盾構(gòu)隧道管片破損及缺陷治理方法研究

摘 要：盾構(gòu)隧道管片常見(jiàn)病害包括管片開(kāi)裂、接縫滲漏水、邊角破損和錯(cuò)臺(tái)等，這些病害經(jīng)常發(fā)生在盾構(gòu)隧道的建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期，如不及時(shí)有效治理，將會(huì)影響隧道運(yùn)營(yíng)安全。病害發(fā)生有地質(zhì)、設(shè)計(jì)和施工諸方面的原因，最主要的原因是施工過(guò)程的質(zhì)量控制不當(dāng)。文章以以色列特拉維夫紅線輕軌盾構(gòu)隧道管片常見(jiàn)損害及缺陷修復(fù)實(shí)踐為基礎(chǔ)，分析各種損害及缺陷產(chǎn)生的原因，提出管片裂縫、邊角破損、滲漏水、接縫錯(cuò)臺(tái)的防止措施、修復(fù)和處理方法，以期為以后類似工程項(xiàng)目提供借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道;管片開(kāi)裂;接縫滲漏水;邊角破損;錯(cuò)臺(tái);治理方法

中圖分類號(hào)：U455.43

1 工程背景

以色列特拉維夫紅線輕軌為雙線隧道，采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)掘進(jìn)采用2臺(tái)海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，開(kāi)挖直徑7 550 mm。隧道埋深為5.5～20 m，大部分處于地下水位下方，地質(zhì)為黏土、砂黏混合及砂層。管片有1.5 m與1.2 m 2種B60鋼混通用型管片，每環(huán)管片由6 塊管片組成（A1、A2、A3、B1、B2、K），管片外徑7200mm，內(nèi)徑6 500 mm，厚350 mm，管片間用螺栓連接。管片養(yǎng)護(hù)方式為蒸汽后涂刷養(yǎng)護(hù)劑，露天存放，管片調(diào)運(yùn)及安裝采用真空吸盤(pán)方式。推進(jìn)油缸帶自動(dòng)調(diào)節(jié)回位裝置，配置4路注漿管路。設(shè)計(jì)正常推力為50668kN，扭矩為5265kN · m，最小轉(zhuǎn)彎半徑為180m。在隧道建造過(guò)程中，部分管片出現(xiàn)裂縫、邊角破損、滲漏水、接縫錯(cuò)臺(tái)，針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù)業(yè)主規(guī)范要求，對(duì)上述缺陷進(jìn)行了治理。

2 管片裂縫

2.1 裂縫成因分析

管片裂縫產(chǎn)生有諸多原因，混凝土強(qiáng)度不足、推進(jìn)油缸推力超過(guò)管片承載力和注漿壓力超過(guò)設(shè)計(jì)允許值是最主要原因。另外，管片混凝土的保護(hù)層較大，養(yǎng)護(hù)措施不到位，螺栓手孔處的鋼筋設(shè)計(jì)不足，運(yùn)輸和儲(chǔ)存方法不當(dāng)，螺栓的擰緊力及扭矩沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在后續(xù)掘進(jìn)過(guò)程中沒(méi)有對(duì)已成型隧道的管片螺栓進(jìn)行復(fù)緊等，都可能導(dǎo)致管片產(chǎn)生裂縫。

管片裂縫分為干裂縫和濕裂縫，濕裂縫是指裂縫處潮濕或有滲漏水現(xiàn)象。在國(guó)際工程中，裂縫寬度以0.20mm為界，當(dāng)裂縫寬度<0.20 mm且為干裂縫時(shí)不需要處理，裂縫為濕裂縫時(shí)需要處理;當(dāng)裂縫寬度≥0.20 mm時(shí)，不論干濕都要進(jìn)行處理。修補(bǔ)裂縫的寬度最大值不超過(guò)5 mm，裂縫寬度采用裂縫寬度觀測(cè)儀ZBL-F120進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定（圖1）。

2.2 裂縫處置

對(duì)于濕裂縫和寬度大于0.20 mm的干裂縫，一般通過(guò)注入聚氨酯基類樹(shù)脂材料填充裂縫，達(dá)到封閉或止水效果。注漿設(shè)備通常采用小型高壓?jiǎn)谓M份非氣動(dòng)聚氨酯注射泵，工作壓力2～8 bar。

