城市地鐵區(qū)間隧道管片裂縫形成原因及其處理研究

沈俊 晏莉

【摘? 要】隨著城市不斷發(fā)展，地鐵已成為城市交通的重要組成部分。各大城市已建成的地鐵工程表明，地鐵區(qū)間隧道的管片裂縫是目前地鐵工程中的常見病害，盾構(gòu)中管片裂縫容易導(dǎo)致地下水滲漏，甚至為地鐵的安全運(yùn)營和設(shè)備正常使用造成重大安全隱患。本文通過對于管片裂縫進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)的參考查閱，對城市地鐵區(qū)間隧道管片裂縫形成原因及處理措施進(jìn)行總結(jié)與歸納。針對管片的不同時期，分為生產(chǎn)階段和使用階段產(chǎn)生裂縫原因分析，再結(jié)合相關(guān)管片裂縫案例，給出了預(yù)防與補(bǔ)救措施。在盾構(gòu)隧道施工如何預(yù)防和處理裂縫方面，以及最小程度的規(guī)避它的危害提供參考經(jīng)驗(yàn)，對盾構(gòu)隧道病害的減少具有重大意義，并對現(xiàn)今管片裂縫研究空白處進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】管片裂縫;裂縫形成原因;裂縫預(yù)防;裂縫處理

引言

近年來城市盾構(gòu)隧道的蓬勃發(fā)展，盾構(gòu)隧道病害問題日益嚴(yán)重。經(jīng)研究結(jié)果表明，管片裂縫變形是盾構(gòu)隧道病害的根源，其可能引發(fā)盾構(gòu)斷面橢圓變形、管片的壓潰與錯臺以及盾構(gòu)隧道的滲漏水問題等。而引起管片裂縫的原因并不是單一因素[4-9]，所以對于管片裂縫進(jìn)行相關(guān)研究十分重要。

國內(nèi)外針對管片裂縫做了許多相關(guān)研究：韓士釗[10]針對盾構(gòu)掘進(jìn)過程中管片開裂類型及其原因進(jìn)行了探討，依托工程實(shí)例對開裂具體原因和應(yīng)對措施進(jìn)行了詳細(xì)闡述;葉耀東通過理論分析研究了上海某地鐵管片錯臺、裂縫等病害的原因，并提出了相應(yīng)的工程措施;張則忠將管片錯臺時間分為管片安裝前、施工過程中、施工完成后三類，并分析了各類錯臺產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施;張建剛[13]盾構(gòu)隧道在千斤頂推進(jìn)時引發(fā)的管片裂縫現(xiàn)象，通過管片組合體加載模型對管片應(yīng)力分布和傳遞方式進(jìn)行了研究，得出了裂縫的開展主要原因，并給出了相應(yīng)工程措施。隨著盾構(gòu)隧道的增多，對于管片裂縫的研究內(nèi)容也與日俱增，但是鮮有人對于眾多研究案例案發(fā)進(jìn)行及時更新總結(jié)和歸納。

本文對于近年來管片裂縫案例研究進(jìn)行文獻(xiàn)的相關(guān)調(diào)研，對其形成原因和裂縫補(bǔ)救措施進(jìn)行總結(jié)和歸納，在盾構(gòu)隧道施工如何預(yù)防和處理裂縫方面，以及最小程度的規(guī)避它的危害提供參考經(jīng)驗(yàn)，對盾構(gòu)隧道病害的減少具有重大意義。

1.地鐵區(qū)間隧道管片裂縫類型

在盾構(gòu)隧道中，管片是盾構(gòu)的承載體，接縫與螺栓共同構(gòu)成其邊界條件。管片裂縫一般分為微觀裂縫和宏觀裂縫，微觀裂縫是管片本身具有的，在結(jié)構(gòu)中分布不連續(xù)、不規(guī)則，通常寬度小于0.05毫米，肉眼是無法看到的。而宏觀裂縫是由微觀裂縫發(fā)展而來的，通常大于0.05毫米，如圖1所示。盾構(gòu)推進(jìn)的過程中，由于盾構(gòu)推進(jìn)是個動態(tài)過程，管片的受力不均勻且不斷變化，當(dāng)管片受力不均勻程度超過一定的限度時，管片就會產(chǎn)生裂縫或碎裂。而宏觀裂縫又分為非貫穿裂縫、拼接面裂縫和貫穿裂縫。非貫穿裂縫深度較淺，一般裂縫寬度不超過0.1毫米，修補(bǔ)后不會對管片的使用造成影響。拼接面裂縫是存在于管片拼裝面的非貫穿裂縫。貫穿裂縫是切斷管片結(jié)構(gòu)的大裂縫，有貫穿裂縫的管片在隧道使用中會影響地鐵隧道的使用壽命，甚至造成安全事故。

