盾構(gòu)管片局部質(zhì)量控制及優(yōu)化研究

張瑞金

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城市軌道交通設(shè)計(jì)處，北京 102600）

1 引言

盾構(gòu)法在從軟弱土層到巖石的地下工程中有著廣泛的應(yīng)用【1】。但管片局部開裂破碎的問題也日漸顯現(xiàn)，在密實(shí)卵礫石地層中尤為突出。鑒于國(guó)內(nèi)盾構(gòu)區(qū)間大多采用單層鋼筋混凝土管片拼裝襯砌，因此，管片的質(zhì)量決定性地影響著整個(gè)區(qū)間的安全性及耐久性。

管片開裂、破損問題通常采用工后加固、修補(bǔ)等措施予以彌補(bǔ)，但治標(biāo)不治本。耐久性方面，破損修補(bǔ)和裂縫嵌縫的部位難以達(dá)到原生混凝土的密實(shí)程度。管片結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)破損，管片的應(yīng)力分布已經(jīng)改變，后補(bǔ)結(jié)構(gòu)參與受力的程度很小，導(dǎo)致管片的實(shí)際受力與設(shè)計(jì)不符，存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隱患。研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)管片配筋方式在部分受力工況下內(nèi)部出現(xiàn)拉裂情況，往往在設(shè)計(jì)、施工時(shí)被忽略而造成承載力不足的隱患。

2 工程背景

本次以北京地鐵8 號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)距離大范圍穿越密實(shí)卵礫石地層設(shè)計(jì)為依托，具有較強(qiáng)的典型性。該區(qū)間全長(zhǎng)約1 600m，最大深度29m，線路最小曲線半徑350m，線路縱斷面整體呈“V”字坡，最大坡度為24‰，豎曲線半徑為3 000m 和5 000m 2 種。主要穿越粉質(zhì)黏土④、粉土④2、⑤卵石、細(xì)中砂⑤2、⑥粉質(zhì)黏土、⑦卵石等地層，約占40%位于密實(shí)卵石⑦層，其余為軟硬土交替地層，對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)極為不利。

管片為6m 外徑，0.3m 厚，環(huán)寬1.2m 預(yù)制構(gòu)件。環(huán)向由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊（中心角 67.5°）、2 塊鄰接塊（中心角 67.5°）及 1 塊封頂塊（中心角22.5°）組成。環(huán)間錯(cuò)縫拼裝，端面為平面，僅在防水膠條處留槽。楔形水平楔形量是按300m 曲線半徑u=1∶1 布置，楔形量為48.0mm，楔形角B=0.46°，對(duì)稱平分于楔形環(huán)兩側(cè)。混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，管片鋼筋保護(hù)層外側(cè)不小于35mm，內(nèi)側(cè)不小于30mm。

3 管片破損特點(diǎn)及成因

3.1 盾構(gòu)碎裂成因及特點(diǎn)

經(jīng)過調(diào)查分析，產(chǎn)生盾構(gòu)管片的碎裂因素很多：從設(shè)計(jì)階段（管片選型、管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配筋設(shè)計(jì)）、加工制造階段（模具加工、鋼筋籠加工、混凝土澆筑—養(yǎng)護(hù)—脫模）、運(yùn)輸存儲(chǔ)階段、施工拼裝階段等，碎裂問題貫穿了管片的整個(gè)生命周期。

3.1.1 設(shè)計(jì)階段

管片選型：襯砌厚度、環(huán)寬、楔形量、分塊數(shù)量決定制作和拼裝難度。

管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：螺栓型式、螺栓孔、手孔形狀制約模具精度、脫模難度及拼裝難度。

配筋設(shè)計(jì)：主筋型號(hào)、鋼筋分步方式?jīng)Q定管片剛度和承載能力。

小曲線線路：決定線路擬合方式，曲線推進(jìn)不均勻推力為施工不利工況【2】。

3.1.2 加工制作

模具制造：手孔邊緣、螺栓孔邊緣增設(shè)弧度，可方便脫模，減少脫模時(shí)的邊角破壞。

鋼筋籠加工：貫通裂縫及微裂縫，鋼筋籠安裝精度決定管片內(nèi)受力狀態(tài)，保護(hù)層控制可抑制表面微裂縫。

混凝土澆筑：混凝土分層澆筑速度和振搗密實(shí)度影響混凝土表觀質(zhì)量，是否缺角，微裂縫。

混凝土養(yǎng)護(hù)：靜養(yǎng)、蒸養(yǎng)、水養(yǎng)質(zhì)量決定塑性裂縫和干縮裂縫的發(fā)展。

脫模：模具質(zhì)量、脫模劑涂刷、預(yù)埋件安裝可能導(dǎo)致脫模時(shí)邊角破損。

3.1.3 存儲(chǔ)運(yùn)輸

管片堆放：堆放過程的磕碰，室外高溫，日光暴曬的溫度差引起溫度裂縫。

管片運(yùn)輸：運(yùn)輸過程中的邊角磕碰。

3.1.4 施工拼裝

拼裝精度：邊角破損，貫通裂縫裝誤差過大，安裝時(shí)邊角擠壓破損，主要為封頂塊和拱底環(huán)管片內(nèi)、外側(cè)。管片不到位產(chǎn)生上翹、下翻、變形，整圓器安裝應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。

