小半徑曲線隧道盾構(gòu)管片質(zhì)量問(wèn)題分析及對(duì)策★

陳云峰 張慶豐 吳起星

(1.中交隧道工程局有限公司盾構(gòu)工程公司，北京 100102; 2.暨南大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，廣東 廣州 510632)

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·橋梁·隧道·

小半徑曲線隧道盾構(gòu)管片質(zhì)量問(wèn)題分析及對(duì)策★

陳云峰1張慶豐1吳起星2*

(1.中交隧道工程局有限公司盾構(gòu)工程公司，北京 100102; 2.暨南大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，廣東 廣州 510632)

以南寧軌道交通1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間小半徑曲線段隧道施工為例，分析了小半徑曲線段管片錯(cuò)臺(tái)、破裂、滲漏等質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)生原因，并從盾構(gòu)選型、管片選型、掘進(jìn)參數(shù)、注漿參數(shù)等方面，提出了相應(yīng)的解決對(duì)策，可供類(lèi)似盾構(gòu)工程施工借鑒和參考。

盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)施工，小半徑曲線，管片質(zhì)量

0 引言

盾構(gòu)法施工具有掘進(jìn)快速、施工安全、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于城市地鐵、公路、水利、電力等隧道工程施工中[1]，當(dāng)前綜合管廊、深層隧道排水系統(tǒng)的建設(shè)也在采用盾構(gòu)工法。由于受規(guī)劃、建(構(gòu))筑物等的制約，隧道線路設(shè)計(jì)往往采用小半徑隧道線形來(lái)適應(yīng)這種限制。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工要求其姿態(tài)符合設(shè)計(jì)線路，但在小半徑曲線段很難實(shí)現(xiàn)，往往會(huì)造成錯(cuò)臺(tái)、破裂、滲漏等管片質(zhì)量問(wèn)題[2-5]。下面將以南寧軌道交通1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間小半徑曲線段的盾構(gòu)施工為例，分析盾構(gòu)管片質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的原因及采取的應(yīng)對(duì)措施。

1 工程概況

南寧軌道交通1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間左線小半徑曲線段圓曲線半徑R=330 m，長(zhǎng)671.305 m，占區(qū)間總長(zhǎng)53.6%；右線小半徑曲線段圓曲線半徑R=340 m，長(zhǎng)689.830 m，占區(qū)間總長(zhǎng)54.2%。盾構(gòu)機(jī)選用土壓平衡式盾構(gòu)，開(kāi)挖直徑6.28 m，主機(jī)總長(zhǎng)9.156 m，水平最小轉(zhuǎn)彎半徑R=250 m。盾構(gòu)管片強(qiáng)度等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為P12；外徑6.00 m，內(nèi)徑5.40 m，厚300 mm，環(huán)寬1.5 m；每環(huán)管片由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊共6塊構(gòu)成，其中楔形環(huán)的楔形量為38 mm，楔形角為0.362 9°。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)穿越地層主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖⑦2-3層和泥巖、粉砂質(zhì)泥巖⑦1-3層，其天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值分別為3.0 MPa和3.5 MPa，屬極軟巖。隧道埋深為6.0 m～20.2 m。

2 小半徑曲線隧道盾構(gòu)管片質(zhì)量問(wèn)題分析

2.1 小半徑曲線隧道盾構(gòu)管片質(zhì)量問(wèn)題

盾構(gòu)機(jī)在小半徑曲線段掘進(jìn)施工，根據(jù)該段管片檢查的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，管片缺陷類(lèi)別主要表現(xiàn)為破裂、滲漏和錯(cuò)臺(tái)三種形式，左右線管片的缺陷率分別為36.4%，31.7%，明顯高于全線平均值?？梢?jiàn)，小半徑曲線段管片質(zhì)量控制是提高盾構(gòu)施工管片拼裝質(zhì)量的難點(diǎn)與關(guān)鍵。

2.2 小半徑曲線隧道盾構(gòu)管片質(zhì)量問(wèn)題原因[6,7]

