高海拔雙護(hù)盾TBM公路隧道管片破損模式及原因分析

殷金穩(wěn)

(珠海城市建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東珠海 519002)

隨著“一帶一路”、西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，隧道工程建設(shè)逐漸向西部深埋山嶺地區(qū)發(fā)展。西部山嶺隧道具有地質(zhì)條件復(fù)雜、施工條件環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，因此具有機(jī)械化程度高、施工速度快優(yōu)勢的雙護(hù)盾TBM施工技術(shù)在深埋隧道修建過程中越來越多地被應(yīng)用[1-3]，其工法也將是未來深埋山嶺隧道修建的主流工法之一。

雙護(hù)盾TBM工法中管片結(jié)構(gòu)作為隧道的永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，其安全與否直接關(guān)系到隧道結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命。然而，由于圍巖作用、施工技術(shù)水平等原因，雙護(hù)盾TBM施工過程中管片結(jié)構(gòu)破損、開裂等情況日益增多，嚴(yán)重危害了隧道結(jié)構(gòu)安全性[4]。

針對雙護(hù)盾TBM管片結(jié)構(gòu)開裂、破損問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了深入地研究，取得了豐富的研究成果。宋書顯[5]總結(jié)分析了現(xiàn)場管片設(shè)計、施工及養(yǎng)護(hù)等過程中造成管片產(chǎn)生裂縫的原因；葉飛[6]分析了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中管片產(chǎn)生裂縫的情況；張廣鵬[7]分析了盾構(gòu)掘進(jìn)中管片錯臺的原因，并提出了相應(yīng)的控制錯臺的措施。竺維彬和鞠世健[8]總結(jié)了盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)開裂、破損情況，分析了相關(guān)致裂因素。T.Asakura和Y.Kojima[9]對日本鐵路隧道結(jié)構(gòu)變形治理問題進(jìn)行了研究，并對日本鐵路隧道變形治理對策進(jìn)行了介紹。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對管片結(jié)構(gòu)開裂、破損問題的研究主要集中在盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的開裂、破損模式；致裂原因分析和處置措施等。盾構(gòu)管片開裂主要原因?yàn)橛赏七M(jìn)油缸產(chǎn)生的不均勻的推進(jìn)力作用于管片結(jié)構(gòu)，使管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中造成。然而，雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)反力主要由兩側(cè)撐靴提供，輔助油缸推力較小，與盾構(gòu)掘進(jìn)差異較大，但對雙護(hù)盾TBM管片結(jié)構(gòu)開裂、破損階段及破損模式的分析較少。

鑒于此，本文以某高原雙護(hù)盾TBM公路隧道為工程依托，對現(xiàn)場管片結(jié)構(gòu)破損、開裂階段、破損形式進(jìn)行統(tǒng)計分析，總結(jié)歸納出雙護(hù)盾TBM管片結(jié)構(gòu)開裂模式，并分析管片結(jié)構(gòu)開裂原因，并提出相應(yīng)的處置措施。研究結(jié)論以期為雙護(hù)盾TBM隧道設(shè)計提供參考，為相關(guān)工程施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

某雙護(hù)盾TBM公路隧道位于青藏高原地區(qū)，隧道全長4.12km，最大埋深800m以上，平均埋深400m。隧道采用一臺雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)機(jī)單向施工，開挖半徑9.13m，隧道采用預(yù)制鋼筋混凝土管片作為其支護(hù)結(jié)構(gòu)，管片采用“6+1”分塊模式進(jìn)行錯縫拼裝。管片結(jié)構(gòu)示意見圖1。管片結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