2.地鐵區(qū)間隧道管片裂縫形成原因

2.1生產(chǎn)過程中管片產(chǎn)生的裂縫

（1）原材料方面

混凝土原材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)是導(dǎo)致管片裂縫出現(xiàn)的原因之一。影響混凝土原材料質(zhì)量的原因主要有：一是砂礫粒徑.砂礫粒徑過小，就必須在施工過程中摻入更多的水和水泥，從而導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)腐蝕，久而久之導(dǎo)致混泥土出現(xiàn)裂縫;二是水泥比例，現(xiàn)在很多地鐵工程由干混凝土使用量大，大都使用商品混凝土.而如果商品混凝土;中的水泥含量過多.就會導(dǎo)致混凝士硬化收縮變形，當(dāng)超過混凝土的抗拉極限進(jìn)而導(dǎo)致管片上混凝土裂縫的出現(xiàn)

（2）管片養(yǎng)護(hù)不當(dāng)

盾構(gòu)施工項(xiàng)目中難免會在現(xiàn)場進(jìn)行管片的存放的情況，這時如果管片的養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，也會導(dǎo)致管片裂縫的出現(xiàn)。相關(guān)文獻(xiàn)據(jù)調(diào)查，管片裂縫區(qū)段都是在冬季，且隧道已全部貫通的情況下施作二次襯砌的。在二次襯砌施工過程中沒有采取有效的低溫混凝土養(yǎng)護(hù)措施，從而養(yǎng)護(hù)時溫差太大導(dǎo)致裂縫。

（3）泵送混凝土灌筑工藝不規(guī)范

管片表面的“起砂”現(xiàn)象說明混凝土在灌筑過程中存在泌水和離析現(xiàn)象。還有管片澆搗不密實(shí)，會產(chǎn)生毛細(xì)孔隙或蜂窩狀孔洞，在一點(diǎn)外力下發(fā)展為裂縫以及塌落度把控不嚴(yán)格導(dǎo)致混泥土中游離水蒸發(fā)后引起的體積收縮導(dǎo)致的裂縫。

2.2盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中管片產(chǎn)生的裂縫

（1）地基因素

地基方面的原因生要是盾構(gòu)施工中地基出現(xiàn)不均勻的沉降或水平位移等變形而導(dǎo)致。地基產(chǎn)生變化，混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力增大，一旦超過混凝土的抗拉極限，就會導(dǎo)致混凝土裂縫的出現(xiàn)。而導(dǎo)致地基變形的原因是多方面的，主要可分為外界因素和認(rèn)為因素所導(dǎo)致.外界因素主要是指外界環(huán)境的變化.例如施工過程中地段與地段的地質(zhì)條件不同、土質(zhì)壓縮性過快來不及過渡、結(jié)構(gòu)荷載差異大、對混凝土強(qiáng)度要求驟然增大等;人為因素主要是指由于人為方面的因素導(dǎo)致的，例如，地質(zhì)勘查工作未做好、地質(zhì)情況分析不透徹、提供的地質(zhì)參考數(shù)據(jù)有誤、混凝土材料把關(guān)不嚴(yán)、工藝技術(shù)不精湛、施工現(xiàn)場監(jiān)理不到位、設(shè)計(jì)缺陷等。

（2）荷載因素

荷載是施工中導(dǎo)致管片出現(xiàn)裂縫的主要因素之一。這是由于混凝土的承載能力是有限的，一旦混凝土上荷載量超過其承載能力，就會導(dǎo)致混凝土裂縫的出現(xiàn)。同樣，因荷載導(dǎo)致混凝土的裂縫的原因是多方面的：一是混凝土自身質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，自身承載能力不高，難以達(dá)到地鐵施工用混凝土強(qiáng)度的需要;二是混凝土成型尚未完成、未達(dá)工程強(qiáng)度要求時，由于受到額外的壓力不堪負(fù)重而導(dǎo)致混凝土裂縫的出現(xiàn); 三是混凝土承載強(qiáng)度未達(dá)標(biāo)時受到外力的擠壓或撞擊、施工器械放置不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致混凝土變形、進(jìn)而異致管片裂縫的出現(xiàn)。

