淤泥地質(zhì)大坡度盾構(gòu)管片病害分析及預(yù)防技術(shù)

蔡惠華

(中交第三航務(wù)工程局有限公司南京分公司，江蘇南京 210011)

引言

管片作為盾構(gòu)隧道最主要結(jié)構(gòu)單元，其質(zhì)量的好壞，將最終影響隧道的使用壽命[1]。目前，盾構(gòu)隧道內(nèi)拼裝的管片基本都采用鋼筋混凝土，且要求有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗?jié)B等級，隨著制造工藝和管理水平的不斷提升，管片在生產(chǎn)過程中已很少出現(xiàn)裂縫，經(jīng)過嚴(yán)格的驗(yàn)收程序，基本杜絕有裂縫管片的使用，有效提高了進(jìn)場管片的質(zhì)。但在盾構(gòu)隧道施工過程中管片成型質(zhì)量差還是比較常見的現(xiàn)象，為了有效控制管片成型質(zhì)量，在不同地質(zhì)條件下采取的控制措施存在一定差異，如何有效提高相應(yīng)地質(zhì)管片成型質(zhì)量需要有針對性的研究。

1 項(xiàng)目概述

某項(xiàng)目盾構(gòu)區(qū)間長932.4 m，盾構(gòu)完成始發(fā)，并調(diào)整姿態(tài)后，首先進(jìn)行下坡掘進(jìn)，坡度為28.2 ‰，再以4.06 ‰坡度上坡，最后以24.56 ‰坡度上坡到達(dá)接收井，區(qū)間覆土5.8～16.8 m。具體管片參數(shù)、盾構(gòu)區(qū)間所在地層和地下水情況，詳見表1。

表1 管片參數(shù)、盾構(gòu)區(qū)地層和地下水情況

盾構(gòu)掘進(jìn)選用中鐵裝備568#土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤開挖直徑6.46 m，盾構(gòu)機(jī)盾體呈錐形狀，前盾直徑6.44 m、中盾直徑6.43 m、盾尾直徑6.42 m，理論盾尾間隙30 mm；為滿足直線段和曲線段施工及糾偏的需要，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)和左、右轉(zhuǎn)彎楔形、環(huán)雙面楔形、楔形量為37.7 mm。

2 管片缺陷情況統(tǒng)計(jì)及影響分析

2.1 管片缺陷情況統(tǒng)計(jì)

區(qū)間盾構(gòu)于2020 年5 月20 日始發(fā)，截至2020年6 月30 日掘進(jìn)了280 環(huán)。經(jīng)檢查，拼裝好的盾構(gòu)管片在脫出盾尾后出現(xiàn)錯臺、破損、滲漏水等一系列情況[2]，如圖1 所示。

圖1 管片缺陷

從管片缺陷情況來看，管片漏水主要出現(xiàn)在環(huán)與環(huán)間拼縫處和螺栓孔附近，局部破損位置位于管片角部，且管片破損位置伴隨著較大環(huán)間錯臺。

缺陷位置主要位于隧道頂部及隧道底部，前280 環(huán)的缺陷位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：管片中出現(xiàn)破損的環(huán)數(shù)為48 環(huán)，占比17.1 %，其中存在質(zhì)量缺陷的48 環(huán)管片的缺陷位置共有56 處，管片上部有21 處，管片底部有16 處，管片左側(cè)有10 處，管片右側(cè)有9 處，如圖2 所示。

圖2 缺陷位置統(tǒng)計(jì)

2.2 管片缺陷影響分析

1）管片拼裝后，在同一環(huán)相鄰管片或者相鄰環(huán)管片之間的內(nèi)弧面易出現(xiàn)錯臺[3]，當(dāng)錯臺量超過規(guī)范允許值時(shí)，環(huán)向或縱向的連接螺栓會受到較大剪切力，不均勻的推擠力會使管片間的防水密封條出現(xiàn)較大錯位、撕裂，造成隧道管片環(huán)縫漏水。

2）千斤頂作用在管片上過大的集中應(yīng)力和管片拼裝后的過大錯臺均有可能造成管片破損，如管片邊緣破損、貫穿裂縫等，輕則引起管片滲水，重則降低管片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3）管片滲水和環(huán)間漏水均會使成型管片在地下水的長期浸蝕下，出現(xiàn)保護(hù)層脫落、鋼筋銹蝕等情況，從而影響管片結(jié)構(gòu)的耐久性、隧道機(jī)電設(shè)施的有效運(yùn)行及附近構(gòu)筑物的安全性。

