盾構接收處管片變形治理及襯砌方案比選

陳 爽 朱牧原 魏力峰 房新勝

（1.中鐵十四局集團大盾構工程有限公司 江蘇南京 211800；2.西南交通大學 四川成都 610031）

1 引言

盾構法作為暗挖法的一種，其施工作業大部分在地下進行，具有不影響交通、施工機械化程度高、對附近居民和設施影響小等特點，在城市隧道工程中已得到廣泛應用［1］。目前，針對盾構在始發和接收端的關鍵施工技術以及盾構施工過程中的管片變形問題均有大量的總結和探討。比如在計算模擬方面，陸鵬程［2］在考慮先期變形的情況下進行管片結構內力分析的相關探討；張愛等［3］結合實際工程進行監測，總結施工參數對隧道整環管片變形的影響規律；盧院等［4］利用有限元軟件分析錯縫拼裝盾構管片的收斂變形規律。在實際施工技術方面，也取得了不少成果。文獻［5］針對長沙地鐵1號線，提出管片錯臺的成因以及防治措施；文獻［6］以南昌地鐵1號線某區間盾構接收工程為背景，對富水砂層地質中盾構接收措施進行分析和探討；文獻［7］以北京新機場線盾構隧道工程為背景，探討大直徑土壓盾構的始發相關技術。這些研究大多圍繞對盾構進出洞時地層沉降變形、涌水和塌方等的控制［8－10］，或是單純管片變形的防治，而對于在進出洞等關鍵階段管片突發變形的情況沒有相關總結。本文以新建北京至張家口鐵路為背景，分析總結在盾構接收段管片突發變形后的應急措施、事故原因以及后續的襯砌方案，對其他類似工程提供參考。

2 工程概況

新建京張鐵路清華園隧道為一單洞雙線盾構隧道，采用直徑為12.64 m的泥水平衡盾構。在3－2區間盾構機由位于清華同方大廈西側的3號盾構始發井出洞，向南掘進，到達位于原清華園火車站內的2號盾構接收井，全長1.741 km，如圖1所示。

圖1 3－2盾構區間線路平面

隧道內部管環外徑12.2 m、內徑11.1 m，環寬2 m，采用6＋2＋1分塊設計。管片采用C50強度、P12抗滲等級的混凝土。管片之間通過M36、8.8級直螺栓連接。

3 接收處問題描述

3－2區間盾構接收處的加固區為U型素地連墻隔離區與地層旋噴注漿加固組合，如圖2所示。在洞門破除且盾構機從加固區進入接收井后，開始由洞門頂部向底部焊接洞門密封板。

圖2 接收加固區（單位：m）

當密封板焊至洞門拱腰處，接收端加固區內的6環洞門發生橢變和錯臺。為減小錯臺，應第一時間進行千斤頂支頂，但由于受空間及盾構機臺車構造的限制，僅能使用50 t千斤頂進行支頂操作，實際支頂效果不佳，同時對變形管片進行監測。經監測發現，整體橢變度為9‰，錯臺最大值為5.5 cm，如圖3所示。

圖3 最大錯臺部位

4 初期管片變形控制

管片收斂變形過大，極易引起環縱縫滲漏水、管片開裂崩角等結構病害，處理不及時，甚至會出現管片受力破壞，嚴重影響隧道結構安全［11］。為了減小風險，在洞門密封板焊接完成后，需及時對管片變形以及可能發生的滲水情況進行控制。

（1）注漿固結

首先在接收端用管片預留注漿孔進行注漿密封，以達到加固管片的效果。當出現漿液達到管環下部，引起管片上浮，管片頂部環間縫隙增大、個別縱向螺栓發生脫扣松動時，應停止注漿并注入水泥水玻璃雙液漿加速砂漿固結。此后持續交替注入砂漿和雙液漿，直至管環外部空隙填充密實。在螺栓的處理上，對于松動且能夠取出的螺栓，將其取出后重新加工成長度合適的螺栓再次打入；對于松動且不能取出的螺栓，則對外露松動部分焊接固定后頂進套管。

（2）接縫防水

管片加固后向接縫內注入遇水膨脹止水膠，每次注入2 cm，等止水膠稍固化后再次注入，并在接縫大于1 cm部位注入丙乳砂漿。最后在管片接縫表面施作單組分聚氨酯密封膠嵌縫。