（3）環(huán)境因素

環(huán)境因素也是裂縫形成的重要因素。裂縫段特殊的工程環(huán)境（砂卵石地層，地面動載作用等）和特殊的降水方式容易引起地層松動，從而誘發(fā)較大的地層壓力;：較長時間的降水作業(yè)，特別是因降水引起的砂層流失使地層始終處于一種動態(tài)的變化過程中，從而使初期支護(hù)遲遲不能穩(wěn)定，以致二次襯砌的施作時機(jī)始終不能滿足規(guī)范要求;由于二次襯砌混凝土原因，使混凝土結(jié)構(gòu)自身存在品質(zhì)缺陷，從而在一定程度上降低了二次襯砌的承載能力;

由于區(qū)間隧道二次襯砌施工的特殊性，使得二次襯砌結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)（如拱部存在空隙等）與設(shè)計(jì)計(jì)算模式存在較大的差異。在某些特殊工程環(huán)境下，且當(dāng)混凝土管片自身又存在某些缺陷時，容易產(chǎn)生混凝土結(jié)構(gòu)的受力裂縫。

（4）施工因素

施工方面的原因主要是盾構(gòu)隧道施工方面需著重注意的因素。當(dāng)區(qū)間隧道線路曲線半徑較小時，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制難度較大，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)時長姿態(tài)不理想，糾偏時可能造成了盾尾擠壓管片的現(xiàn)象，在曲線段施工時為了控制盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)向，各區(qū)千斤頂推力不等，造成各個分塊的受力大小不勻，管片容易出現(xiàn)裂縫且管片整個環(huán)面不平整。除了施工掘進(jìn)時，管片平壯師也是控制方面重要因素，每環(huán)管片拼裝封頂塊時，因橡膠密封條錯位并凸出管片環(huán)面，造成管片環(huán)面不平整，在較大推力作用下容易引起管片沿環(huán)寬方面開裂。

3.地鐵區(qū)間隧道管片裂縫措施

3.1管片裂縫的預(yù)防

3.1.1前期管片制造過程

（1）原材料的選擇

經(jīng)過對比，同一產(chǎn)地的原材料配置的混凝土和易性會比不同一產(chǎn)地的好;在高溫天氣應(yīng)選取產(chǎn)熱量低的水泥產(chǎn)品，在添加劑使用上，對早強(qiáng)劑或塑化劑等各種添加劑，也選取產(chǎn)熱量低的，降低混凝土產(chǎn)生熱量;在低溫天氣選應(yīng)選取產(chǎn)熱量高水泥產(chǎn)品，在添加劑使用上，對早強(qiáng)劑或塑化劑等各種添加劑，應(yīng)選取產(chǎn)熱量高的，控制混凝土溫度的提高;采用細(xì)度適當(dāng)?shù)乃啵翰挥眉?xì)度極細(xì)的水泥，以減少早期水化熱。

（2）混凝土中摻入一定數(shù)量的粉煤灰

由于粉煤灰呈球狀起潤滑作用，不僅能代替部分水泥，還能改善混凝土的工作性，降低混凝土中的水泥水化熱量，減少了裂紋。加強(qiáng)振搗，保證混凝土的密實(shí)性;同時地鐵較多使用防水混凝土，也須防止因過震引起混凝土離析

（3）嚴(yán)格控制水灰比

水灰比小，混凝土的流動性小，但是粘聚性和保水性增加，使硬化后的混凝土的強(qiáng)度、耐久性提高，干縮減小。但是水灰比過小，則不能保證混凝土的密實(shí)成型，會使混凝土的強(qiáng)度和耐久性下降?？刂扑冶?，適當(dāng)?shù)臏p少水的用量，可以有效的提升抗?jié)B性，并且避免混凝土泌水干縮現(xiàn)象。

