大直徑泥水盾構(gòu)隧道管片開裂防治對策及實(shí)踐

（中國中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001）

大直徑泥水盾構(gòu)施工中管片質(zhì)量大，體積大，儲存、運(yùn)輸難度及拼裝難度更大，受其自身及外部施工環(huán)境影響，管片受損和開裂現(xiàn)象也更加頻繁。管片產(chǎn)生裂紋常伴隨滲漏水，不僅隧道外觀質(zhì)量、管片安裝質(zhì)量不滿足施工要求，而且對隧道運(yùn)行期的安全埋下不確定的隱患，非常有必要對管片裂紋進(jìn)行防治研究。

1 管片開裂現(xiàn)象

大直徑泥水盾構(gòu)管片開裂現(xiàn)象常見的有角部破損、縱縫環(huán)向裂紋、環(huán)縫縱向裂紋3 種，出現(xiàn)時間一般為管片安裝過程中、管片安裝完成推進(jìn)時以及下兩環(huán)掘進(jìn)施工過程中。管片裂紋情況如圖1 所示。

圖1 管片裂紋情況

2 管片開裂原因分析

管片產(chǎn)生裂紋時主要從管片自身質(zhì)量、管片安裝效果及管片受力情況等方面進(jìn)行分析。

2.1 管片自身質(zhì)量

管片自身質(zhì)量是管片開裂的一個十分重要的因素，管片各質(zhì)量指標(biāo)未達(dá)標(biāo)時，管片在使用過程中會出現(xiàn)破損、開裂等現(xiàn)象。因此管片在進(jìn)場時應(yīng)嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)，對管片各質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行測試，對管片表觀質(zhì)量進(jìn)行細(xì)查，不允許管片帶“傷”進(jìn)場。

2.2 管片安裝效果

1）不當(dāng)碰撞 管片安裝時安裝司機(jī)在管片位置調(diào)整過程中速度控制不當(dāng)會使管片間發(fā)生不當(dāng)碰撞，這種不當(dāng)操作常常是管片角部破損的主要原因。

2）管片錯臺 管片安裝時產(chǎn)生錯臺也是施工中常見的現(xiàn)象，但較大的錯臺是不允許的，較大的錯臺使兩塊管片間的受力厚度減小，并會產(chǎn)生集中應(yīng)力，是管片產(chǎn)生裂紋的最常見現(xiàn)象，錯臺致使管片開裂破損示意圖如圖2 所示。

圖2 錯臺致使管片開裂破損示意圖

3）拼裝間隙 每環(huán)管片間設(shè)計(jì)有軟木襯墊，可以在管片安裝時起到緩沖作用，但軟木襯墊的厚度選擇及軟木襯墊的壓縮回彈質(zhì)量可能會對管片間隙造成影響，一般情況下管片凹凸榫處的軟木襯墊為3mm，壓縮成2mm，其他部位的軟木襯墊為2mm，壓縮成1mm。在管片拼裝時，由于油缸的收縮，管片間會發(fā)生局部位移，出現(xiàn)管片間隙，導(dǎo)致管片環(huán)面不平整，在油缸頂回時管片可能會受力不均，導(dǎo)致管片出現(xiàn)裂紋，管片間隙導(dǎo)致裂紋示意圖如圖3 所示。

圖3 管片間隙導(dǎo)致裂縫

2.3 管片受力情況

管片受力情況除了上述安裝管片時受力外，還受到浮力、管片保護(hù)層開裂破壞和盾殼作用力等。

1）浮力 管片上浮使管片受力不均，在推進(jìn)過程中，總推力增大，使管片原有裂紋發(fā)生擴(kuò)展或產(chǎn)生新生裂紋，導(dǎo)致管片出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。

2）管片保護(hù)層開裂破壞 管片拼裝失圓橢變，通過盾尾刷時在油脂腔“整圓”壓力作用下造成橢變位置縱縫外弧面擠壓保護(hù)層范圍內(nèi)開裂；管片拼裝過程中拼裝司機(jī)誤操作，造成外弧面混凝土保護(hù)層開裂；管片外弧面保護(hù)層開裂是管片螺栓孔滲水的主要原因。

3）盾殼作用力 盾構(gòu)施工盾尾間隙小，管片與盾殼之間存在著一定摩擦力，盾尾密封刷對管片環(huán)也存在一較為均勻的環(huán)向壓力，一般情況下這些荷載不會對管片結(jié)構(gòu)造成影響。當(dāng)盾構(gòu)姿態(tài)與管片姿態(tài)不擬合時（如上部間隙小，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤抬頭掘進(jìn)造成加強(qiáng)環(huán)擠壓管片外弧面），掘進(jìn)過程中盾尾加強(qiáng)環(huán)剮蹭擠壓管片外弧面，造成外弧面混凝土保護(hù)層開裂。

3 管片開裂應(yīng)對措施

3.1 管片生產(chǎn)質(zhì)量控制

管片在預(yù)制生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制混凝土生產(chǎn)、澆筑質(zhì)量，管片養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，避免出現(xiàn)管片因脫模時間過早，在養(yǎng)護(hù)過程中出現(xiàn)溫縮裂縫；盡量避免管片在運(yùn)輸及存放過程中由于管片自重受壓導(dǎo)致管片底部端面（手孔側(cè)管片環(huán)端面在底部情況下）產(chǎn)生縱向裂紋。