3 管片缺陷原因分析

通過缺陷統(tǒng)計(jì)和影響分析可知該項(xiàng)目前期出現(xiàn)的管片錯臺、破損都有可能發(fā)展成管片的滲漏水，且除了管片錯臺、破損外，可能出現(xiàn)滲漏水的原因主要為管片間的防水密封條的破損，而錯臺過大同樣會造成防水密封條的失效，因此，下面主要分析管片錯臺、破損的原因。

3.1 管片錯臺、破損表現(xiàn)形式

在盾構(gòu)管片安裝施工過程中，錯臺和破損的產(chǎn)生經(jīng)常是相輔相成、相伴出現(xiàn)的[4]。從管片破損的位置可知，其主要分布在隧道頂部及隧道底部，且破損位置均位于環(huán)間螺栓孔位置處，具體可總結(jié)為如下兩種表現(xiàn)形式：

1）頂部管片破損

出現(xiàn)的位置主要位于上浮環(huán)（第n環(huán)）螺栓孔附近，如圖3 所示。當(dāng)?shù)趎環(huán)管片脫出盾尾后，管片自重?zé)o法抵抗上浮力的作用，致使第n環(huán)相對于第n+1 環(huán)出現(xiàn)上浮，一方面雖然螺栓桿的直徑比環(huán)間螺栓孔的直徑小3 mm，若上浮量大于3 mm，則管片上浮將產(chǎn)生環(huán)間剪切力導(dǎo)致管片受到剪切作用，若剪切力較大，超過了管片自身混凝土的承載力，將導(dǎo)致管片螺孔位置部分開裂或破壞。另一方面，頂部管片受到上浮力作用產(chǎn)生的剪切力F1在第n環(huán)（上浮環(huán)）的作用方向往管片內(nèi)側(cè)，剪切力F2在第n+1 環(huán)的作用方向往管片外側(cè)。由于管片內(nèi)側(cè)較薄，而外側(cè)較厚，在相同剪切力的作用下，內(nèi)側(cè)更容易發(fā)生破損。

圖3 頂部管片剪切力作用與裂縫位置

2）底部管片破損

出現(xiàn)的位置主要位于上浮環(huán)的相鄰環(huán)（第n+1環(huán)）螺栓孔附近，如圖4 所示。底部管片破損位置與頂部管片破損位置存在差異，這是由于底部管片螺栓孔的方位與頂部螺栓孔方位相反。上浮環(huán)（第n環(huán)）受到的剪切力作用方向往管片外側(cè)，第n+1環(huán)受到的剪切力作用方向往管片內(nèi)側(cè)。

圖4 底部管片剪切力作用與裂縫位置

3.2 管片錯臺、破損原因分析

一般情況下盾構(gòu)機(jī)沿著設(shè)計(jì)線路走，管片沿著盾構(gòu)機(jī)軸線走，此時(shí)的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與管片姿態(tài)相匹配，盾尾間隙均勻，管片選型以千斤頂行程差為主；若盾尾間隙不均勻，差值超過20 mm 時(shí)，管片選型以盾尾間隙為主[5]。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)封頂塊采用拼裝點(diǎn)位為11 點(diǎn)、1 點(diǎn)（時(shí)鐘點(diǎn)位），每環(huán)管片由6 塊組成，相比其他塊封頂塊尺寸較小，盾構(gòu)機(jī)在下坡過程中，作用在封頂塊上的推力較大，容易致使封頂塊應(yīng)力集中、管片破損。根據(jù)千斤頂行程差、盾尾間隙合理調(diào)整拼裝點(diǎn)位，盡可能使封頂塊處于受力較小位置，以減少管片破損。

施工中加強(qiáng)拼裝手拼裝技能培訓(xùn)，禁出現(xiàn)喇叭口、內(nèi)外仰角，拼裝后的管片徑向錯臺不大于2 mm，環(huán)向錯臺不大于5 mm，螺栓穿過率100 %，在滿足拼裝質(zhì)量的情況下，適當(dāng)將管片圓縮小，減小管片進(jìn)入土體后的變形量；下一環(huán)管片掘進(jìn)200 mm 后、管片脫出盾尾時(shí)、管片脫出盾尾3～5 環(huán)時(shí)，共對管片螺栓進(jìn)行了三次復(fù)緊。

控制好掘進(jìn)、安裝過程中的問題后，管片錯臺、破損的原因主要為管片上浮，而盾構(gòu)隧道管片上浮的原因很多，針對該項(xiàng)目淤泥地質(zhì)和大坡度的特性，主要分析了如下原因：

