地鐵盾構(gòu)施工穿越拔樁區(qū)域管片開裂原因分析及預(yù)防措施

曾星星

(中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300000)

盾構(gòu)管片開裂，在施工中經(jīng)常遇到，其開裂原因及控制措施一直是工程關(guān)注的重點，關(guān)于盾構(gòu)管片開裂及防治和處理的成果有很多。楊雨冰等[1]采用基于斷裂力學(xué)的有限元方法，從單塊管片、2塊管片(含接頭)、整環(huán)襯砌結(jié)構(gòu)3個層次探討盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的破損機制；許鳴蟬等[2]采用數(shù)值軟件對管片內(nèi)力分布進行分析，并與理論解進行了對比;對管片出現(xiàn)裂縫之后的處理方法及預(yù)防管片開裂的措施進行了探討；盧岱岳等[3]對管片裂損病害的形態(tài)特征、分布規(guī)律以及危害程度進行統(tǒng)計分析，指出縱向前裂紋是威脅隧道結(jié)構(gòu)承載力及耐久性的最主要病害形式；秦建設(shè)等[4]研究了盾構(gòu)機姿態(tài)與襯砌走向不協(xié)調(diào)導(dǎo)致管片錯臺及混凝土開裂問題；王彪等[5-6]總結(jié)施工案例，認為盾構(gòu)掘進時要嚴格控制盾構(gòu)機的姿態(tài)，應(yīng)緩慢掘進并控制每環(huán)的糾偏量，以防管片因受力不均勻而出現(xiàn)開裂；殷波等[7]對天津地鐵2號線兩個盾構(gòu)區(qū)間管片破裂原因進行分析，提供了管片修補的具體辦法；李軍等[8]對盾構(gòu)管片施工過程中出現(xiàn)裂損的成因以及裂損后管片結(jié)構(gòu)的安全性進行具體分析，認為采取洞內(nèi)外注漿加固處理和管片結(jié)構(gòu)局部修復(fù)對管片破裂應(yīng)急處理是安全有效的；董新平[9]利用自己提出的接頭和管片破壞指數(shù)對盾構(gòu)襯砌環(huán)的破壞機理進行了研究；竺維彬等[10]認為造成管片開裂的原因很多又很復(fù)雜，預(yù)防管片開裂既要講究綜合治理，又要講究有針對性，從源頭抓起；譚忠盛等[11]采用數(shù)值模擬方法研究管片裂損的規(guī)律及其主要因素，提出了有效控制管片裂損的主要方法。

上述成果對管片開裂機理、控制措施、修復(fù)辦法等都有一定的介紹，但是考慮到盾構(gòu)施工地質(zhì)情況的復(fù)雜性，處理方法很難做到通用。本文結(jié)合福州地鐵盾構(gòu)隧道下穿拔樁區(qū)域管片開裂處理經(jīng)驗，詳細分析了在該種地質(zhì)條件下管片開裂原因及應(yīng)該采取的措施。

1 工程概況

1.1 工程背景

城錦路站—福州南站區(qū)間線路在DK38+800處采用盾構(gòu)法下穿既有杭深鐵路，樁號DK39+130～DK39+800。城錦路站—福州南站區(qū)間左DK39+100.000～左DK39+532.620(右DK39+124.012～右DK39+534.392)段礦山法區(qū)間結(jié)構(gòu)設(shè)計，左線長度404.555m(短鏈28.065m)，右線長度410.380m。該段用作城福區(qū)間盾構(gòu)接收，406m后由盾構(gòu)反向相接。

區(qū)間線路在甬江站出來104環(huán)位置遇一廢棄熱電廠的遺留樁基，經(jīng)調(diào)查區(qū)間共計穿越123根樁基，主要集中104～160環(huán)位置，盾構(gòu)掘進需在樁基拔出后在行推進。

1.2 盾構(gòu)隧道設(shè)計概況

盾構(gòu)設(shè)計采用內(nèi)徑5.5m、外徑6.2m的管片，管片環(huán)寬1.2m，混凝土強度等級為C50，抗?jié)B等級為P10(見表1)。

表1 管片設(shè)計情況

1.3 工程地質(zhì)

盾構(gòu)區(qū)間所處地層地質(zhì)條件主要為砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等，地下水以圍巖孔隙潛水和局部孔隙承壓水為主。

1.4 水文地質(zhì)

根據(jù)地下水的含水介質(zhì)、賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，勘探揭露范圍內(nèi)場地地下水類型主要是第四紀松散巖類孔隙潛水和孔隙承壓水。

2 管片開裂及原因分析

2.1 管片開裂情況

區(qū)間隧道處于軟土地層，其中重點在于130～160環(huán)位置主要處于拔樁密集區(qū)，正好處于區(qū)間R=350m小半徑曲線上，拔樁區(qū)域回填的是M5強度砂漿，拔樁造成土體擾動過大，且處于軟土地層當(dāng)中，與砂漿混合造成軟硬不均，盾構(gòu)姿態(tài)控制難度較大。

從現(xiàn)場管片開裂情況來看，管片開裂地面位置主要集中在盾構(gòu)機穿越拔樁區(qū)域，開裂位置主要集中在管片頂部和底部方位的內(nèi)弧面的凹槽部分，主要是封頂塊(F)和連接塊(L1和L2)。初步判斷開裂主要由管片凹凸槽受力不均勻所致。管片開裂情況和位置見圖1、圖2。