3.2 防水材料控制

根據(jù)工程施工情況動態(tài)調(diào)整軟木襯墊材質(zhì)及粘貼厚度，選擇合適的材料進(jìn)行施工。在管片拼裝前，提前對管片防水材料進(jìn)行檢查，對管片上一環(huán)環(huán)面進(jìn)行檢查，及時清理雜物，必要時可以對軟木襯墊進(jìn)行潤滑，減小管片安裝時的摩擦力。

3.3 管片安裝質(zhì)量控制

管片安裝時應(yīng)嚴(yán)格按照管片安裝技術(shù)要求進(jìn)行施工，對管片錯臺、間隙及環(huán)面平整度等進(jìn)行嚴(yán)格控制。管片拼裝質(zhì)量對管片外弧面保護(hù)層的影響至關(guān)重要，管片拼裝過程不應(yīng)盲目追求拼裝速度，必須先培養(yǎng)提升拼裝司機(jī)拼裝技術(shù)，避免出現(xiàn)錯臺、喇叭口、螺栓緊固困難等問題。同時對拼裝過程嚴(yán)控把控，在拼裝每塊管片嚴(yán)禁出現(xiàn)在止水條擠壓情況下，大幅度調(diào)整管片位置，避免出現(xiàn)止水條拉伸、翻轉(zhuǎn)、脫膠等現(xiàn)象，F(xiàn) 塊拼裝前涂抹潤滑劑。而且管片拼裝必須合理選擇拼裝點(diǎn)位，保證盾尾間隙合理，不能出現(xiàn)管片橢變過大、盾尾間隙過小等現(xiàn)象。另外，每環(huán)管片拼裝前必須將盾尾積渣、積水清理干凈，防止盾尾積渣過厚，拖起管片。

3.4 管片螺栓復(fù)緊

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，受油缸荷載作用已拼裝好的管片會發(fā)生沿盾構(gòu)軸線方向的位移，該位移會使擰緊的螺栓發(fā)生松動；再隨著盾構(gòu)的持續(xù)推進(jìn)，油缸推力對后方已拼裝好的管片的荷載效應(yīng)會越來越小，此時，螺栓的松弛效應(yīng)即顯現(xiàn)出來，便會發(fā)生管片錯臺、接縫位置滲漏水等現(xiàn)象。因此，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)及時對管片螺栓進(jìn)行復(fù)緊。

3.5 掘進(jìn)參數(shù)控制

1）盾構(gòu)垂直姿態(tài)控制 現(xiàn)場可預(yù)控盾構(gòu)垂直姿態(tài)，掘進(jìn)姿態(tài)控制在負(fù)值，允許區(qū)間預(yù)留管片上浮量。

2）控制注漿壓力 根據(jù)管片裂紋出現(xiàn)的位置、數(shù)量動態(tài)調(diào)整砂漿的泵擊次數(shù)，可以對管片裂紋情況起到良好作用。

3.6 管片角部增加U形筋

由于管片角部砂漿厚度較大，為增強(qiáng)角部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可在管片角部增加U 形筋，增強(qiáng)受力。

3.7 缺陷治理

管片質(zhì)量缺陷在盾構(gòu)后配套拖車范圍內(nèi)進(jìn)行處理。首先針對開裂滲水范圍內(nèi)的管片進(jìn)行二次注漿，考慮管片二次注漿孔間距大，為提高管片背后注漿擴(kuò)散范圍，保障補(bǔ)注漿效果，漿液采用單液水泥漿，水泥采用P.O42.5 普通水泥，水灰比采用1∶1；然后采用局部注改性環(huán)氧樹脂進(jìn)行堵漏。若因工序影響、人員等問題導(dǎo)致部分缺陷拖出后配套之前未處理完成。加工制作臺車在施工行車道、煙道板牛腿植筋時共同處理。

4 工程實(shí)踐

4.1 管片設(shè)計(jì)概況

汕頭蘇埃通道工程盾構(gòu)隧道采用的管片內(nèi)徑13.3m，外徑14.5m，環(huán)寬2m，厚600mm，楔形環(huán)采用雙面通用型，楔形量48mm，采用“7+2+1”分塊模式，錯縫拼裝。

管片結(jié)構(gòu)采用C60 高性能耐腐蝕混凝土，抗?jié)B等級P12。環(huán)、縱縫用斜螺栓連接，防水設(shè)計(jì)采用兩道三元乙丙彈性密封墊+內(nèi)側(cè)嵌縫防水。

4.2 管片破損情況

盾構(gòu)始發(fā)階段出現(xiàn)了管片角部破損情況13環(huán)～25 環(huán)。管片按照防管片破損措施共分為3 個階段：一階段：13 環(huán)～20 環(huán)，環(huán)縫未加厚（1.5mm）軟木襯墊、縱縫未加1.5mm 軟木襯墊段；二階段：21 環(huán)～23 環(huán)，環(huán)縫加厚（3mm）軟木襯墊、縱縫未加1.5mm 軟木襯墊段；三階段：24 環(huán)～25 環(huán)，環(huán)縫加厚（3mm）軟木襯墊、縱縫加1.5mm軟木襯墊。