(a)管片尺寸

(b)拼裝方式

2 開裂管片現(xiàn)場統(tǒng)計分析

2.1 管片結(jié)構(gòu)開裂階段分析

通過對現(xiàn)場已發(fā)生破壞的78環(huán)管片統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：50環(huán)管片在推出護(hù)盾后發(fā)生破壞，約占總破壞管片環(huán)數(shù)的64.1 %；28環(huán)管片在拼裝過程及推出盾尾階段發(fā)生破壞，約占總破壞環(huán)數(shù)的35.9 %。相比于盾構(gòu)法管片結(jié)構(gòu)開裂多數(shù)發(fā)生在推出盾尾階段不同，雙護(hù)盾TBM管片結(jié)構(gòu)開裂主要發(fā)生在推出盾尾后，圍巖作用階段。分析認(rèn)為造成兩者差異的主要原因?yàn)殡p護(hù)盾TBM與盾構(gòu)掘進(jìn)原理不同，雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)反力主要由兩側(cè)撐靴提供，作用于管片的后護(hù)盾輔助油缸主要克服由后配套產(chǎn)生的摩阻力，因此作用于管片結(jié)構(gòu)的反力值較小，通常在此階段不會引起管片結(jié)構(gòu)開裂情況的發(fā)生。但當(dāng)管片結(jié)構(gòu)脫出盾尾，受到深埋圍巖作用時，由于深埋巖體地應(yīng)力較高，易使管片結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)劣化，引發(fā)管片結(jié)構(gòu)開裂、破損等現(xiàn)象。

表1 管片結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 管片結(jié)構(gòu)損壞類型分析

通過對開裂管片類型統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，雙護(hù)盾TBM管片結(jié)構(gòu)損壞主要有4種形式：管片裂縫、管片錯臺、管片滲水、管片螺栓缺失。其中，管片裂縫和管片錯臺為主要的損壞形式，四種管片損壞形式見圖2。

(a)管片裂縫

(b)管片錯臺

(c)螺栓缺失

(d)管片滲水

通過分析四種破損類型可知，螺栓缺失主要是由于管片結(jié)構(gòu)錯臺造成管片塊相鄰螺栓孔之間位置偏差造成螺栓無法對接連接；管片結(jié)構(gòu)滲水主要是由于管片結(jié)構(gòu)裂縫形成滲水通路及管片錯臺引起管片塊間防水墊無法發(fā)揮作用。因此，管片結(jié)構(gòu)開裂及錯臺是主要的破損形式，下文主要對這兩種破損形式進(jìn)行分析。

2.3 管片裂縫情況統(tǒng)計分析

通過對70環(huán)開裂管片統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，從單環(huán)來看，管片裂縫主要產(chǎn)生位置為隧道斷面的拱部區(qū)域，占總數(shù)的46 %；其次，在隧道斷面左、右邊墻處產(chǎn)生管片裂縫，占總數(shù)的32 %；有22 %的管片在仰拱位置產(chǎn)生裂縫。不同位置管片裂縫分布見圖3。

圖3 不同位置管片裂縫分布

對于管片裂縫特征的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：管片裂縫按發(fā)生原因分類，可以分成受壓裂縫和受拉裂縫。其中，受拉裂縫多產(chǎn)生在拱部位置；受壓裂縫多發(fā)生于邊墻位置。環(huán)、縱向管片螺栓孔位置由于應(yīng)力集中裂縫發(fā)展較為劇烈。按管片裂縫發(fā)展形勢，可以分為沿隧道軸向發(fā)展的縱向裂縫和沿隧道環(huán)向發(fā)展的環(huán)向裂縫。其中，縱向裂縫、環(huán)向裂縫均在拱部位置發(fā)展劇烈，逐步向邊墻位置發(fā)展并逐步衰減，拱腳及以下位置基本觀察不到裂縫的產(chǎn)生。管片裂縫分布和形態(tài)見圖4。

(a)螺栓孔附近裂縫

管片裂縫量值統(tǒng)計分析得出：發(fā)生損壞的管片基本都產(chǎn)生肉眼可見裂縫，其中，縱向裂縫長度、寬度和數(shù)量上普遍大于環(huán)向裂縫。部分縱向裂縫發(fā)展嚴(yán)重的管片環(huán)縱向裂縫縱向長度為1.8m貫通裂縫，裂縫寬度最大已達(dá)3mm；從單環(huán)來看，裂縫長度大于1.5m的裂縫數(shù)目占裂縫總數(shù)的52 %，裂縫長度小于1m的裂縫數(shù)目占裂縫總數(shù)的22 %；裂縫寬度大于2mm的裂縫數(shù)目占裂縫總數(shù)的52 %，裂縫寬度小于1mm的裂縫數(shù)目占裂縫總數(shù)的35 %。管片裂縫長度和寬度統(tǒng)計見圖5。