1）盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)基座上及進(jìn)洞過程中幾乎無坡度，拼裝的負(fù)環(huán)管片均為標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)軸線垂直與管片環(huán)面；區(qū)間線路出始發(fā)井后以28.2 ‰坡度下坡，盾構(gòu)機(jī)通過調(diào)整上下推進(jìn)油缸油壓差，逐漸調(diào)整垂直姿態(tài)使盾構(gòu)機(jī)沿著設(shè)計(jì)線路掘進(jìn)，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸給管片提供斜向上的合力，合力分解為向上和水平分力，若盾構(gòu)機(jī)糾偏過急，上部推進(jìn)油缸推力較大，管片局部受力較大，造成管片破損。

2）管片周圍為淤泥地質(zhì)，豐富的地下水和未及時(shí)固結(jié)的漿液等均會對管片產(chǎn)生上浮力，當(dāng)上浮力大于管片自重及上覆土荷載時(shí)，管片會局部上浮[6]。

在盾構(gòu)管片安裝施工過程中，考慮到漿液實(shí)際攪拌、運(yùn)輸?shù)冗^程所需時(shí)間及漿液對現(xiàn)場施工工效的影響，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，同步注漿所采用漿液的初凝時(shí)間初步定為10 h，此漿液的初凝時(shí)間可以滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度和施工需求。但成型管片在同步注漿48 h 以后，將二次注漿孔打開，發(fā)現(xiàn)管片壁后漿液依然呈噴射狀流出，未達(dá)到初凝。其原因主要為此地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土體密實(shí)，透水性差，且土體溫度較低，漿液在此環(huán)境下固結(jié)所需時(shí)間較長。

管片周圍地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土體自穩(wěn)性差，雖對管片有一定的握裹力，但管片上浮抗力不夠，加上同步漿液未及時(shí)未固結(jié)，過大的浮力造成管片產(chǎn)生不均勻上浮。當(dāng)管片由地下水、泥漿或注漿漿液包裹時(shí)，由浮力定律可得管片環(huán)受到得上浮力[7]為：

管片所受浮力與管片自重力計(jì)算如表2 所示。

表2 管片浮力計(jì)算

由計(jì)算結(jié)果可知，管片所受到的浮力617.46 kN＞管片自重189.14 kN，因此，在地層自穩(wěn)性、握裹力差的情況下，若漿液未能及時(shí)固結(jié)，管片在浮力的作用下易出現(xiàn)不均勻上浮。從施工監(jiān)測的管片上浮量也可驗(yàn)證這一點(diǎn)，施工過程中不同時(shí)間測得的管片上浮量如圖5 所示。

圖5 管片上浮量

從圖中記錄結(jié)果分析可知：①盾構(gòu)機(jī)附近的2～5 環(huán)管片間隔兩天測得上浮量相差較大，盾構(gòu)機(jī)后第10 環(huán)及以后的管片間隔兩天測得上浮量基本保持不變；②不同時(shí)間測得的管片上浮量變化規(guī)律基本一致，均為靠近盾構(gòu)機(jī)的管片上浮量小，遠(yuǎn)離盾構(gòu)機(jī)的管片上浮量大。管片脫出盾尾后的上浮發(fā)展過程可歸納為線性發(fā)展階段、圓弧發(fā)展階段和變形穩(wěn)定段等[8]，具體三個(gè)階段的管片環(huán)號與上浮量的關(guān)系如圖6 所示。

圖6 管片脫出盾尾后的上浮發(fā)展過程

可見在同步注漿未固結(jié)的情況下，管片受到的浮力很大。而后方管片漿液已固結(jié)，管片被約束住，且其軸線比盾構(gòu)軸線高，前方盾構(gòu)機(jī)重量大，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)管片難以發(fā)生上浮，由此造成脫出盾尾后數(shù)環(huán)管片出現(xiàn)不均勻上浮，環(huán)間形成的較大拉扯力，致使管片局部破損。

（3）盾構(gòu)推進(jìn)過程中分區(qū)壓力不均，當(dāng)分區(qū)壓力相差較大時(shí)，易導(dǎo)致管片受到縱向偏心荷載，造成管片縱向向上位移，并在螺栓孔附近出現(xiàn)破損。

該區(qū)間隧道前310 環(huán)為大坡度下坡，且地層較軟，若不形成上下區(qū)壓差，盾構(gòu)容易出現(xiàn)栽頭，姿態(tài)不易控制。掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)上下分區(qū)壓力如圖7 所示。

