海相飽和軟土地層盾構(gòu)管片開(kāi)裂分析及處治

李國(guó)棟

(中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054)

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海相飽和軟土地層盾構(gòu)管片開(kāi)裂分析及處治

李國(guó)棟

(中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054)

管片是盾構(gòu)法隧道施工中的重要裝配構(gòu)件，影響到隧道施工及后期運(yùn)營(yíng)的安全性。文章以寧波軌道交通1號(hào)線世紀(jì)大道-海晏北路區(qū)間隧道管片為對(duì)象，分析了在海相高流變飽和軟土地層修建盾構(gòu)隧道過(guò)程中管片開(kāi)裂的現(xiàn)象及規(guī)律，并結(jié)合數(shù)值分析揭示了管片開(kāi)裂部分原因，提出了控制管片開(kāi)裂的相應(yīng)措施，可為類似地層條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)及管片開(kāi)裂處治提供參考。

海相飽和軟土；盾構(gòu)隧道；管片開(kāi)裂；控制措施

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，城市地鐵的修建方興未艾。目前，大部分城市地鐵采用盾構(gòu)法修建，在盾構(gòu)法隧道施工中，管片是主要的裝配構(gòu)件。盾構(gòu)管片承擔(dān)了來(lái)自地層的水土壓力，影響到盾構(gòu)隧道的安全施工及運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，在隧道修建過(guò)程中管片容易碰到各種問(wèn)題而開(kāi)裂。目前，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)不同地層盾構(gòu)管片開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。吳坤[1]等結(jié)合北京地鐵大興線黃—義

區(qū)間盾構(gòu)隧道進(jìn)行了研究，探討了北京地鐵盾構(gòu)管片的開(kāi)裂原因，并給出了相應(yīng)的處理措施。徐軍[2]從千斤頂推力、管片環(huán)面平整度、千斤頂撐靴角度、線型擬合程度方面進(jìn)行了管片開(kāi)裂機(jī)理分析。竺維彬[3]等結(jié)合廣州地鐵鐵二號(hào)線市二宮-江南盾構(gòu)區(qū)間隧道分析了廣州地鐵盾構(gòu)管片開(kāi)裂的原因，并提出了相應(yīng)的控制措施。農(nóng)興中[4]從地質(zhì)原因、注漿、先施工盾構(gòu)管片對(duì)后期施工管片影響的角度分析了盾構(gòu)管片開(kāi)裂原因，并給出了針對(duì)性的處治措施。

在修建寧波地鐵的過(guò)程中，同樣遇到了管片開(kāi)裂的情況，本文結(jié)合寧波軌道交通1號(hào)線世紀(jì)大道-海晏北路區(qū)間隧道進(jìn)行了寧波特有海相高流變飽和軟土地層盾構(gòu)管片開(kāi)裂原因分析，并給出了施工解決措施。

1 工程概況

1.1 水文地質(zhì)概況

擬建場(chǎng)地第四系地層發(fā)育，厚度較大，且層位較穩(wěn)定，從中更新世至全新世地層發(fā)育齊全。主要成因類型有河流相、河湖相及海相等，從老到新是由一套陸相堆積～海陸交替堆積～海相堆積地層組成。

本標(biāo)段區(qū)間穿越的地層主要為②2-1層淤泥，土質(zhì)不均，局部為淤泥質(zhì)粘土，呈流塑狀，高壓縮性，高靈敏度；②2-2淤泥質(zhì)粘土，土質(zhì)不均，局部為淤泥，呈流塑狀，高壓縮性，高靈敏度；③1粉砂，土質(zhì)不均，夾粘性土，局部較多，中壓縮性；③2粉質(zhì)粘土加粉砂，土質(zhì)不均，夾薄層粉砂，局部粉性較重為粘質(zhì)粉土，呈軟塑狀，中壓縮性。

擬建場(chǎng)地沿線地表水豐富，主要水源為奉化江。地下水由淺部土層中的潛水、砂性土中的微承壓水及深部粉(砂)性土層中的承壓水組成，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水與地表徑流，排泄方式主要以蒸發(fā)方式排泄。

勘察期間實(shí)際測(cè)得的地下水初見(jiàn)水位埋深為1.2～3.6 m，相對(duì)應(yīng)的高程為-1.01～1.52 m；穩(wěn)定水位埋深為0.7～1.95 m，相對(duì)應(yīng)的高程為1.13～2.10 m。