(a)管片裂縫長度統(tǒng)計

(b)管片裂縫寬度統(tǒng)計

2.4 管片錯臺情況調(diào)研

除了管片裂縫的損壞形式，管片環(huán)、縱向錯臺的發(fā)展也較為嚴(yán)重，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研統(tǒng)計，720環(huán)至785環(huán)，大部分管片都會出現(xiàn)縱向錯臺、環(huán)向錯臺情況。管片環(huán)、縱向管片錯臺主要出現(xiàn)在拱部區(qū)域范圍內(nèi)，邊墻以下位置無明顯錯臺損壞形式的發(fā)生。管片錯臺現(xiàn)場見圖6。

通過對現(xiàn)場所有發(fā)生錯臺的管片環(huán)進(jìn)行量值統(tǒng)計，分析得出：縱向錯臺量一般大于環(huán)向錯臺量，最大縱向錯臺量為8cm。其中，發(fā)生3～5cm的縱向錯臺量的管片環(huán)占發(fā)生錯臺管片環(huán)總數(shù)的43 %，縱向錯臺量大于5cm的管片環(huán)占發(fā)生錯臺管片環(huán)總數(shù)的32 %；大于4cm的環(huán)向錯臺量的管片環(huán)占發(fā)生錯臺管片環(huán)總數(shù)的17 %，環(huán)向錯臺量為2～4cm的管片環(huán)占發(fā)生錯臺管片環(huán)總數(shù)的67 %。管片環(huán)向、縱向錯臺量統(tǒng)計見圖7。

(a)縱向錯臺

(b)環(huán)向錯臺

(a)縱向錯臺量分布

(b)管片環(huán)向錯臺量分布

3 管片結(jié)構(gòu)損壞原因分析

通過上文已拼裝管片的損壞情況的調(diào)研統(tǒng)計分析情況，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際的地質(zhì)、施工情況，認(rèn)為引起管片損壞的原因有以下四點(diǎn)。

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

隧道地處大埋深地層，構(gòu)造應(yīng)力較強(qiáng)，地應(yīng)力水平較高。當(dāng)隧道遇到斷層破碎帶等不良地質(zhì)，易引發(fā)圍巖大變形，造成形變壓力過大、荷載分布不均勻，導(dǎo)致管片結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)劣化，造成隧道拱頂區(qū)域受到突然的應(yīng)力集中嚴(yán)重，從而造成隧道管片結(jié)構(gòu)損壞[10-11]。

3.2 管片拼裝質(zhì)量

管片是高精度的預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件，在拼裝上有很高的要求。拼裝過程中，若管片環(huán)面不平整以及拼裝順序不合理，極易使管片產(chǎn)生拼裝初始錯臺、管片邊角拼裝破損的發(fā)生。這些拼裝缺陷通常會導(dǎo)致管片結(jié)構(gòu)受力不均、應(yīng)力集中情況發(fā)生，加之圍巖作用，最終引發(fā)管片開裂、破損。

3.3 管片質(zhì)量不合格

在高海拔地區(qū)，環(huán)境溫度低、施工效率下降，管片結(jié)構(gòu)質(zhì)量無法得到保證。且管片施工時內(nèi)部會產(chǎn)生大量的水化熱，在養(yǎng)護(hù)前管片內(nèi)外溫差大，管片產(chǎn)生溫度應(yīng)力，易導(dǎo)致管片表面抗拉強(qiáng)度達(dá)到極限使得其表面出現(xiàn)大面積的龜裂[7]，造成管片結(jié)構(gòu)初始損傷。這些初始損傷在管片拼裝完成后，易形成管片結(jié)構(gòu)開裂誘發(fā)位置，經(jīng)圍巖壓力作用，裂縫發(fā)展，最終形成管片結(jié)構(gòu)貫通裂縫。

3.4 TBM推進(jìn)過程

油缸千斤頂作用也是造成管片損壞的主要因素之一，其中推進(jìn)過程中總推力過大、油缸千斤頂偏移等因素是致使管片在施工過程開裂的主要原因。推進(jìn)過程中TBM姿態(tài)控制不當(dāng)，造成油缸行程差過大、千斤頂與水平方向產(chǎn)生一定傾角，從而造成管片環(huán)受力不均，發(fā)生管片損壞[12-13]。但通過對雙護(hù)盾TBM管片結(jié)構(gòu)破損統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，TBM推進(jìn)過程造成的管片結(jié)構(gòu)破損、開裂不是主要原因。