5 原因分析及事故評估

盾構機在推進過程中姿態控制不當、管片拼裝過程不規范、注漿參數選擇不當等都可能造成管片發生變形、錯臺［12］。本工程在管環變形后，立即進行評估，認為主要原因在于出洞過程中，同步注漿、推力等參數難以達到正常掘進要求。同時認為，管片雖有變形，但不影響正常使用，且變形后結構整體安全，然而由于管片錯臺值已超20 mm限值，且止水帶變形較大，易滲水，需要采取防護措施以保證隧道的耐久性，為此需進一步進行襯砌處理。

6 接收處襯砌處理方案

針對隧道管片變形現狀，提出兩種思路：第一種，保持已經拼裝完成的管片不變，在確保可以正常使用的情況下，直接設置鋼板內襯；第二種，直接進行管片破除，該思路又分暗挖和明挖兩種方法，暗挖法需施作初次支護，而明挖法則在6環錯臺管片破除后先施作主體結構再回填土。

6.1 鋼板內襯方案

鋼板內襯法已有一些實踐與研究，如在南京河西地區地鐵運營盾構隧道收斂變形治理中，就曾利用管片內襯鋼環加固。翟五洲等［13］通過數值模擬對比未加固與鋼板加固兩種情況下錯臺變形隨荷載增大的變化情況，量化討論該方法對錯臺變形的控制效果。

（1）鋼板規格及布置

使用10 mm厚的鋼板施作單層襯砌，其布置區域為隧道軌下結構面以上，環向對應圓心角度為42°及29°兩種規格，每環共七片，其布置如圖4所示。

圖4 鋼板內襯布置

鋼板從外包洞門位置縱向向內布置七環，除了第一環幅寬為1.54 m外，其余各環幅寬均為2 m。同時需保證縱向間的焊縫與環向焊縫錯開、環向鋼板焊接縫與管片的拼接縫錯開，以增大剛度。

（2）施工工藝

在盾構設備拆除完畢并完成軌下預制結構后，立即在鋼板的加固范圍內搭設作業平臺并進行管片修整、手孔密封等措施。采用龍門吊、叉車、手拉葫蘆等機械調運，開始拼裝和焊接鋼板。

采用植筋的方法將管片與鋼板結合，以起到共同受力、共同變形的效果，鋼板間通過焊接連接，以形成一個良好的受力整體。

植筋孔徑25 mm，鉆孔深度為220 mm，孔環向間距1.5 m、縱向間距1 m，距鋼板邊緣50 cm，并注意避開管片中鋼筋位置。在完成鉆孔并清理干凈后注入植筋膠并植入C22鋼筋，如圖5所示。植筋完成后，鋼板與鋼筋間需進行塞焊，待冷卻后對外露的多余鋼筋進行打磨，使其表面與鋼板表面光滑度保持一致。

圖5 鋼板植筋（單位：mm）

（3）注漿與防腐作業

為完全填充鋼板與管片之間的空隙，確保兩者共同受力，需進行水泥漿壓注。預先在軌面結構上方1 m高度處預留兩個植筋孔，在拱頂兩側預留兩個排氣孔，并用嵌縫密封條和聚氨酯封堵隧道兩側鋼板與管片的接縫。以0.05～0.5 MPa的注漿壓力從預留植筋孔處壓注配合比為0.8∶1的硫鋁酸鹽水泥漿，分多次壓注。當排氣孔中溢出水泥漿液時停止注漿并封堵排氣孔，在注漿孔處植入鋼筋。

最后處理鋼板表面，對焊縫焊點進行機械打磨。鋼板表面處理干凈后，用環氧瀝青涂料對鋼板進行多層涂刷，涂料內摻入顏料使之與管片顏色相仿。

6.2 管片破除方案

（1）暗挖方案

采用邊破除管片邊施作初支的方法來保證洞口土體穩定，同時為保證洞口穩定、避免隧道進水，在管片破除前，需進行加固區降水作業和管棚施工。前期在加固區每側布置4口降水井，共計8口，并在洞門環處打入管棚支護。環向每300 mm布置1根鋼管，共計99根。管棚施工完成后注漿加固并在洞門鋼環處施作內襯環梁，支撐住洞門處的管棚鋼管以防止塌落。前期工作結束后，每環管片由人工持風鎬破除，按第一次破除2.1 m高度、第二次破除4.5 m高度、第三次破除3.8 m高度的順序先破除上部管片并施作初支。初支架設利用盾構接收加固區的特殊性，在地連墻范圍內向上鑿除0.3 m混凝土，架設第一榀鋼格柵，通過植筋與地連墻錨固，此后各環均向外鑿除0.3 m后架設鋼格柵。在初支結構施作完畢后，拆除腳手架并破除底部管片。為確保初支穩固，需設置鎖腳錨桿加強支護。錨桿需穿透管棚間隙錨入土體。管片破除及初支結構如圖6所示。