（4）坍落度的控制

坍落度大，骨料沉降速度快，阻礙水泥砂漿繼續(xù)沉降，形成外部泌水，這些多余的游離水逐漸蒸發(fā)，在混凝土中形成毛孔細(xì)道，導(dǎo)致縫隙出現(xiàn)，要根據(jù)施工季節(jié)控制坍落度在60mm 左右，保持其均勻性，可以確?；炷辆鶆虻哪?，減少裂縫產(chǎn)生的幾率，避免混凝土因含水量過大造成干縮裂縫。

（5）管片的振搗收光

振搗時應(yīng)避免搗振不均勻產(chǎn)生的質(zhì)量問題，可采取分層布料的形式，循序漸進(jìn)，一次成型。采用搗振臺按設(shè)定時間進(jìn)行搗振，切勿過振或者漏振，保證管片的均勻性。振搗完成，收水壓光后盡快用塑膜蓋覆嚴(yán)密，防止脫落及露角，以防管片外弧面混凝土過度蒸發(fā)和熱量散失。管片外弧面出現(xiàn)裂往往是最后一次收面時間結(jié)束太早，而覆蓋塑膜時間又太晚造成的，或者當(dāng)最后一次收面收得太晚，管片表層失水，外弧面硬化速度大于內(nèi)弧面時會造成龜裂現(xiàn)象。

（6）養(yǎng)護(hù)

經(jīng)過試驗(yàn)管片初期養(yǎng)護(hù)，主要是要防止溫度變化過快，所以只有盡可能的克服和減少溫差現(xiàn)象，就可杜絕或減少管片的溫差裂紋。具體做法是：在收光抹面區(qū)設(shè)置預(yù)蒸養(yǎng)區(qū)，在蒸養(yǎng)房里設(shè)定升溫、恒溫和降溫區(qū)，使管片進(jìn)過每個區(qū)域溫差不超過 10℃，升溫降溫梯度不超過 10℃每小時。 管片出蒸養(yǎng)房或者脫模時避免風(fēng)吹，冬季應(yīng)及時覆蓋防止表面溫度下降太快形成裂紋。脫模后，最好采用浸水養(yǎng)護(hù)或者涂刷養(yǎng)護(hù)劑的方式，浸水養(yǎng)護(hù)時管片與水的溫差不能超過 20℃，防止管片出現(xiàn)收縮裂紋，在水中養(yǎng)護(hù)時間一般不少于一周，養(yǎng)護(hù)水應(yīng)氫氧化鈣溶液。若采用噴淋養(yǎng)護(hù)，噴淋水流不均勻，在局部更易造成裂紋和水紋。嚴(yán)格控制混凝土養(yǎng)生質(zhì)量，澆水養(yǎng)護(hù)時間應(yīng)適當(dāng)延長，尤其注意早期養(yǎng)護(hù)，有條件的情況下，也可噴灑養(yǎng)護(hù)劑、減水劑等，可以有效地防止干縮裂縫和塑性裂縫的出現(xiàn)

3.1.2管片運(yùn)輸與存放過程

（1）嚴(yán)格按設(shè)計(jì)和現(xiàn)場揭露地質(zhì)對現(xiàn)場地基基礎(chǔ)進(jìn)行處理，控制施工放線高程，減小不均勻沉降對控制混凝土裂縫是關(guān)鍵和極其重要的。

（2）嚴(yán)格控制管片脫模強(qiáng)度，一般在 20Mpa 方可脫模，要加強(qiáng)吊運(yùn)工人的培訓(xùn)，確保管片起吊時，吊點(diǎn)在管片的重心位置，使管片在吊運(yùn)過程中有足夠的穩(wěn)定性，在管片上采用防護(hù)膠墊，防止管片碰撞造成裂紋及掉角。

3.1.3盾構(gòu)施工控制過程

（1）優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)，同時采取必要的措施，通過刀盤向土體加入泡沫劑、膨潤土等渣土改良劑，能夠有效地減少扭矩和盾構(gòu)總推力，從而減少管片受力，避免管片裂縫的產(chǎn)生。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)時，在施工允許條件下適當(dāng)降低掘進(jìn)速度，同時加強(qiáng)對于盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制。