1.2 管片設(shè)計(jì)概況

文中盾構(gòu)區(qū)間采用的是預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片外徑6 200 mm，內(nèi)徑5 500 mm，寬1 200 mm，厚3 50 mm。每環(huán)管片縱向共16只M30螺栓，環(huán)向共12只M30螺栓。按照隧道埋深不同，管片配筋相應(yīng)有差別，按照隧道埋深不同將管片分為P1、P2、P3三類，即淺埋、中埋、深埋環(huán)，淺埋覆土厚度h≤11m，中埋11m

管片端面環(huán)縫采用凹凸榫槽結(jié)構(gòu)，縱縫采用平面式，襯砌間連接件采用雙頭彎螺栓，連接件采用鋅基鉻酸鹽涂層+抗堿涂層處理。襯砌縱、環(huán)縫防水采用多孔特殊斷面的三元乙丙橡膠彈性密封墊，外側(cè)加貼遇水膨脹止水條，形成雙道防水。為避免管片拼裝時(shí)因應(yīng)力集中而破壞，在管片環(huán)縫設(shè)傳力襯墊。管片設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 管片設(shè)計(jì)圖

2 管片開(kāi)裂情況

海福區(qū)間右線部分管片的內(nèi)弧面出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、分析，并結(jié)合具體施工實(shí)際、地層及設(shè)計(jì)情況，歸納出管片開(kāi)裂主要表現(xiàn)為三種形式。

2.1 隧道管片凹槽側(cè)內(nèi)弧面環(huán)向開(kāi)裂

(1)主要是位于背向千斤頂?shù)陌疾蹅?cè)內(nèi)弧面的環(huán)向裂縫。

(2)此種開(kāi)裂數(shù)量占全部總開(kāi)裂數(shù)量的95%以上。

(3)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不好、轉(zhuǎn)彎、變坡等情況時(shí)開(kāi)裂嚴(yán)重。

(4)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與管片姿態(tài)相互間有惡化趨勢(shì)且超限不嚴(yán)重時(shí)，管片90%以上出現(xiàn)在脫出盾尾后1～3環(huán)開(kāi)裂；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與管片姿態(tài)相互間已經(jīng)惡化且超限嚴(yán)重時(shí)，管片位于盾尾內(nèi)開(kāi)裂和位于盾尾外開(kāi)裂各占50%。

(5)管片發(fā)生開(kāi)裂后，初始時(shí)縫隙較小，推進(jìn)幾環(huán)后開(kāi)縫變大，如圖2所示。

2.2 隧道管片凸榫側(cè)內(nèi)弧面環(huán)向開(kāi)裂

(1)主要是位于迎向千斤頂?shù)耐归緜?cè)內(nèi)弧面的環(huán)向裂縫。

(2)裂縫主要出現(xiàn)在緩和曲線與圓曲線變化的轉(zhuǎn)彎側(cè)。

(3)裂縫開(kāi)裂范圍較小。

(4)主要是推進(jìn)過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂，往往在每環(huán)掘進(jìn)出0.4m時(shí)開(kāi)裂，如圖3所示。

2.3 隧道管片內(nèi)弧面縱向開(kāi)裂

(1)主要是位于迎千斤頂側(cè)管片內(nèi)弧面的縱向裂縫。

(2)開(kāi)裂長(zhǎng)度>15cm時(shí)，往往伴有滲水現(xiàn)象。

(3)一般在盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與管片姿態(tài)相互間已經(jīng)惡化且超限嚴(yán)重時(shí)縱向裂縫才出現(xiàn)，如圖4所示。

圖2 隧道管片凹槽側(cè)內(nèi)弧面環(huán)向開(kāi)裂示例圖

圖3 隧道管片凸榫側(cè)內(nèi)弧面環(huán)向開(kāi)裂示例圖

圖4 隧道管片內(nèi)弧面縱向開(kāi)裂示例圖

3 管片開(kāi)裂原因分析

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中管片開(kāi)裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，降低了盾構(gòu)掘進(jìn)施工的效率、施工及后期運(yùn)營(yíng)期間的安全性。為了減少管片開(kāi)裂，更高效、更安全地修建隧道，本文對(duì)寧波海相高流變飽和軟土地層盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中管片開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析。

3.1 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)

在寧波地層情況下，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)土層流塑性大，靈敏性高且地層軟弱無(wú)法給盾構(gòu)機(jī)提供足夠的約束力，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)一定程度的上浮，使得盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)與管片姿態(tài)不相吻合。在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中，造成盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸千斤頂與管片橫斷面不垂直接觸，產(chǎn)生徑向分力。同時(shí)，由于盾尾間隙偏小，盾構(gòu)機(jī)盾尾對(duì)管片產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致管片出現(xiàn)開(kāi)裂。