1)管片錯(cuò)臺(tái)。盾構(gòu)管片錯(cuò)臺(tái)包括徑向錯(cuò)臺(tái)、環(huán)向錯(cuò)臺(tái)和縱向錯(cuò)臺(tái)，引起的原因主要有如下幾種：

a.掘進(jìn)引起錯(cuò)臺(tái)。通常情況下，盾構(gòu)機(jī)殼體與管片間存在50 mm～150 mm的盾尾間隙，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)動(dòng)軸線與管片軸線不重合時(shí)管片可能受到盾構(gòu)殼體擠壓力作用而產(chǎn)生錯(cuò)位，如圖1所示。b.管片制造、拼裝時(shí)引起錯(cuò)臺(tái)。由于管片制造尺寸有誤或拼裝時(shí)管片間存在高差而引起錯(cuò)臺(tái)。c.注漿壓力過(guò)大引起錯(cuò)臺(tái)。盾尾間隙需采用漿液填充，注漿過(guò)程中注漿壓力不均勻引起壓力過(guò)大往往會(huì)造成盾構(gòu)管片發(fā)生錯(cuò)臺(tái)，乃至開(kāi)裂。d.管片拼裝操作不當(dāng)引起錯(cuò)臺(tái)。管片安裝時(shí)，盾尾殘?jiān)謇聿粡氐住⒐芷瑑?nèi)環(huán)面平整度未調(diào)整好、管片螺栓未按要求復(fù)緊等不當(dāng)操作均可能造成管片錯(cuò)臺(tái)。e.管片上浮或下沉引起的錯(cuò)臺(tái)。由于隧道產(chǎn)生上浮或下沉，部分管片向上或向下位移，而其他管片由于周?chē)s束較大又限制了其錯(cuò)動(dòng)，那么在錯(cuò)動(dòng)與沒(méi)有錯(cuò)動(dòng)的管片之間勢(shì)必產(chǎn)生錯(cuò)位而形成錯(cuò)臺(tái)。

2)管片破裂。此處管片破裂主要指盾構(gòu)施工過(guò)程造成的破損，表現(xiàn)為管片混凝土崩裂、崩角、崩邊及裂縫等外觀缺陷，其原因主要有如下幾種：

a.推力與油缸行程差過(guò)大。盾構(gòu)機(jī)在小半徑曲線段掘進(jìn)過(guò)程中，整體的推力面和管片的平面存在夾角而產(chǎn)生側(cè)向分力，油缸形成差越大則其值也越大，該力使管片側(cè)向移動(dòng)形成錯(cuò)臺(tái)，進(jìn)而造成管片錯(cuò)臺(tái)碎裂。b.盾尾間隙過(guò)小。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入小半徑曲線段后，因測(cè)量誤差累積，盾構(gòu)后續(xù)推進(jìn)過(guò)程一直處于糾偏狀態(tài)，導(dǎo)致盾尾間隙變小，管片在出盾尾處所受到的盾尾密封刷擠壓力較大，導(dǎo)致管片出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)崩裂。c.推進(jìn)油缸靴靶作用力。盾構(gòu)機(jī)在小半徑曲線段掘進(jìn)時(shí)，內(nèi)外側(cè)推進(jìn)油缸受力懸殊，管片局部承受過(guò)大的反推力可能引起管片錯(cuò)臺(tái)破損，推進(jìn)油缸靴板破壞管片的發(fā)生概率高于非小半徑曲線段。d.管片拼裝操作不當(dāng)。管片拼裝不當(dāng)操作包括管片環(huán)面之間及相鄰兩塊管片間接觸面未達(dá)到理想平行狀態(tài)而強(qiáng)行操作、封頂塊強(qiáng)行頂入、封頂塊兩側(cè)未涂刷潤(rùn)滑劑等，這些操作不當(dāng)可能導(dǎo)致管片角部或接縫處發(fā)生破碎現(xiàn)象。

3)管片滲漏。管片滲漏指管片接縫、螺栓孔、注漿孔及管片裂縫處出現(xiàn)漏水質(zhì)量缺陷。根據(jù)滲漏部位的不同，滲漏原因分述如下：

a.管片接縫滲漏。管片拼裝質(zhì)量不好，接縫中有雜物或局部縫隙太大，使止水條無(wú)法滿(mǎn)足密封要求；盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，糾編過(guò)大，所粘貼楔子墊塊厚度超過(guò)止水條的有效作用范圍；止水條粘貼質(zhì)量不好，使止水條在拼裝時(shí)松脫或變形，無(wú)法達(dá)到止水作用。b.螺栓孔滲漏。由于未加防水膠圈、螺栓未擰緊及防水膠圈與管片接觸面之間有雜物等原因，引起螺栓孔部位出現(xiàn)的漏水管片質(zhì)量問(wèn)題。c.注漿孔滲漏。管片吊裝引起注漿孔周邊混凝土剝蝕或兼作泄水孔的注漿孔封堵不密實(shí)均可能導(dǎo)致注漿孔發(fā)生漏水。d.裂縫滲漏。管片制作養(yǎng)護(hù)不當(dāng)造成管片出現(xiàn)氣孔和龜縮裂縫、盾構(gòu)千斤頂推力過(guò)大引起管片出現(xiàn)通縫、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制不好造成管片裂縫等均可能導(dǎo)致管片發(fā)生裂縫滲漏。