（1）注漿步驟：①用水清洗裂縫處管片表面;②找出裂縫位置，用彩色筆將裂縫標(biāo)示在管片內(nèi)表面;③沿裂縫兩側(cè)從管片內(nèi)表面鉆孔，鉆孔深度為管片厚度的一半，鉆孔采用直徑14mm鉆頭，鉆孔角度45°，鉆孔縱向間距d= 15～20cm（圖2）;④安裝注射針頭;⑤混合快凝水泥或快凝砂漿，在裂縫表面抹厚5～10 mm、寬約10 cm 1層，封閉裂縫表面，且注漿前養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于10 min;⑥按設(shè)計(jì)配比配置注射液（表1），注入體積不超過(guò)5L，以免影響使用效果;⑦逐孔由低處向高處順序注射，開(kāi)始時(shí)的壓注速率控制在1 L/min，注漿壓力控制在2～8 bar（一般選擇5 bar左右），注漿過(guò)程中仔細(xì)觀察裂縫處現(xiàn)象，逐漸調(diào)整注入速率。

（2）注漿停止條件：①滿足理論注入量;②在5bar工作壓力下，漿液已不能再注入;③漿液在注入針頭出現(xiàn)反沖;④漿液已經(jīng)從鄰近的裂縫或鄰近的孔中流出或溢出;⑤滿足條件①并同時(shí)滿足②、③、④中任一條件時(shí)，停止注漿。

3 管片破損

3.1 管片破損成因分析

管片破損在生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝、管片拼裝過(guò)程和中拼裝完成繼續(xù)掘進(jìn)時(shí)均可能出現(xiàn)，管片安裝和掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)管片破損的成因如下。

（1）千斤頂推力設(shè)置、伸縮速度不一致，造成受力不均，尤其在角部時(shí)將造成管片角部破損。

（2）上一環(huán)管片環(huán)面不平整，導(dǎo)致管片局部受力不均勻，從而使管片破損。

（3）糾偏過(guò)急，管片與上一環(huán)環(huán)面不同心，形成夾角、錯(cuò)臺(tái)，千斤頂回頂后管片角部先受到擠壓，導(dǎo)致破損。

（4）鄰接塊所留空隙不夠，封頂塊被強(qiáng)行頂入時(shí)易造成管片破損。

（5）拼裝時(shí)操作不當(dāng)，產(chǎn)生磕碰現(xiàn)象，造成管片邊角的破損。

3.2 拼裝過(guò)程中管片破損的防治措施

（1）推進(jìn)前對(duì)千斤頂?shù)纳炜s速度進(jìn)行檢查，推進(jìn)油泵的伸縮順序應(yīng)與管片拼裝順序一致，盡量保證千斤頂伸縮的同步;同時(shí)設(shè)定好拼裝模式中千斤頂?shù)淖畲笸屏Α?/p>

（2）每一環(huán)掘進(jìn)結(jié)束后、管片拼裝前，首先檢查上一環(huán)的環(huán)面平整度。如發(fā)現(xiàn)有環(huán)面錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，及時(shí)用糾偏石棉橡膠板進(jìn)行找平。

（3）拼裝時(shí)如發(fā)現(xiàn)管片錯(cuò)臺(tái)要及時(shí)調(diào)整。

（4）管片拼裝時(shí)可根據(jù)上一環(huán)管片的盾尾間隙和前5塊管片與上一環(huán)的平整度判斷拼裝的圓度，發(fā)現(xiàn)管片拼裝不圓時(shí)，要通過(guò)連續(xù)幾環(huán)的適量調(diào)整，使圓度達(dá)到規(guī)范要求。

（5）加強(qiáng)拼裝手的教育，增強(qiáng)質(zhì)量意識(shí)，減少操作過(guò)程中磕碰管片的現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 管片破損修復(fù)方法

管片破損一般發(fā)生在管片邊緣部位（圖3），根據(jù)破損深度決定是否對(duì)破損部位進(jìn)行修補(bǔ)。管片內(nèi)側(cè)破損深度小于5 mm時(shí)，不需要修復(fù);管片破損深度大于5 mm時(shí)，根據(jù)鋼筋露頭的情況采取不同的修補(bǔ)方法。修補(bǔ)材料一般用高性能、低收縮性的水泥基砂漿材料，修補(bǔ)步驟如下。