（3）加強(qiáng)盾構(gòu)隧道管片的糾偏量，保證千斤頂與管片斷面的垂直度，減少對管片的向外彎矩。

（4）管片拼裝時，控制拼裝質(zhì)量，保證最后一塊管片（封頂塊的拼裝空間），同時在封頂塊兩側(cè)密封條及其對應(yīng)的鄰接塊密封條上涂抹潤滑劑，減少阻力，防止密封條凸出環(huán)面。

3.2管片裂縫的處理

裂縫的預(yù)防，即使采取了一系列的控制措施，但也并不能確保裂縫不出現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)裂縫時，可以用修補(bǔ)材料，對裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)材料具有凝固快、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，修補(bǔ)之后能滿足管片的強(qiáng)度要求。嚴(yán)格按設(shè)計(jì)和現(xiàn)場揭露地質(zhì)對現(xiàn)場地基基礎(chǔ)進(jìn)行處理，控制施工放線高程，減小不均勻沉降對控制混凝土裂縫是關(guān)鍵和極其重要的。

（1）涂抹法：主要是在管片表面涂抹材料，這種管片裂縫的修補(bǔ)方式適用于管片較為淺層的淺細(xì)的裂縫，這種裂縫，漿材難以被灌入，而且深度還未達(dá)到鋼筋表面的發(fā)絲裂縫尚未引起漏水。是固定的不活動不伸縮的;

（2）表面貼補(bǔ)法：對于大面積的管片裂縫甚至已經(jīng)引起漏水而不能確定漏水位置的裂縫，具有較好的修補(bǔ)效果;

（3）填充法：比較適用于用灌漿的方式很難達(dá)到理想修補(bǔ)效果的管片裂縫，以及較小規(guī)模的裂縫可采用填充處理法;

（4）結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法：主要適用由干荷載引起的裂縫，裂縫長時間得不到有效處理導(dǎo)致的管片耐久性降低等原因造成的裂縫可采用這一方法。

4.總結(jié)與展望

本文對于城市地鐵盾構(gòu)中的管片裂縫案例研究成果進(jìn)行參考和分析總結(jié)，得到主要結(jié)論如下：

（1）本文通過對于城市地鐵盾構(gòu)中管片裂縫的分類、常見成因以及現(xiàn)有的預(yù)防與補(bǔ)救措施進(jìn)行總結(jié)，但是由于目前對于管片裂縫的分類相關(guān)學(xué)者沒有一個明確固定的分類標(biāo)準(zhǔn)，所以本文采取的是從一個宏觀和微觀角度對于管片裂縫分類進(jìn)行統(tǒng)述，今后對于管片裂縫進(jìn)行詳細(xì)分類，亦或?qū)τ诠芷芽p進(jìn)行危險定級可繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)研究與探討。

（2）管片裂縫的產(chǎn)生主要分為三個階段：管片生產(chǎn)、管片運(yùn)輸、管片施工。隨著管片生產(chǎn)制作工藝的不斷發(fā)展，管片生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的裂縫概率不斷降低，但管片生產(chǎn)過程仍然是管片裂縫產(chǎn)生的重要環(huán)節(jié)。隨著盾構(gòu)隧道的發(fā)展與普及，越來越多的盾構(gòu)施工中管片裂縫的產(chǎn)生各不相同，目前施工中管片產(chǎn)生裂縫的主要原因分為：地基、荷載、環(huán)境和控制四大因素。

（3）針對管片裂縫產(chǎn)生的原因，本文提出了相應(yīng)方案，主要包括預(yù)防和補(bǔ)救措施。預(yù)防主要是對于管片生產(chǎn)與運(yùn)輸中嚴(yán)格把關(guān)，施工控制中，提升施工工藝，精準(zhǔn)控制施工精確度;而對于管片已產(chǎn)生的裂縫，采用涂抹法、表面補(bǔ)貼法、填充法和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行處理。對于今后產(chǎn)生的新型管片裂縫可繼續(xù)深入研究不同補(bǔ)救措施。

參考文獻(xiàn)

[1]劉 雄，地鐵施工中防水混凝土裂縫的成因與控制措施[J]交通建設(shè)，2016（10）

[2]何川，盾構(gòu)法修建地鐵隧道的技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].? 西南交通大學(xué)學(xué)報. 2015（01）：97-109

[3]董飛，北京地鐵運(yùn)營隧道病害狀態(tài)分析[J].土木工程學(xué)報，2017（06）：104-113