盾構隧道管片開裂的原因及相應對策

張凌之

廣東珠肇鐵路有限責任公司 廣東 廣州 510000

1 隧道盾構隧道管片的相關研究

為了滿足盾構隧道的基本施工需求，需要合理的對相關設備、設施、工器具、構件進行應用，其中，盾構隧道管片就是隧道襯砌主體，是盾構施工中的關鍵裝配構件，其在工作中，需要發(fā)揮抵抗土層壓力、地下水壓力以及一些特殊荷載的作用，通過盾構隧道管片的合理使用，可以滿足盾構施工中施工荷載需要，投入使用后永久襯砌結構的需求。而在具體的施工中，盾構隧道管片的質量不良直接影響盾構施工質量，不利于后期盾構隧道管片的使用功能和服務作用，甚至可能會給盾構隧道的安全系數(shù)帶來不利影響。

2 盾構隧道管片開裂的原因

2.1 管片生產(chǎn)環(huán)節(jié)

管片加工生產(chǎn)時主要有兩個階段易出現(xiàn)開裂問題，一是蒸汽養(yǎng)護結束脫模后的養(yǎng)護階段，容易出現(xiàn)肉眼清晰可見的微小龜裂，管片外弧表層生成了數(shù)量較多裂痕，裂痕寬度一般＜0.2mm，局部位置裂縫可能侵犯了保護層。第二階段對應的管片強度水平要抵達設計要求以后，管片在轉廠運送、進場檢驗及現(xiàn)場拼裝時觀察到局部出現(xiàn)了細小裂紋，在出廠外觀檢查環(huán)節(jié)不易被探查到，在集中應力的長時間作用下，裂紋會快速呈不規(guī)則態(tài)勢向遠處延展。

2.2 盾構現(xiàn)場掘進過程引起的開裂

現(xiàn)場掘進時主要是在腰部以上位置出現(xiàn)裂縫，拱頂處是裂縫集中出現(xiàn)的部位。其中又以正向裂縫為主要形式( 裂縫開口方向與盾構施工推進方向一致，兩者相反時則被定義成負向裂縫) 。隧道腰部與略微偏上部位也可能存在著負向裂縫。在本項目內左線 12～28 環(huán)連續(xù)在2點以及10 點鐘方向形成了貫通裂縫，2點、10 點鐘方向裂縫寬度分別達到0.88mm、0.48mm，其他環(huán)管片裂縫寬度值均≤0.2mm[2]。由盾構掘進施工導致的管片開裂原因主要有如下幾點：一是推力過大。盾構機推進油缸直接作用在管片之上是設備提供的推進反力，推力是導致管片局部開裂的根本原因，盾構現(xiàn)場掘進施工中產(chǎn)生過大的總推力直接造成管片發(fā)生開裂問題。既往有研究表明，當盾構機的總推力＞15000kN時，對于前期沒有進行蓄水養(yǎng)護或者養(yǎng)護不到位、厚度范圍30～35 cm、配筋少于150kg/m3管片構件，其發(fā)生開裂問題的概率會有所增加，后續(xù)伴隨總推力的僅有不增加，管片會頻繁發(fā)生開裂問題。二是千斤頂施加的推力不均，撐靴著力點位置發(fā)生偏移。現(xiàn)場經(jīng)連續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)管片上出現(xiàn)了很多崩角破損情況，而中部之下未見崩角破損，管片的拼裝錯臺及拼縫均偏大，管片整圓度和設計要求之間存在較大的出入。三是盾構機掘進姿勢調控和線路曲線段之間的匹配度較差，造成盾殼與管片兩者形成的間隙過小，進而對管片形成較大的擠壓作用，使其逐漸出現(xiàn)開裂情況。

2.3 盾構隧道運營中的開裂

運營階段管片開裂問題的成因主要有兩點[3]：一是隧道周圍土壓、水位出現(xiàn)了不同程度的變化。本區(qū)段現(xiàn)場施工時受航運及水流產(chǎn)生的影響較大，外加工期等因素的制約而沒有及時詳細勘測其地質狀況，但是能夠確定項目完工后期周圍地質、水位等客觀條件均出現(xiàn)了不同程度的改變；二是隧道中列車運行過程中形成溫度振動會使周圍地層出現(xiàn)一定改變。