（1）用切割機(jī)切掉或電錘鑿掉管片破損區(qū)域。

（2）清理混凝土表面的松散顆粒、油污。

（3）對(duì)混凝土表面進(jìn)行鑿毛。

（4）噴水清洗混凝土表面，表面要充分濕潤(rùn)，不能有積水。

（5）制作修補(bǔ)砂漿：取5～10 L的容器，根據(jù)切割后破損體積計(jì)算砂漿用量，按需用量制作砂漿，按說(shuō)明計(jì)算水的用量和固體粉劑用量;拌制砂漿時(shí)，一般先往容器里加水，攪拌器開(kāi)始攪拌時(shí)，逐漸往容器里面加入粉劑，粉劑加入后持續(xù)攪拌時(shí)間不少于1 min，使砂漿拌和均勻。

（6）用膩?zhàn)拥痘蛐∧ㄗ又饘訉?duì)破損部位修補(bǔ)至設(shè)計(jì)尺寸，并抹光修補(bǔ)處內(nèi)表面。

（7）砂漿表面抹光后，在砂漿表面貼一層塑料薄膜，防止水分蒸發(fā)。

（8）如果鑿除破損部位后露出鋼筋，要將混凝土鑿除到鋼筋背后至少10 mm，清理浮渣后，對(duì)裸露的鋼筋涂刷一層防銹漆，待防銹漆干燥后，進(jìn)行上述步驟（4）～步驟（7）。

4 管片滲漏

4.1 管片滲漏成因分析

管片的拼接縫是管片出現(xiàn)滲漏水最多的部位，尤其在隧道頂部的環(huán)向接縫和縱向接縫，其成因如下。

（1）在拼裝前，管片端面沒(méi)有清洗干凈，止水條上粘結(jié)有砂子、泥、砂漿結(jié)塊、油脂等。

（2）止水條粘結(jié)不牢固，國(guó)內(nèi)大部分管片止水條采用的都是后粘法，在管片拼裝時(shí)，尤其封頂塊，受兩側(cè)相鄰塊的擠壓，止水條極易發(fā)生變形甚至脫落，失去止水作用。

（3）管片外邊緣到止水條外邊緣的距離一般為10～30 mm，當(dāng)管片由管片運(yùn)輸車卸至管片輸送機(jī)時(shí)，如果操作不當(dāng)或沒(méi)有嚴(yán)格按設(shè)計(jì)位置要求放置，管片在輸送機(jī)上極易發(fā)生外邊緣破損;在拼裝時(shí)，這種破損很難被拼裝操作手或質(zhì)檢人員發(fā)現(xiàn)，破損的混凝土至止水帶下方時(shí)，止水帶的防水作用減弱，拼裝完成后即出現(xiàn)接縫滲漏水。

（4）同步注漿壓力不滿足設(shè)計(jì)要求或注漿量小于理論計(jì)算量時(shí)，漿液沒(méi)有充分充填至管片背后，管片背后存在未被漿液充填的空洞，在地下水位較高時(shí)管片接縫會(huì)首先出現(xiàn)滲漏水。

（5）盾構(gòu)推力不足，管片止水條之間沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)擠壓力。該情況主要出現(xiàn)在盾構(gòu)接收端管片環(huán)向接縫之間，在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)接收端后，盾構(gòu)前端脫離土體，所提供的反力減小，管片之間沒(méi)有足夠的擠壓力使止水條充分壓緊，在后期出現(xiàn)漏水。

4.2 管片滲漏處置

防止管片滲漏的主要方法是在同步注漿完成后，及時(shí)跟進(jìn)二次注漿。同步注漿凝固后，注漿層會(huì)產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致土體與漿液固結(jié)層之間產(chǎn)生間隙，通過(guò)二次注漿及時(shí)填充該間隙，起到止水作用。二次注漿通過(guò)留置在每片管片上的注漿孔注入，漿液一般采用水泥凈漿或水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力略大于同步注漿壓力，一般控制在5 bar以內(nèi)。

