圍地質(zhì)、水位發(fā)生變化；其二是隧道內(nèi)列車的振動造成周邊地層變化。該位置地層出現(xiàn)夾層且位于過珠江瀝窖水道段富水地層，存在列車振動導致周邊地層發(fā)生變化的可能。

應對措施：①對裂縫寬度超過0.2 mm位置安裝裂縫寬度監(jiān)測設備并進行定期(每周三次)進行裂縫寬監(jiān)測。②定期(每月一次)對裂縫寬度超過0.2 mm的位置進行管片斷面掃描。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，結(jié)合目前的裂縫寬度測量數(shù)據(jù)、隧道沉降變形數(shù)據(jù)、管片裂縫發(fā)展程度、地質(zhì)情況、管片配筋情況綜合分析，目前該段隧道結(jié)構(gòu)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，在外界環(huán)境條件、地層條件、地下水條件等不發(fā)生較大變化的前提下，隧道結(jié)構(gòu)是安全穩(wěn)定的，不影響列車運行。

5 建議

造成管片開裂的原因很多又很復雜，對其機理研究是一個和實際不斷驗證的過程，預防管片開裂既要講究綜合治理，又要講究有針對性，首先從源頭抓起。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，以及檢測技術(shù)手段限制，尚不足以對裂縫成因做出精準判斷，導致管片開裂的原因為以上分析的幾點，為保證該區(qū)間運營安全，提出以下建議：

(1)查找左線第1060環(huán)至中風井的施工同步注漿、二次注漿的詳細記錄，進一步分析。

(2)選取開裂管片進行混凝土強度檢測和鋼筋保護層厚度檢測。

(3)繼續(xù)現(xiàn)有的隧道斷面收斂、斷面掃描和裂縫寬度監(jiān)測措施，至少監(jiān)測半年，觀察隧道斷面及裂縫的變化。

(4)裂縫繼續(xù)暴露對管片耐久性不利，對目前管片裂縫位置首先涂刷環(huán)氧膠泥進行封堵，待其達到強度后在裂縫位置打斜孔注環(huán)氧樹脂進行補強。

(5)在以后的管片生產(chǎn)過程中應采用強制蓄水養(yǎng)護7 d以上的養(yǎng)護措施。

(6)盾構(gòu)施工要控人為因素總推力過大的現(xiàn)象發(fā)生。管片盡可能居中拼裝，并且要保證環(huán)面平整。

(7)要根據(jù)不同地區(qū)地質(zhì)條件，通過現(xiàn)場試驗摸索及時優(yōu)化盾尾充填物的性能和充填工藝，使其達到最佳效果。

6 結(jié)語

某市軌道交通七號線一期工程區(qū)間為過珠江瀝窖水道盾構(gòu)隧道，地層地質(zhì)條件復雜，地下水位高，地層透水性強且富水，施工難度大。對其區(qū)間出現(xiàn)的管片裂縫進行分析，為以后類似工程提供了可借鑒的經(jīng)驗，盡量減少管片開裂的發(fā)生。