3 小半徑曲線隧道盾構(gòu)管片質(zhì)量問(wèn)題對(duì)策[6-8]

小半徑曲線段盾構(gòu)施工管片出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的概率較其他地段高得多，基于前述管片缺陷原因，采取相應(yīng)對(duì)策。

3.1 盾構(gòu)選型合理

盾構(gòu)掘進(jìn)軸線應(yīng)盡量與隧道軸線重合，選擇具有鉸接的盾構(gòu)機(jī)，可有效地減少剛體長(zhǎng)度，讓盾構(gòu)機(jī)在小半徑曲線段實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)姿、高質(zhì)量轉(zhuǎn)彎。盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)應(yīng)設(shè)置超挖刀，以便轉(zhuǎn)彎時(shí)通過(guò)兩邊擴(kuò)挖而形成滿(mǎn)足凈空增大要求的孔洞。

3.2 管片選型合理

為保證盾構(gòu)機(jī)在小半徑曲線段推進(jìn)油缸各組間行程差最小及降低已安裝管片所受靴板作用力，必須嚴(yán)格控制管片選型，綜合考慮地質(zhì)情況、線路特點(diǎn)、盾構(gòu)機(jī)千斤頂行程差、盾尾間隙、管片點(diǎn)位及其楔形量等諸因素，合理選擇管片類(lèi)型及拼裝點(diǎn)位，將管片在盾構(gòu)內(nèi)居中拼裝，保證均勻的盾尾間隙和千斤頂行程，使管片不與盾殼相碰。同時(shí)，根據(jù)隧道軸線及掘進(jìn)實(shí)際情況，可在小半徑曲線段適當(dāng)安裝轉(zhuǎn)彎環(huán)。

3.3 掘進(jìn)參數(shù)合理

1)盾構(gòu)姿態(tài)要控制好。

盾構(gòu)機(jī)操作員應(yīng)依據(jù)地質(zhì)情況和隧道線形，進(jìn)行推進(jìn)油缸分區(qū)操作并設(shè)定掘進(jìn)推力和速度，實(shí)時(shí)控制盾構(gòu)姿態(tài)，避免后續(xù)不良姿態(tài)引起的糾偏。如盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入小半徑曲線段掘進(jìn)前，預(yù)留一定偏移量(一般30 mm～50 mm)以抵消部分管片偏移量。當(dāng)管片楔形量不能滿(mǎn)足糾偏需要時(shí)，可在管片上加貼不同厚度的橡膠石棉墊使其滿(mǎn)足需要。

2)油缸推力盡量小。

在小半徑曲線段，盾構(gòu)司機(jī)需控制好左右兩側(cè)油缸的推力差且總推力不宜過(guò)大，以實(shí)現(xiàn)慢速急轉(zhuǎn)及減小盾體橫向偏移的不利影響。曲線段每環(huán)施工采用分段掘進(jìn)方式，如1.5 m環(huán)段每掘進(jìn)50 cm停機(jī)一次，先讓所有推進(jìn)油缸收回復(fù)位，然后將所有油缸靴板頂在管片上繼續(xù)掘進(jìn)，以消除側(cè)向力，降低管片被擠壞的概率。

3)糾偏方式合理。

盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)際為蛇行推進(jìn)，不可避免會(huì)出現(xiàn)姿態(tài)偏差現(xiàn)象，故盾構(gòu)蛇行修正應(yīng)采用長(zhǎng)距離的滾動(dòng)糾偏、垂向糾偏或水平向糾偏等方式緩慢進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整(糾偏)。盾構(gòu)糾偏過(guò)程中應(yīng)保持盾構(gòu)姿態(tài)不應(yīng)有突變，運(yùn)動(dòng)軌跡盡量平順；以盾尾間隙控制為主，線形控制為輔；盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中一次糾編不能過(guò)大，即推進(jìn)油缸行程差不能過(guò)大，應(yīng)控制在50 mm左右。

4)土倉(cāng)壓力控制合理。

在小半徑曲線段掘進(jìn)時(shí)，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件設(shè)置合適的土倉(cāng)壓力，最大程度減小地層擾動(dòng)和維持掌子面穩(wěn)定，以防止坍塌。