在二次注漿完成后，管片接縫若仍存在滲漏，就需要采取注入聚氨酯或樹(shù)脂的方法，目前有2種方法：方法1是將聚氨酯注入至管片止水條背后，填充止水條與漿液之間的間隙;方法2是將滲漏接縫部位表面用快凝砂漿封閉，將聚氨酯注入到管片內(nèi)表面與止水條內(nèi)側(cè)的間隙（圖4）。以色列特拉維夫采用方法2，其步驟如下。

（1）清除管片表面的砂漿、灰塵顆粒和油脂等。

（2）用快凝砂漿封閉接縫滲漏水部位的管片表面，寬度100 mm，接縫兩側(cè)各50 mm，砂漿厚度20～30mm。

（3）砂漿凝固后，采用14 mm鉆頭從封閉砂漿表面垂直于管片接縫鉆孔，鉆孔深度為管片厚度一半（175 mm，需精確控制鉆孔深度），換8 mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)100 mm，至管片止水條內(nèi)表面，鉆孔間距不超過(guò)300mm;

（4）安裝注射針頭。

（5）由下部向上部順序逐孔注入聚氨酯，到聚氨酯從管片接縫溢出時(shí)停止注漿。

（6）聚氨酯凝固后，目視檢查管片表面是否仍然有滲漏現(xiàn)象，如果有滲漏現(xiàn)象，在2孔中間位置鉆孔，安裝注射針頭注入聚氨酯，直至滲漏停止。

（7）滲漏停止后，用砂輪切割機(jī)切除突出管片表面的注漿針頭，用砂漿填平針孔。

5 管片錯(cuò)臺(tái)

5.1 管片錯(cuò)臺(tái)成因分析

管片錯(cuò)臺(tái)是指管片拼裝后，相鄰環(huán)管片之間或同一環(huán)相鄰管片之間內(nèi)弧面不平順現(xiàn)象。相鄰環(huán)管片之間的錯(cuò)臺(tái)稱為縱向錯(cuò)臺(tái)，同一環(huán)相鄰管片之間的錯(cuò)臺(tái)稱為環(huán)向錯(cuò)臺(tái)。

盾構(gòu)機(jī)是靠管片提供反力向前掘進(jìn)，千斤頂油缸作用在管片端面上，若剛拼裝好的管片出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，容易導(dǎo)致相鄰管片間產(chǎn)生集中應(yīng)力，使管片邊緣發(fā)生破裂、崩角等問(wèn)題，管片縱向、環(huán)向接縫之間采用三元乙丙橡膠止水條（圖5），寬度一般為30 mm。管片錯(cuò)臺(tái)大于15mm時(shí)，橡膠止水條之間的壓密效果受到影響，在地下水壓較大時(shí)管片接縫出現(xiàn)滲漏水，以色列特拉維夫紅線輕軌管片使用的橡膠止水條為ESRUBBER-TunnelFlex 33 C Anchor，當(dāng)止水條壓緊偏移值超過(guò)20mm時(shí)，止水條失去防水作用（圖6）。

（1）管片拼裝過(guò)程控制。管片拼裝過(guò)程控制是控制管片錯(cuò)臺(tái)的最主要環(huán)節(jié)，其過(guò)程如下：①拼裝前要對(duì)管片外表面、內(nèi)表面及端面進(jìn)行清洗，防止有固結(jié)附著物或砂漿結(jié)塊附著在管片上，對(duì)于沉積于盾尾底部的砂漿、砂子，在管片拼裝前要清理干凈;②管片拼裝要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)拼裝順序進(jìn)行拼裝，拼裝時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)要設(shè)專人拿水平尺或直尺檢查相鄰管片的平順度，指示管片拼裝手調(diào)整管片位置，直到滿足平順度要求;③拼裝完成后及時(shí)擰緊螺栓，注漿完成后及時(shí)復(fù)緊。