管片側(cè)向壓力：楔形環(huán)選擇不當(dāng)、盾構(gòu)姿態(tài)控制不當(dāng)、止水條外翻等產(chǎn)生環(huán)向破損。

表面雜物：管片端面不平整，劈裂裂縫。

管片旋轉(zhuǎn)：管片整環(huán)偏轉(zhuǎn)，推進(jìn)油缸與分塊不匹配，管片邊緣受力過大，邊角破損。

螺栓未復(fù)緊：螺栓未復(fù)緊，管片位置錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生環(huán)向裂縫。

盾尾刷夾雜物：盾尾刷密封不好，同步注漿材料侵入尾部形成硬塊產(chǎn)生貫通裂縫。

盾尾間隙：曲線推進(jìn)時(shí)，盾尾一側(cè)與管片間隙減小，與管片摩擦碰撞，導(dǎo)致錯(cuò)臺(tái)破損。

同步注漿壓力：管片設(shè)計(jì)時(shí)未考慮注漿壓力，管片承載力不足，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫；同步注漿不均勻、不飽滿，盾尾脫出偏移，引起管片錯(cuò)臺(tái)或破損。

二次補(bǔ)漿：補(bǔ)漿使管片局部受力過大，產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)或破損。

小半徑曲線轉(zhuǎn)彎：曲線段外側(cè)推力大，管片局部受力過大，產(chǎn)生裂縫或破損。

硬土地層或不均勻地層：盾構(gòu)推力較大，引起管片結(jié)構(gòu)性貫通裂縫和手孔周邊結(jié)構(gòu)破損。

3.1.5 使用階段

管片上浮：地下水位變動(dòng)，隧道周邊土體性質(zhì)變化，使底部管片形成裂縫。

3.2 盾構(gòu)碎裂成因分析

統(tǒng)計(jì)可知，施工階段引起的破損占絕大部分。主要有3 種：

1）管片邊、角破損；

2）短邊貫通裂縫；

3）手孔、螺栓孔位置破損。

破損現(xiàn)象在襯砌外側(cè)一般為管片與盾構(gòu)機(jī)外殼接觸部位，以拱底塊和封頂塊居多；內(nèi)側(cè)一般發(fā)生在管片的角部和隧道內(nèi)底，且破損率較高【3，4】。主要原因如下：

1）盾構(gòu)機(jī)推力過大、同步注漿壓力不均勻、管片受應(yīng)力集中等施工拼裝行為造成管片邊緣、螺栓、手孔等局部部位出現(xiàn)裂縫或破損。

2）因沒有充分考慮卵礫石地層軟硬土交替的特點(diǎn)導(dǎo)致的管片主筋配置不合理。

4 管片細(xì)部?jī)?yōu)化

4.1 應(yīng)對(duì)對(duì)策

針對(duì)上述問題，需增強(qiáng)管片局部抗破損性能。應(yīng)用理論推導(dǎo)、三維數(shù)值模擬對(duì)管片拼裝過程中的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，找出管片容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，出現(xiàn)裂縫、破損的結(jié)構(gòu)部位，針對(duì)薄弱部分進(jìn)行加強(qiáng)處理。

在糾偏、轉(zhuǎn)彎或大推力掘進(jìn)時(shí)，管片端部不僅存在受壓應(yīng)力區(qū)，在距離千斤頂作用面一定范圍存在拉應(yīng)力區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度的情況，這在目前管片設(shè)計(jì)中是被普遍忽略的。

4.2 手孔及素混凝土區(qū)域

為驗(yàn)證手孔之間素混凝土區(qū)域鋼筋配置的必要性，分別考察盾構(gòu)直線段推進(jìn)和小半徑曲線段2 種狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)。本次以海瑞克0.18 單缸盾構(gòu)機(jī)參數(shù)，采用MIDAS GTS 選取1 個(gè)整環(huán)+2 個(gè)半環(huán)的模式建立三維實(shí)體單元模型，并按千斤頂位置施加推力。盾構(gòu)機(jī)總推力為35 000kN，16 個(gè)油缸靴，每個(gè)油缸靴受力面積0.27m2。