圖1 管片開裂示意圖

圖2 管片開裂平面位置示意圖

2.2 管片開裂原因分析

a.盾構(gòu)在曲線段施工時，由于兩側(cè)的千斤頂推進推力差過大，導(dǎo)致管片和盾尾接觸局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，進而壓裂管片。

b.盾構(gòu)區(qū)間在掘進至曲線施工時，為保證盾構(gòu)姿態(tài)，往往需要反復(fù)糾偏，導(dǎo)致盾構(gòu)與管片之間軸線偏差過大，造成盾尾和管片之間產(chǎn)生一定的夾角，使得管片單側(cè)受力過大，產(chǎn)生開裂。

c.管片拼裝時，由于螺栓錨固力不足，相鄰管片之間發(fā)生錯位并且無法復(fù)原，造成管片錯臺明顯，修復(fù)難度極大。局部錯臺位置受盾尾擠壓，出現(xiàn)開裂。

d.盾尾脫空后，同步注漿未及時跟進或者注漿量不足，導(dǎo)致盾構(gòu)與土體之間的孔隙沒有得到有效填充，管片在自重的作用下，出現(xiàn)下沉錯臺。

e.在管片拼裝之前，盾尾內(nèi)的泥沙沒有清理干凈，拼裝時落底塊拼裝不到位，推進時泥沙對管片形成集中反力，造成管片開裂。

f.封頂塊拼裝環(huán)面不平整，鄰接塊開口度不滿足封頂塊插入的要求，靠外力擠入，導(dǎo)致接觸面發(fā)生破裂。

g.盾構(gòu)同步注漿時，由于管路堵塞導(dǎo)致的注漿不對稱，致使管片位移形成管片開裂。

綜合上述情況，區(qū)間開裂主要原因是地層受拔樁影響擾動過大，且又處于R=350m小半徑曲線上，盾構(gòu)機在該地段掘進施工時，姿態(tài)糾偏難度增大，管片出盾尾后造成下沉，后期強制糾偏，導(dǎo)致在施工該區(qū)域時管片開裂嚴重。

3 管片開裂預(yù)防措施

a.盾構(gòu)在曲線掘進時，盡量調(diào)小每次轉(zhuǎn)彎量，當(dāng)管片超前量不滿足要求時，使用傳力襯墊貼片增大管片楔形量，以確保超前路滿足設(shè)計要求，使管片的環(huán)面與盾構(gòu)設(shè)計軸線保持垂直。如果遇到管片超前量超出設(shè)計要求時，及時在適當(dāng)位置使用曲線環(huán)調(diào)整超前量，同樣按設(shè)計要求保證管片的環(huán)面與盾構(gòu)設(shè)計軸線垂直。

b.使用厚度可調(diào)的傳力襯墊，增加管片之間的緩沖，避免硬性接觸。

c.施工過程中保證曲線段糾偏的頻率，做到小糾偏、勤糾偏，以免因一次糾偏量過大造成盾構(gòu)和管片之間軸線夾角過大。現(xiàn)場技術(shù)員在關(guān)注上下左右盾尾間隙的同時應(yīng)關(guān)注下拱部的盾尾間隙，及時根據(jù)盾尾間隙來調(diào)整掘進參數(shù)，且盾構(gòu)機在糾偏過程中盡量減少推力差。

d.提高拼裝手的質(zhì)量意識，對拼裝手進行一定的操作技能培訓(xùn)和強化，保證拼裝后的管片圓順度和軸線偏位符合要求，避免管片因拼裝失誤而出現(xiàn)橫/豎鴨蛋形狀。

e.盾構(gòu)機同步注漿管路及時清理疏通，注漿時盡量對稱施工，同時保證注漿進程與盾構(gòu)推力匹配，注漿壓力和注漿量控制在合理范圍內(nèi)。

f.控制好管片螺栓復(fù)緊質(zhì)量，在管片拼裝完成后進行一次復(fù)緊，在盾構(gòu)掘進過程中進行二次復(fù)緊，掘進完成后進行第三次復(fù)緊工作，形成三次螺栓復(fù)緊制度。

4 開裂控制效果

在后期盾構(gòu)穿越拔樁區(qū)域時及時調(diào)整掘進參數(shù)[12]，在通過該區(qū)域時推力控制在1000～1200tf之間，盾構(gòu)機姿態(tài)偏差控制在±20mm內(nèi)，若偏差過大及時進行調(diào)整，同步注漿量控制在180%～200%范圍。通過預(yù)防措施實施后，施工下行線時，管片開裂問題情況得到控制。

5 結(jié) 語

管片開裂是很多盾構(gòu)工程施工的通病，處理耗費巨大的人力物力財力。本文結(jié)合盾構(gòu)穿越拔樁區(qū)域管片開裂及處理施工案例，詳細總結(jié)了該地層條件下管片開裂原因及預(yù)防措施，得出結(jié)論：管片開裂大部分都是剪切破壞，破壞外力主要是來自于盾構(gòu)推進過程中由于受力不均勻而產(chǎn)生的水平推力；水平推力大多數(shù)是由于在施工過程中管片錯臺、上浮、盾構(gòu)機與管片姿態(tài)不嚙合、同步注漿不到位等原因引起的；盾構(gòu)管片本身質(zhì)量及拼裝施工誤差等也會引起管片開裂，在施工過程中不可忽略。為有效預(yù)防盾構(gòu)管片開裂，建議在盾構(gòu)施工過程中盾構(gòu)機選擇、施工參數(shù)優(yōu)化及資源配置等要綜合考慮地質(zhì)條件、線路線型設(shè)計特點、工程周邊環(huán)境等因素。