4 開裂管片預(yù)防處置措施

針對可能引起造成管片結(jié)構(gòu)損壞的原因，分別給出預(yù)防處置措施：

(1)加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報工作。對掘進(jìn)機(jī)前方的圍巖情況充分掌握，對可能會遇到的如斷層破碎帶、軟弱圍巖、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)，采取相應(yīng)的工程控制措施，如軟弱圍巖掌子面前方鉆孔注漿加固圍巖、高地應(yīng)力圍巖鉆孔注水以釋放圍巖應(yīng)變能等措施，力求隧道施工掘進(jìn)過程中圍巖地質(zhì)情況不會發(fā)生較大的改變[12]。

(2)加強(qiáng)雙護(hù)盾TBM施工質(zhì)量控制。加強(qiáng)管片施工管理，對管片生產(chǎn)過程中的風(fēng)險因素進(jìn)行預(yù)測評估，避免管片在生產(chǎn)過程中的不必要損壞。管片拼裝階段，提高管片拼裝的施工技術(shù)水平，力求使管片拼裝點(diǎn)位合理、管片拼裝時機(jī)正確，避免過大的拼裝誤差[14-15]。雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)要做到勤測量，勤糾偏，管片糾偏不宜過快過猛，防止管片受力不均而引起管片損壞[16]。

(4)針對開裂管片，選擇合理的加固措施。由于已拼裝管片拆卸不便，可對開裂情況不嚴(yán)重的管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。目前，補(bǔ)強(qiáng)措施主要有型鋼整環(huán)加固、鋼環(huán)加固和錨桿局部加固三種措施。應(yīng)根據(jù)具體的管片結(jié)構(gòu)破損情況，進(jìn)行加固措施的選擇及設(shè)計，也可采用上述2種以上的加固方式組成復(fù)合加固措施。

5 結(jié)論

本文以某高原地區(qū)雙護(hù)盾TBM公路隧道為工程依托，采用現(xiàn)場統(tǒng)計分析方法，對開裂管片破壞類型、破損模式進(jìn)行分析。研究主要得到三點(diǎn)結(jié)論:

(1)雙護(hù)盾TBM管片損壞主要發(fā)生在拼裝管片推出盾尾階段。管片破損類型主要有管片裂縫、管片錯臺、管片滲水、螺栓孔不到位無法上緊固螺柱四種損壞類型，其中管片裂縫和管片錯臺為主要的破損形式。

(2)管片裂縫主要有環(huán)向、縱向裂縫兩種形式，管片裂縫主要發(fā)生位置在拱部區(qū)域，逐步向邊墻位置擴(kuò)散并衰減；縱向裂縫長度和寬度普遍大于環(huán)向裂縫，縱向裂縫基本上均能形成管片環(huán)寬度的貫通裂縫；管片錯臺分為環(huán)向、縱向錯臺，主要發(fā)生位置和裂縫位置基本一致，縱向錯臺量普遍大于環(huán)形錯臺量，最大縱向錯臺量達(dá)8cm。

(3)引起雙護(hù)盾TBM管片損壞的主要原因?yàn)椋旱刭|(zhì)條件突然改變，造成管片結(jié)構(gòu)受力惡化；管片制作、拼裝質(zhì)量較差，使管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生初始破壞及損傷，經(jīng)圍巖壓力作用后，最終發(fā)展為管片結(jié)構(gòu)整體破損；雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中，盾體與管片結(jié)構(gòu)位置偏差過大，導(dǎo)致拼裝環(huán)管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中，管片結(jié)構(gòu)破損。

(4)相應(yīng)的管片結(jié)構(gòu)破損預(yù)防處置措施為：加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報工作，力求隧道施工掘進(jìn)過程中圍巖地質(zhì)情況不會發(fā)生較大的改變；加強(qiáng)管片施工管理，避免管片結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)、拼裝過程中的不必要損壞；加強(qiáng)雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)控制，防止由于管片受力不均而引起的管片損壞；針對已破損管片具體情況，選取相應(yīng)的管片結(jié)構(gòu)加固措施，提高管片結(jié)構(gòu)承載能力，保證管片結(jié)構(gòu)整體安全性。