3.2 管片拼裝原因

管片拼裝過(guò)程中若出現(xiàn)錯(cuò)縫或開(kāi)縫，那么組裝中的管片和已組裝好的管片的角部就可能呈點(diǎn)接觸或線接觸，如圖5所示。這些地方一旦承受千斤頂?shù)膲毫蜁?huì)發(fā)生殘缺或開(kāi)裂，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的方向與管片的方向產(chǎn)生差異時(shí)，會(huì)出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)與管片擠壓的現(xiàn)象，導(dǎo)致管片的損傷或變形，管片寬度越大這種現(xiàn)象的發(fā)生率就越高。

圖5 管片間點(diǎn)接觸、管片與盾構(gòu)機(jī)擠壓示意圖

3.3 管片自身上浮

管片脫出盾尾過(guò)程中因自身上浮時(shí)存在錯(cuò)臺(tái)趨向，先拼管片凸榫對(duì)新拼管片凹槽產(chǎn)生徑向剪切；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)油缸千斤頂對(duì)后拼管片施加推力進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，先拼管片凹槽側(cè)發(fā)生開(kāi)裂。

如果在管片拖出盾尾后，同步注漿漿液凝固時(shí)間長(zhǎng)，管片就會(huì)出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。根據(jù)工程情況和施工質(zhì)量，將會(huì)產(chǎn)生不同程度上浮，理論上浮最大極限值為8～12cm，連續(xù)推進(jìn)和加快注漿凝固時(shí)間與漿液粘稠度可以減緩管片上浮量。

3.4 千斤頂頂推力作用

由于地層原因，寧波地鐵盾構(gòu)隧道管片受到很大的浮力。在千斤頂頂推力與浮力的共同作用下容易使管片開(kāi)裂。

根據(jù)管片襯砌在頂推力和浮力作用下的作用性態(tài)，采用ABAQUS對(duì)管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，研究結(jié)構(gòu)在頂推力和浮力共同作用下裂縫的形成和發(fā)展過(guò)程。

研究對(duì)象選擇單塊管片結(jié)構(gòu)，選擇典型斷面設(shè)定管片結(jié)構(gòu)所承受的浮力，同時(shí)，改變作用在結(jié)構(gòu)上的頂推力，研究不同頂推力作用下管片結(jié)構(gòu)裂縫的形成和發(fā)展，研究結(jié)果為：頂推力45% 時(shí)，裂縫寬度達(dá)到3mm；頂推力60% 時(shí)，裂縫寬度達(dá)到12mm；頂推力70% 時(shí)，裂縫寬度達(dá)到18mm；頂推力80%時(shí)，裂縫寬度達(dá)到24mm；頂推力90%時(shí)，裂縫寬度達(dá)到30mm；頂推力95% 時(shí)，裂縫寬度達(dá)到33mm；頂推力100%時(shí)，裂縫寬度達(dá)到36mm。由此可見(jiàn)，管片結(jié)構(gòu)在承受一定浮力作用下，增大頂推力將會(huì)導(dǎo)致管片結(jié)構(gòu)裂縫的進(jìn)一步形成和發(fā)展。由于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整的需要，在掘進(jìn)過(guò)程中可能會(huì)增大千斤頂上下推力，導(dǎo)致管片開(kāi)裂增多。因此，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)合理選擇千斤頂頂推力，在保證掘進(jìn)效率的同時(shí)減少管片開(kāi)裂。

4 管片開(kāi)裂控制措施

在管片出現(xiàn)開(kāi)裂之后，采取了一系列措施防止后續(xù)施工中管片再次開(kāi)裂。采取的主要措施如下：

4.1 糾偏施工

糾偏施工應(yīng)先以調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)為主。施工中遵循勤糾、少糾，每環(huán)糾偏量≤5mm，并根據(jù)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、設(shè)計(jì)線路、管片點(diǎn)位，制定詳細(xì)的糾偏計(jì)劃，為施工過(guò)程提供理論依據(jù)。

遇到設(shè)計(jì)線路線形發(fā)生變化時(shí)，提前參考盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)姿態(tài)，制定詳細(xì)計(jì)劃，模擬盾構(gòu)后續(xù)掘進(jìn)，保證不因設(shè)計(jì)線路線形的改變，而引起盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)自身姿態(tài)、管片姿態(tài)與線路線形無(wú)法擬合。