3 盾構隧道管片開裂的相應措施

3.1 加強管片構件生產(chǎn)質量的控制

管片生產(chǎn)期間，為了滿足盾構施工的基本需求，應對盾構隧道管片的生產(chǎn)質量控制進行研究，確定管片生產(chǎn)關鍵質量控制點，在日常生產(chǎn)中進行有效監(jiān)測管控，確保管片生產(chǎn)質量。

原材料質量的控制。為了保證管片生產(chǎn)施工質量，需要對鋼筋、水泥、煤灰、礦粉、黃砂、碎石、減水劑、攪拌及養(yǎng)護用水、預埋件等原材料進行控制，所以在工作過程中，需要注意對原材料的選擇及驗收工作進行嚴格管理，從生產(chǎn)源頭管控管片質量。

首先，需要做好原材料的選型分析，使得原材料能夠滿足實際生產(chǎn)需求，還應做好供應商的選擇工作，建立合格供應商名錄，確保供應商基本資質、信譽、供貨質量等情況可以得到有效保證。

其次，建立原材料進場驗收制度，由專人負責對每批次進場原材料進行取樣驗收，具體驗收工作中，可以按照如下相關內容進行。材料入庫前，由監(jiān)理單位見證并由專人立即進行入庫前質量預檢驗。由施工單位送檢員取樣，取樣按相關標準規(guī)定進行，監(jiān)理旁站見證。施工單位自行保管好進貨單據(jù)及質量保證書。其中，質量保證書每月提交資料員匯總歸檔保存。

最后，原材料檢測采用施工單位自檢與委外檢測雙重控制，自檢項目在施工單位內部試驗室進行，委外檢測由具備相應檢測資質的第三方檢測機構檢測。原材料各項性能指標檢驗合格后，方可投入使用，對不符合相關標準的原材料在監(jiān)理單位見證下作退貨處理，未經(jīng)檢驗原材料嚴禁直接用于管片生產(chǎn)。

3.2 有針對性地完善施工工藝

對于振搗工藝，運用模具振動臺整體振搗工法，在這樣的工況下會形成較大的振動能量，使同個澆筑層砼振搗均勻度得到保障，進行機械化施工盡管能減少人為因素帶來的干擾，但可能還會帶來垂直層上分布不均、上孤面或外孤面翻漿等問題。建議在螺栓孔、鋼筋構件密集分布等特殊部位建議運用人工振搗法進行強化，以防因砼振搗施工不到位而在局部出現(xiàn)裂縫。管片養(yǎng)護主要由脫模前的蒸汽養(yǎng)護與脫模后灑水兩大部分構成，前者有助于縮短脫模時長，提高鋼模資源的現(xiàn)場周轉效率，當以上過程一定要指派專人嚴控蒸養(yǎng)的最高溫度、升降溫梯度等參數(shù)；設定灑水養(yǎng)護的周期為1周，使砼材料進行十分徹底的水化作用，可以顯著增加這種材料的密實度，從基礎環(huán)節(jié)減少或規(guī)避局部開裂質量問題。

3.3 加強防水材料的控制

參照項目現(xiàn)場具體施工狀況動態(tài)調控木襯墊材質類別以及實際粘貼厚度，一定要選用適用性最強的建材開展施工作業(yè)活動。按照設計圖紙規(guī)范化拼裝管片之前，一定要嚴格檢查管片防水材料的使用性能，特別是要把管片上一環(huán)環(huán)面作為重點檢查對象，及時清除掉雜物，特殊情況下可以對軟木襯墊進行潤滑處理，借此方式減少管片安裝環(huán)節(jié)的摩擦力大小。