圖7 盾構(gòu)分區(qū)壓力差

圖中分別為上減下區(qū)壓差和左減右區(qū)壓差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖中記錄結(jié)果分析可知：①大部分區(qū)段上下區(qū)壓差大于5 MPa，局部區(qū)段上下區(qū)壓差達(dá)10 MPa 以上，其中下區(qū)壓大于上區(qū)壓；②左右區(qū)壓差無明顯變化規(guī)律?？梢?，掘進(jìn)過程中，若上、下區(qū)壓差控制不好，管片受到剪切力作用，有助于后續(xù)管片發(fā)生上浮，從而造成管片破損。

4 應(yīng)對措施

針對管片存在的破損問題，采取以下幾個(gè)方面措施進(jìn)行控制管片上浮和分區(qū)壓差，管片上浮控制目標(biāo)為上浮量小于30 mm。

1）調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)時(shí)控制上下油壓差不超過5 MPa，千斤頂行程差不超過40 mm，盾構(gòu)機(jī)每環(huán)糾偏量≤4 mm，避免上下千斤頂行程差較大，管片軸線與盾構(gòu)機(jī)軸線形成較大夾角使盾構(gòu)機(jī)上部盾尾間隙減小、甚至管片卡死盾尾，而發(fā)生管片破損。

2）縮短漿液初凝時(shí)間，定期檢查漿液是否按照既定配比進(jìn)行，確?，F(xiàn)場使用漿液的質(zhì)量，避免攪拌站為了節(jié)約成本添加了其他添加劑，減少了水泥用量，必要時(shí)安排現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室相關(guān)人員按照相應(yīng)配比配制同步注漿液，確定其初凝時(shí)間、稠度等，并觀察其凝結(jié)性。

3）局部不理想部位在盾尾后2～5 環(huán)采用水玻璃雙液漿進(jìn)行二次注漿穩(wěn)固管片，在管片易上浮區(qū)段阻止其上??；二次注漿孔開孔時(shí)可將鋼釬加長，穿過同步注漿體，注入前確定好注入?yún)?shù)，做好技術(shù)交底，以實(shí)現(xiàn)二次雙液注漿效果。

4）更嚴(yán)重部位在盾尾后8～10 環(huán)位置注環(huán)氧樹脂，形成止水環(huán)，防止后方未固結(jié)的漿液泌水向盾尾擴(kuò)散，造成管片持續(xù)上浮，同時(shí)也可防止注入的雙液漿擴(kuò)散到周圍管片，減弱其固結(jié)效果。

5）280 環(huán)以后首先為大坡度下降至310 環(huán)，然后是小坡度上升至580環(huán)，最后是大坡度上升至780環(huán)，掘進(jìn)過程中，根據(jù)不同坡度適當(dāng)調(diào)整豎直方向鉸接角度（不大于0.3°），以減小上下分區(qū)壓力差。

5 施工效果

盾構(gòu)掘進(jìn)第280 環(huán)后，嚴(yán)格控制管片壁后同步漿液在管片后方的初凝時(shí)間為6 h，經(jīng)現(xiàn)場開孔檢測，24 h 后的固結(jié)率達(dá)到90 %；根據(jù)不同坡度合理控制盾構(gòu)區(qū)壓，對向區(qū)壓差控制在5 MPa 以內(nèi)，并將各方向盾尾間隙控制在18～30 mm 之間，以確保盾構(gòu)與管片之間的良好姿態(tài)；由此，管片脫出盾尾后上浮量得到有效控制，平均上浮量控制在17 mm，只有個(gè)別位置超過了30 mm，管片拼裝質(zhì)量得到極大改善。

圖8 改善后管片上浮量

6 結(jié)語

本文以淤泥地質(zhì)大坡度盾構(gòu)隧道施工為研究對象，分析了管片成型質(zhì)量的影響因素，提出了有針對性的控制措施，結(jié)果表明：該地層大坡度盾構(gòu)隧道的管片易上浮、破損，破損現(xiàn)象主要出現(xiàn)在頂部和底部，且頂部破損位置位于上浮環(huán)，底部破損位置位于上浮環(huán)的相鄰環(huán)。其原因與同步注漿初凝時(shí)間和盾構(gòu)區(qū)壓差有關(guān)，經(jīng)采取控制同步注漿初凝時(shí)間、分區(qū)壓差和盾構(gòu)姿態(tài)等措施，可有效控制管片上浮量，抑制管片破損的產(chǎn)生，提高了管片成型質(zhì)量，可為后續(xù)類似工程提供一定借鑒。