4.2 管片拼裝控制

做好管片拼裝選點(diǎn)工作，提高管片拼裝質(zhì)量，避免管片拼裝錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象出現(xiàn)。糾偏過(guò)程中，及時(shí)調(diào)整管片楔形量，保證每環(huán)管片上超前量控制在60mm，確保糾偏過(guò)程中管片與盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)相互吻合。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)正常掘進(jìn)時(shí)嚴(yán)格控制每環(huán)行程差在20mm以內(nèi)。糾偏過(guò)程中行程差控制在30mm以內(nèi)，行程差>40mm時(shí)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

在拼裝管片時(shí)將管片向外喇叭趨勢(shì)拼，這樣有利于下一環(huán)的拼裝，且不會(huì)因?yàn)轭A(yù)留F塊空間不夠，造成鄰接管片破損。

4.3 同步注漿

改善同步注漿漿液強(qiáng)度，控制漿液初凝時(shí)間在3～4h以內(nèi)，保證脫出盾尾管片穩(wěn)定性，并在管片拖出盾尾第6環(huán)時(shí)，注雙液漿，縮短漿液凝固時(shí)間，增加管片在地層中的穩(wěn)定性，防止因管片浮動(dòng)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)而造成管片開(kāi)裂。

4.4 盾構(gòu)機(jī)推力控制

盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)油缸分區(qū)油壓，根據(jù)實(shí)際推進(jìn)情況改變盾構(gòu)機(jī)頂推力，在盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)受控的同時(shí)盡量減小盾構(gòu)機(jī)頂推力以減少管片開(kāi)裂。

4.5 管片質(zhì)量控制

采用凹槽處保護(hù)層已設(shè)置抗剪鋼筋的管片，提高管片自身抗剪能力，控制管片開(kāi)裂情況發(fā)生。將原1.5 mm丁腈軟木橡膠墊片增加至3 mm，加強(qiáng)管片凹凸榫槽位置緩沖，預(yù)防管片開(kāi)裂現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)寧波海相高流變飽和軟土地層盾構(gòu)隧道管片開(kāi)裂現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出了管片開(kāi)裂的原因，并據(jù)此進(jìn)行施工方法的改善。最終，控制住了管片開(kāi)裂。

針對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)的管片開(kāi)裂等情況，本文分析認(rèn)為，管片開(kāi)裂主要與管片上浮、盾構(gòu)機(jī)上浮造成管片受力的變化有關(guān)。由于管片上浮情況嚴(yán)重，導(dǎo)致管片拼裝過(guò)程中或拼裝完成后受到徑向分力，同時(shí)管片還受千斤頂反推力的徑向分力。為了避免管片出現(xiàn)開(kāi)裂等情況，研究認(rèn)為施工過(guò)程中可以通過(guò)采取糾偏施工、管片拼裝控制、同步注漿、盾構(gòu)機(jī)推力控制、管片質(zhì)量控制等方法進(jìn)行控制調(diào)整。

[1]吳 坤，欒文偉.盾構(gòu)法施工中隧道管片開(kāi)裂原因分析及應(yīng)對(duì)措施[J].市政技術(shù)，2011(2)：93-95.

[2]徐 軍.盾構(gòu)管片開(kāi)裂原因分析及應(yīng)對(duì)措施[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009(13)：184-186.

[3]竺維彬，鞠世健.盾構(gòu)隧道管片開(kāi)裂的原因及相應(yīng)對(duì)策[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003(1)：21-25.

[4]農(nóng)興中.盾構(gòu)隧道開(kāi)裂管片計(jì)算分析與加固設(shè)計(jì)[J].城市軌道交通研究，2011(4)：29-33.

Shield Tube-sheet Cracking Analysis and Treatment of Marine Saturated Soft Soil Layer

LI Guo-dong

(China Railway First Group Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi，710054)

Tube sheet is the important assembly component for tunnel construction by shield method，af-fecting the safety of tunnel construction and subsequent operation.Taking the tunnel tube sheet in Centu-ry Avenue-Haiyan North Road range of Ningbo Rail Transit Line 1 as the object，this article analyzed the tube sheet cracking phenomena and laws during shield tunnel construction in marine high-flow saturated soft soil layer，revealed some reasons of tube sheet cracking in combination with numerical analysis，and proposed the appropriate measures to control the tube sheet cracking，which can provide the ref-erence for the shield tunneling and tube sheet cracking treatment under similar stratum conditions.

Marine saturated soft soil；Shield tunnel；Tube sheet cracking；Control measures

李國(guó)棟(1986—)，男，助理工程師，主要從事地鐵土建施工工作。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.010

1673-4874(2015)01-0043-04

2014-12-05