（2）同步注漿控制不當(dāng)。管片背后一般采用同步注漿充填，同步注漿是在一定的注入壓力下進(jìn)行的，由于管片自重與所受到的浮力有一定的差值，當(dāng)注入的漿液尚未凝固時(shí)，管片在浮力作用下有上浮的趨勢(shì)，如果注漿次序和壓力選擇不當(dāng)，易因浮力造成管片錯(cuò)臺(tái)。如只開(kāi)啟下部2路注漿管路，容易在注漿過(guò)程中引起管片上浮，注漿壓力超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定值時(shí)，易對(duì)管片造成較大的擠壓，從而導(dǎo)致管片整體變形。

（3）盾構(gòu)姿態(tài)。盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)控制是盾構(gòu)施工技術(shù)的重點(diǎn)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的變化直接影響到盾尾間隙的變化。實(shí)際掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)呈蛇形前進(jìn)，如果盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)控制不好，盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡波動(dòng)（包括上下波動(dòng)和左右波動(dòng)）幅度過(guò)大，必然導(dǎo)致管片與盾尾之間的間隙不均勻。若盾尾間隙過(guò)小，一側(cè)管片受盾尾擠壓造成錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。

5.2 管片錯(cuò)臺(tái)處置

管片錯(cuò)臺(tái)的處置與防治主要采取事前控制措施，加強(qiáng)管片拼裝質(zhì)量、同步及二次注漿質(zhì)量和盾構(gòu)姿態(tài)的控制。在實(shí)際施工中，管片錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象是不可完全避免的，錯(cuò)臺(tái)超過(guò)一定限值，必須采取措施進(jìn)行處理，其步驟如下。

（1）用鋼絲刷清理錯(cuò)臺(tái)兩側(cè)的管片表面，用高壓風(fēng)吹洗灰塵和小顆粒，保持要處理的錯(cuò)臺(tái)處清潔干燥。

（2）快凝砂漿封閉錯(cuò)臺(tái)接縫，封閉長(zhǎng)度比錯(cuò)臺(tái)長(zhǎng)度兩側(cè)要各長(zhǎng)約50 cm。

（3）封閉完成后直接在接縫處采用14 mm鉆頭鉆孔。

（4）安裝注射針頭。

（5）混合注射材料，攪拌均勻。

（6）注入環(huán)氧樹(shù)脂至管片接縫，直至該接縫到達(dá)設(shè)定壓力不能再注入。

（7）注入完成至少24 h后，切割注射針頭。

6 結(jié)論及建議

（1）將管片裂縫分類為干裂縫與濕裂縫，采用注入聚氨酯基類樹(shù)脂材料，可達(dá)到填充裂縫、封閉和止水效果。

（2）管片破損在施工過(guò)程中出現(xiàn)情況較多，應(yīng)合理控制盾構(gòu)千斤頂，避免管片拼裝產(chǎn)生的破損;可采用高性能、低收縮性的水泥基砂漿材料進(jìn)行修補(bǔ)。

（3）對(duì)于管片滲漏，可以將聚氨酯注入至管片止水條背后，填充止水條與漿液之間的間隙;還可以將滲漏接縫部位表面用快凝水泥封閉，將聚氨酯注入到管片內(nèi)表面與止水條內(nèi)側(cè)的間隙。

（4）在盾構(gòu)管片拼裝前，加強(qiáng)管片拼裝質(zhì)量、同步及二次注漿質(zhì)量和盾構(gòu)姿態(tài)的控制，可以防止管片發(fā)生錯(cuò)臺(tái)。

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收稿日期 2020-02-27

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

Study on treatment of segment damage and

defect of shield tunnel

Guo Yinxin

Abstract： The common defects of shield tunnel segments include segment cracking， joint leakage， corner damage and dislocation， which often occur in the construction and operation period of shield tunnel. If not treated in time and effectively， it affects the safety of tunnel operation. There are geological， design and construction reasons for the occurrence of the defects. The main reason is the improper quality control in the construction process. Based on the practice of repairing the common damages and defects of the segments of the Red Line shield tunnel in Tel Aviv， Israel， this paper analyzes the causes of various damages and defects， and puts forward the preventive measures， repair and treatment methods of segment cracks， corner damage， water leakage and joint dislocation， providing references for similar projects in the future.

Keywords： subway tunnel， segment cracking， joint leakage， corner damage， dislocation， treatment method

作者簡(jiǎn)介：郭銀新（1978—），男，高級(jí)工程師