3.4 注漿參數(shù)合理

管片注漿時(shí)要求多個(gè)方向同時(shí)均勻注入、控制好注漿壓力，尤其是管片背后二次補(bǔ)漿時(shí)要控制好注漿壓力，防止單塊(環(huán))管片受力過(guò)大而產(chǎn)生錯(cuò)位。合理調(diào)整盾構(gòu)回填漿液的凝固時(shí)間，保證脫出盾尾的管片盡早產(chǎn)生約束，以限制管片錯(cuò)位空間。小曲線段注漿壓力必要時(shí)可在曲線外側(cè)補(bǔ)注雙液漿，防止?jié){液向土倉(cāng)倒流。管片注漿口的注漿壓力宜控制在0.1 MPa～0.3 MPa，不宜大于0.5 MPa；最佳注入時(shí)期應(yīng)在盾構(gòu)機(jī)推出的同時(shí)或推進(jìn)后立即注入，應(yīng)完全填充盾尾間隙，注入量為盾尾間隙的1.5倍～2.0倍。

3.5 其他對(duì)策

1)加強(qiáng)管片質(zhì)量管理。

加強(qiáng)管片生產(chǎn)和進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收的管理，杜絕問(wèn)題管片進(jìn)入隧道拼裝；管片拼裝按照規(guī)范要求拼裝，避免拼裝錯(cuò)臺(tái)；管片修補(bǔ)必須按照規(guī)范進(jìn)行并做好修補(bǔ)后的檢查和養(yǎng)護(hù)；在搬運(yùn)過(guò)程中輕吊慢放，吊放管片采用專(zhuān)用尼龍吊帶；管片堆放層數(shù)不要超過(guò)設(shè)計(jì)要求。

2)做好管片螺栓擰緊工作。

采用初擰和復(fù)擰方式，兩種方式的擰緊順序應(yīng)一致，即先中間螺栓后周?chē)菟?。?dāng)管片脫離盾構(gòu)尾部后，須對(duì)管片連接螺栓及時(shí)進(jìn)行二次緊固，盾尾脫出盾尾10環(huán)后進(jìn)行三次復(fù)緊或多次復(fù)緊。

3)做好管片修復(fù)工作。

嚴(yán)格按照規(guī)范要求及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)破損管片，運(yùn)輸過(guò)程引起的管片損壞要求在貼止水條前修復(fù)好；掘進(jìn)或拼裝過(guò)程中造成的管片損壞應(yīng)原地修補(bǔ)，以保護(hù)止水條。

4 結(jié)語(yǔ)

以南寧軌道1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間小半徑曲線段的盾構(gòu)施工為例，統(tǒng)計(jì)表明小半徑曲線段盾構(gòu)隧道管片主要存在錯(cuò)臺(tái)、破裂、滲漏等管片質(zhì)量問(wèn)題，分別分析了產(chǎn)生這些管片缺陷的原因，并從盾構(gòu)選型、管片選型、掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整、注漿參數(shù)控制等方面采取相應(yīng)對(duì)策，可供類(lèi)似工程參考借鑒。

[1] 戈志強(qiáng).小曲線半徑盾構(gòu)施工技術(shù)總結(jié)[J].建筑機(jī)械化,2012,33(S2):55-57.

[2] 嵇 彭.小曲線半徑隧道無(wú)鉸接盾構(gòu)施工技術(shù)[J].施工技術(shù),2013,42(13):79-81.

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Problem analysis and countermeasures of segment quality in shield tunnel with small radius curve★

Chen Yunfeng1Zhang Qingfeng1Wu Qixing2*

(1.ShieldEngineeringCompany,CCCCTunnelEngineeringCompanyLimited,Beijing100102,China；2.CollegeofMechanicsandConstructionEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,China)

Taking curve tunnel construction in small radius of a shield interval in Nanning metro line one as an example, the main quality problems such as step, crack, and leakage existed in lining segments of the small radius curve tunnel are pointed out, the causes of these segment defects are analyzed, the corresponding countermeasures from the aspects of type selection of shield, segment selection, shield tunneling parameters, grouting parameters and so on are put forward, which can provide

for similar shield project construction.

shield tunnel， shield construction， curve in small radius， segment quality

1009-6825(2016)30-0161-03

2016-08-14★：中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司科研資金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2013-ZJKJ-17)；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2016A030313095)

陳云峰(1977- ),男，高級(jí)工程師； 張慶豐(1990- )，男，助理工程師

吳起星(1972- ),男，博士，副教授

U455.42

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