3.4 安裝過程嚴格控制

督導參建工人嚴格按照管片安裝規(guī)范安裝管片，加強管片錯臺、間隙及環(huán)面平整度等指標的控制。拼裝管片時不能一味地追求快速完工，要加強拼裝質量的把控，特別是要加強細節(jié)性問題的把控，以防對管片外弧面保護層的施工效果產(chǎn)生負面影響。為達成以上目標，一定要加大拼裝歐冠驚人技術培訓，規(guī)避現(xiàn)場作業(yè)時出現(xiàn)錯臺、喇叭口、螺栓松動等問題。拼裝各塊管片時杜絕出現(xiàn)在止水條上進行擠壓的操作行為，及時調整管片所處方位，規(guī)避局部止水條拉伸、翻轉、脫膠等異常狀況?，F(xiàn)場拼裝時一定確保拼裝點位合理，確保盾尾間隙大小適宜，杜絕管片橢變形體增大、盾尾間隙過于狹窄等狀況。

3.5 管片螺栓復緊

盾構現(xiàn)場掘進施工時，在油缸荷載作用下前期拼裝好的管片位置可能會發(fā)生偏移，這種移位情況造成的直接后果是局部螺栓松動；后期伴隨盾構施工活動繼續(xù)進行油缸推力給后端已拼好的管片施加的荷載作用會不斷降低，在這樣的工況下就會凸顯出螺栓的松弛效應，增加了局部管片錯臺、接縫處滲漏水等問題發(fā)生的風險。故而，盾構現(xiàn)場掘進期間工人要及時對管片螺栓進行復緊處理。

3.6 盾構現(xiàn)場掘進參數(shù)控制

一是在工程現(xiàn)場可以嘗試預控盾構垂直姿態(tài)，建議把掘進姿態(tài)調控在負值，準確在區(qū)間單位中預留下一定的管片上浮量。

二是加強注漿壓力大小的控制。具體是參照管片裂紋發(fā)生的具體部位、數(shù)目等動態(tài)調控砂漿的泵擊頻次，通過落實以上辦法對管片裂紋問題能起到較好的防控作用。

3.7 為管片角部增設U形筋

因為現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)管片角部砂漿厚度值相對較大，為了提高角部結構的強度水平，可以把U形筋增設到管片角部，借此方式增強其受力性能。

3.8 及時治理缺陷問題等

組織工人對管片發(fā)生開裂滲漏水范疇進行二次注漿修復，鑒于管片二次注漿孔間距相對較大這一現(xiàn)實狀況，現(xiàn)場施工井中為了增加管片背后注漿擴散范疇，使補注漿成效得到更大保障，建議選擇單液水泥漿作為，P.O42.5 普通水泥，設計水灰比采1：1；隨后配合使用局部注改性環(huán)氧樹脂材料進行堵漏施工。

4 盾構隧道管片開裂整治技術

4.1 盾構隧道管片裂縫修補措施

國內外學者將盾構隧道管片裂縫產(chǎn)生的原因作為依據(jù)提出多種控制裂縫的方法，但因受多種不可控性因素的影響，裂縫問題依舊愈演愈烈，使得城市中的地鐵建設對于裂縫的修補提出了更高的要求。為進一步提升混凝土盾構隧道管片的運營壽命，需在不影響結構承載力的基礎上，依據(jù)裂縫發(fā)展情況和滲漏表現(xiàn)來進行針對性修補。一般來說，可以選取P.O52.5普通硅酸鹽水泥與快凝快硬水泥作為主要的修補材料，將適量的白水泥摻入到其中，可讓修補部分與混凝土管片本身的顏色更為接近。針對小部分崩角破損的裂縫情況，需鑿除松散部分將新鮮混凝土材料露出并作清理處理，涂刷混凝土界面劑后再進行相應的修補。針對深度較大的裂縫情況，需以裂縫為鑿除方向，將其鑿稱寬度≥10mm，深度≥15mm的V形槽，清理之后涂刷混凝土界面劑之后實施分層修補，將修補厚度控制在20～20mm。針對存在滲漏現(xiàn)象的裂縫，需先使用快凝快硬水泥進行修補，接著進行鉆孔，將聚氨酯或環(huán)氧樹脂等堵漏材料注入其中，做好封堵工作。完成裂縫封閉之后，需要檢查密封性能，可采用裂縫處涂抹肥皂水并注入壓縮空氣的方式進行檢驗，一旦發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象需要立即實施密封處理。