在盾構(gòu)始發(fā)時(shí)，油缸靴最大平均推力為8 100kN/m2，考慮上下土壓，上下推力按±20%考慮。在小半徑曲線段，考慮兩側(cè)千斤頂推力不同，內(nèi)、外側(cè)推力按±30%極限推力考慮；考慮上下土壓，上下推力按±20%考慮。暫不考慮重力對(duì)管片的影響，僅分析推力對(duì)手孔周邊的影響。

邊界條件僅約束沿隧道縱向一側(cè)水平位移。管片之間的接觸面由界面單元模擬。有限元模型如圖1、圖2 所示。

圖1 有限元分析模型、界面示意

圖2 封頂塊及鄰接塊實(shí)體模型

計(jì)算表明，在施工階段無論直線段還是曲線段，手孔周圍及手孔之間的素混凝土區(qū)域剪應(yīng)力均大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，特別是手孔垂直線路兩側(cè)部位。傳統(tǒng)管片設(shè)計(jì)時(shí)，該處是不設(shè)構(gòu)造鋼筋的，并不滿足管片抗裂的要求。而手孔周邊只有1 道彎起鋼筋且偏外側(cè)設(shè)置，對(duì)于手孔周邊位置抗裂起不到作用（見表1）。

表1 手孔拉應(yīng)力 N/mm2

計(jì)算表明，無論是直線段還是曲線段，在手孔周圍和手孔之間的素混凝土區(qū)域內(nèi)，內(nèi)部剪力均大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，特別是手孔垂直線路兩側(cè)部位。傳統(tǒng)管片設(shè)計(jì)時(shí)，該處是不設(shè)構(gòu)造鋼筋的，并不滿足管片抗裂的要求。而手孔周邊只有1 道彎起鋼筋且偏外側(cè)設(shè)置，對(duì)于手孔周邊位置抗裂起不到作用（見圖 3）。

圖3 曲線段推進(jìn)管片剪力云圖

通過有限元分析和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)表明，設(shè)置鋼筋以抵抗施工階段的裂縫是必要的。結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及實(shí)際操作工藝，手孔邊緣可增設(shè)封閉加強(qiáng)筋（見圖4）。

圖4 手孔周邊加強(qiáng)筋

4.3 軸向端面鋼筋優(yōu)化

4.3.1 管片端面混凝土局部受壓校核（海瑞克0.18 單缸盾構(gòu)機(jī)）

1）正常推進(jìn)時(shí)，考慮千斤頂偏心影響驗(yàn)算，按千斤頂最大推力T 的80%計(jì)算：

滿足要求【5】。

式中，σc為混凝土壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

按照混凝土局部受壓驗(yàn)算，截面尺寸符合局部受壓區(qū)的要求。

2）曲線或糾偏時(shí)：

不滿足要求。

按照混凝土局部受壓驗(yàn)算，截面尺寸不符合局部受壓區(qū)的要求。

4.3.2 管片端面混凝土局部受拉校核

根據(jù)Guyon（1972）法經(jīng)驗(yàn)評(píng)定，如圖5 所示。

圖5 管片端面裂縫范圍圖解

由此計(jì)算不難發(fā)現(xiàn)，軸向端面配置千斤頂推進(jìn)范圍內(nèi)抗裂鋼筋是有必要的，可以有效抑制施工安裝過程中對(duì)管片的損傷。參考有限元分析結(jié)果，受千斤頂推力范圍內(nèi)混凝土拉應(yīng)力已不滿足混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度。因此，需要考慮在千斤頂推進(jìn)側(cè)設(shè)置抗裂網(wǎng)片。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼筋籠制作及端面鋼筋網(wǎng)片工藝復(fù)雜，經(jīng)優(yōu)化最終確定在千斤頂推進(jìn)部位加密箍筋，以減小千斤頂推進(jìn)時(shí)對(duì)管片的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

目前該隧道已通車運(yùn)營(yíng)，根據(jù)工后統(tǒng)計(jì)，通過對(duì)管片鋼筋的優(yōu)化調(diào)整，隧道管片的成型質(zhì)量有了明顯改善，出現(xiàn)裂縫、破損等情況的管片顯著減少，特別是曲線段及糾偏環(huán)裂縫與破損的情況也較為輕微，整個(gè)區(qū)間管片拼裝成型良品率達(dá)95%以上。說明本次對(duì)管片手孔和端面的優(yōu)化是控制管片裂縫和破損的有效手段，為拼裝式構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供借鑒。