其中一階段13 環(huán)～20 環(huán)共計(jì)破損27 處，平均每環(huán)破損3.375 處；二階段21 環(huán)～23 環(huán)共計(jì)破損7 處，平均每環(huán)破損2.333 處；三階段24 環(huán)～25環(huán)未出現(xiàn)破損，平均每環(huán)破損0 處。

為研究分析管片破損的主因，13 環(huán)～25 環(huán)管片出現(xiàn)的破損，按照破損數(shù)量、破損位置、對應(yīng)油缸位置、與油缸位置關(guān)系、破損時間（破損時管片所處位置及工況）、破損大小（角部破損環(huán)縱向長度對比）等相關(guān)因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，詳見表1。

13 環(huán)～25 環(huán)共計(jì)破損34 處，其中角部破損30 處，占破損總數(shù)的88.2%；縱縫破損共計(jì)4處，占總破損數(shù)的11.8%；環(huán)縫破損共計(jì)0 處，占破損總數(shù)0%；角部破損縱向邊長基本長于環(huán)向邊長；管片處于盾構(gòu)盾尾尾刷位置時（推進(jìn)狀態(tài)、安裝下一環(huán)管片狀態(tài)）出現(xiàn)破損數(shù)量為34 處，即管片出現(xiàn)破損時，當(dāng)環(huán)管片受到了盾尾尾刷的包裹作用，在推進(jìn)作用力或是安裝下一環(huán)管片的作用力時出現(xiàn)破損。

4.3 管片破損原因分析

針對現(xiàn)場施工及管片破損情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出本段管片破損主要有以下幾點(diǎn)原因：①安裝司機(jī)對于雙道擠壓止水條防水型式的管片安裝經(jīng)驗(yàn)不足，安裝精度控制不穩(wěn)定；②管片大多數(shù)破損出現(xiàn)在角部，占比超過80%，管片角部為結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，易產(chǎn)生應(yīng)力集中；③管片出現(xiàn)破損時，基本為該環(huán)管片處于盾構(gòu)尾刷位置，且管片出現(xiàn)的角部破損縱縫長于環(huán)縫、縱縫也出現(xiàn)破損（破壞應(yīng)力產(chǎn)生于縱縫位置），環(huán)縫未出現(xiàn)破損，說明管片在盾尾油脂腔的包裹壓力作用下發(fā)生內(nèi)縮緊（管片安裝時由于止水條硬度較大、2 道擠壓止水條、壓縮比大等因素導(dǎo)致縱縫為達(dá)到設(shè)計(jì)壓縮狀態(tài)），在盾構(gòu)推進(jìn)或者安裝下一環(huán)管片的外力作用下出現(xiàn)破損；④雙道擠壓止水條硬度較大（67度，設(shè)計(jì)60～70 度），壓縮比較大（32mm 壓縮至18mm），對安裝精度要求高，擠壓止水條在管片縱縫間達(dá)到極限壓縮狀態(tài)后仍然存在繼續(xù)增大的壓縮力，達(dá)到管片破損極限后出現(xiàn)破損（破損起始位置為止水條根部）。

4.4 管片破損應(yīng)對措施

施工現(xiàn)場主要采取了以下對策，并取得了良好的效果：①加強(qiáng)對安裝司機(jī)的技術(shù)培訓(xùn)，安裝司機(jī)在安裝過程中逐步摸索雙道擠壓止水條防水型式的管片安裝經(jīng)驗(yàn)及技巧；②增加管片環(huán)面軟木襯墊厚度至3mm，同時在管片縱縫位置增加1.5mm 厚的軟木襯墊；③在設(shè)計(jì)范圍允許值內(nèi)，聯(lián)系生產(chǎn)廠家降低擠壓止水條硬度，取硬度值區(qū)間下限值；④在管片角部增加U 形加強(qiáng)筋，提高管片角部受力強(qiáng)度；⑤適當(dāng)增加螺栓復(fù)緊次數(shù)；⑥強(qiáng)調(diào)盾構(gòu)間隙的調(diào)節(jié)；⑦嚴(yán)格控制單次糾偏量，勤糾、微糾、慢糾，切忌一次性糾偏到位。

表1 管片破損統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語

施工生產(chǎn)中管片裂紋產(chǎn)生的主要原因?yàn)楣芷芰?，偶然因素是人為的拼裝不當(dāng)。解決其破損、開裂的輔助方向有加強(qiáng)管片強(qiáng)度或研制新型管片等，但目前最主要的方向還是解決管片受力不當(dāng)，如防水材料粘貼、錯臺控制、盾尾間隙控制等，同時在不同的地層中動態(tài)調(diào)整同步注漿參數(shù)，選取相適應(yīng)的注漿量和注漿壓力；另外，具體的盾構(gòu)工程要具體分析導(dǎo)致管片開裂的原因，制定具有針對性防治措施。