圖1 盾構隧道管片裂縫修補示意圖

4.2 盾構隧道管片鋼環(huán)加固修補措施

隧道盾構隧道管片出現(xiàn)嚴重變形收斂，管片裂縫、崩角掉塊、漏水漏漿。若不加以處置，后續(xù)發(fā)展會造成設備超限、隧道坍塌等嚴重后果，影響地鐵運營，故應對管片變形區(qū)段進行加固處理。一般來說，完成隧道表面的病害處理后，在內襯進行鋼環(huán)加固處理。管片加固完成前對各型縫（管片環(huán)、縱縫）進行注漿處理，管片注漿應在盾構變形趨于穩(wěn)定的狀態(tài)下實施，注漿材料：管片環(huán)、縱接縫采用彈性環(huán)氧樹脂，道床與管片脫空處及鋼環(huán)與混凝土管片背后采用親水剛性環(huán)氧樹脂。為保證注漿效果，注漿前對各型縫進行嵌縫處理，嵌縫材料采用彈性環(huán)氧膠泥，手孔用聚合物水泥防水砂漿充填。鋼板及拉板表面需要作防腐蝕處理，為保證粘結效果背部不作防腐處理，防腐施工前應對鋼環(huán)兩面均采用進行噴砂除銹處理。

鋼環(huán)一般選用Q345B鋼，厚度20mm厚的鋼板制作，依據(jù)鋼環(huán)構件的不同弧長分成6-7塊鋼板，拼裝之后形成封閉的圓環(huán)。鋼環(huán)拼裝時如管片有滲漏現(xiàn)象，應先進行堵漏再粘貼鋼板。鋼環(huán)拼裝采用錨栓固定，結構用植筋膠，采用改性環(huán)氧樹脂或改性乙烯基脂類膠粘劑。鋼環(huán)安裝時應先安裝底部牛腿，然后由下往上安裝，鋼環(huán)接縫采用坡口焊接，焊縫位置應避開管片縱縫設置。為使鋼板與管片間協(xié)同作用，待鋼環(huán)完成安裝之后，使用楔形橡膠條封閉鋼環(huán)兩側，然后從鋼環(huán)預留好的注漿孔填充鋼環(huán)與管片的間隙，采用剛性環(huán)氧樹脂注漿，要求漿液凝固后無收縮，鋼環(huán)與管片間縫隙填充良好，無空鼓。鋼環(huán)之間的連接以扁鋼為主，讓其端部與鋼環(huán)端部保持在連接狀態(tài)，完成鋼環(huán)加固修補措施。

4.3 完善管片裂縫防治過程控制

為進一步提升盾構隧道管片裂縫防治效果，需重視管運營管理的過程，確保裂縫防治的質量與相關標準相符。裂縫防治質量的提升是一項系統(tǒng)性工程，需從多個方面來把控過程管理。首先，在日常的運營管理當中，需以相應操作手冊作為主要依據(jù)，通過制定完善的操作手冊內容，并對管片作業(yè)的基本要求進行關注，讓整個裂縫防治工作的開展都可有所依據(jù)，并顯示出足夠的操作性、適用性與指導性。此外，裂縫防治管理中的程序性也是需要重點關注的內容，要以明確且詳細的規(guī)定作為依據(jù)，與實際的工作情況結合在一起，充分落實好相應的技術交底工作，然后制定出統(tǒng)一化的質量管理要求，讓裂縫防治的整個過程都可以得到有效的管理與監(jiān)督，促進整個地鐵運營管理系統(tǒng)的有效發(fā)展。

圖2 管片裂縫維護示意圖

5 結束語

總之，導致盾構隧道管片出現(xiàn)局部開裂問題的原因較多，對相關機理的研究應該是一個與現(xiàn)實情況持續(xù)驗證的過程，應深入挖掘造成開裂問題的成因，明確其產(chǎn)生的危害性，是自覺樹立綜合治理施工理念，在具體措施應用時要追求實現(xiàn)針對性，要積極從源頭抓起，即加強管片生產(chǎn)質量的控制，現(xiàn)場施工中加強防水材料、盾尾間隙大小等指標的控制，多管齊下，共同提高管片施工質量，延長使用壽命，為隧道工程建設與發(fā)展提供保障。