圖6 管片破除與初支結構（單位：mm）

管片完全破除及初支架設完成后，采用LDPE膜及噴涂速凝橡膠瀝青做防水處理，12 h后進行二襯施作。先施作仰拱，再搭好腳手架施作上部結構二襯，待混凝土養護兩周后澆筑軌下結構，完成整個洞室施工。

（2）明挖方案

明挖方案直接從隧道上方破除管片，即通過開挖基坑將管片吊起，然后再進行主體結構施工。

按照基坑施工方法，首先在加固區范圍圍繞U型素地連墻施作鉆孔灌注樁，隧道軸線兩側各10根樁，北側設置9根，樁底距盾構隧道底5 m，共計29根。基坑支撐共設6層，第一層為混凝土撐（1 000×1 000 mm），其余5層為?609（t＝16）鋼支撐。從平面看，北側冠梁拐角處施作兩道支撐，距南側地連墻邊界6 m起，每隔3 m設一道，共兩道，如圖7所示。

圖7 基坑平面

基坑開挖到位后，開始吊取管片。利用水鉆在管片上鉆開50 mm直徑的孔，再用雙股鋼絲繩穿孔與吊環連接，吊起管片。每環拆除均從頂部開始，然后拆除鄰接塊、標準塊等。如果受結構限制，無法直接吊起，可采用人工風鎬破除。拱腰以上管片全部破除后，再拆除腳手架破除底部管片。

三倉澆筑施工新襯砌，采用C40、P12抗滲混凝土，利用定型模板和定型鋼架施作全圓襯砌，如圖8所示。按照從仰拱到拱腰再到拱頂的順序，逐步向上邊施作邊拆除基坑支撐。防水結構為LDPE膜及噴涂速凝橡膠瀝青。

圖8 三倉澆筑

6.3 方案比選

就最終效果而言，明挖和暗挖均可實現二襯與已有管片表面保持一致，解決錯臺問題，使隧道整體更加美觀。但管片破除方案本身會破壞原有結構，特別是暗挖方案，其管棚施工對已完成豎井結構破壞較大，而且主體結構鋼筋切除較多，會對現有結構質量產生一定影響。而鋼板內襯方案則不會改變原有結構狀態，僅加強了其耐久性和安全性，但隧道在出洞處仍會存在凸臺。

從施工角度看，鋼板內襯方案無需破除管片，因此工程量小，工期短。而對于管片破除方案，不管是明挖還是暗挖都存在以下兩種問題：

（1）安全性。本工程施工作業面位于承壓水層中，存在較大施工風險，且暗挖方案使用管棚在軟弱圍巖內采用大斷面一次性支撐作業，施工風險很高；對于明挖方案而言，深大基坑的開挖，作業空間小且基坑高水壓風險大，存在一定安全隱患。

（2）效率問題。管片破除方案需大量的前期準備工作，而后期混凝土澆筑也需要養護時間。另外，本工程在冬季施工，鋼筋、混凝土工程均需采取保護措施，所以可能會出現工期延長等問題。經估算，暗挖方案與明挖方案分別需要164 d與175 d，相比較而言工期較長，嚴重影響后續施工進度。

綜上，選擇鋼板內襯方案。

7 結束語

一方面，在盾構接收處管片突發變形且無法糾正的情況下，首先要通過注漿固結與接縫防水等措施控制變形，以防嚴重影響結構安全。

另一方面，采用鋼板內襯控制收斂變形為最簡單有效的補救措施，該方法已在一些工程中得到應用，但由于鋼板內襯沒有對原有變形進行糾正，僅起到加強安全性和耐久性的作用，造成隧道現有結構略有缺陷，所以僅適用于變形尚在初期階段且對整體結構沒有影響的情況。相應地，采用通過管片破除后施作初支和二襯的治理方案，可以消除管片變形帶來的缺陷，改善工程質量，當地層條件良好且工期不緊張，或者隧道變形嚴重影響結構安全的情況下，可以考慮采用。