硬巖隧道土壓平衡盾構機管片錯臺問題分析及對策

李芳，田涌，霍守峰

（1.青島市地鐵四號線有限公司；2.青島市西海岸軌道交通有限公司；3.青島市地鐵十三號線有限公司，山東 青島 266000）

短距離復雜水文地質、構造帶及裂隙帶交錯等硬巖地質條件下，土壓平衡盾構機相較其他盾構機有更好的經濟性及實用性，但根據以往現場工程經驗，管片錯臺的質量問題非常普遍，且補救的可能性極小，管片間的錯臺對隧道結構滲漏水及安全性影響較大且這種隱患持久存在。

1 工程概況

本項目為青島某地鐵線路區間，根據地勘情況，區間圍巖以花崗巖為主，IV級及以上圍巖占比75.5%，V級圍巖占比約24.5%，穿越2條共軛向裂隙帶，裂隙帶透水性中等，涌水量為14～19.2m3/（d·m）。掘進至共軛向裂隙帶時，即掘進至66環～75環范圍時，管片出盾尾后，出現了管片上浮情況，相關上浮情況統計如圖1所示。

圖1 管片上浮統計

從圖1可看出，部分管片上浮值大于15mm，已超出規范標準范疇。

2 管片錯臺分析

2.1 管片錯臺條件分析

由于盾構機刀盤略大于管片外徑，所以理論上在硬巖環境掘進過程中，掘進斷面與管片外徑就形成了一道均勻的間隙。但在實際施工過程中，這道均勻的間隙受多種因素耦合影響，造成了管片的不均勻受力，進而導致掘進斷面的幾何中心與盾構機管片幾何中心不重合，且不斷發生變化，這就造成了盾構機管片錯臺的根本原因。綜上，可分析出盾構機管片上浮的必要條件可分為以下3種：（1）管片外圍存在可產生浮力的液體物質，如水、未凝固的注漿液等；（2）這種液體物質所產生的浮力大于管片的自重；（3）管片所受不均勻力的鏡像方向存在間隙。

2.2 管片錯臺原因分析

（1）靜態上浮力分析。盾構機拼裝管片、注漿步距如圖2所示，理想狀態下，不考慮浮力受其他因素影響導致作用力方向改變時，管片受浮力影響根據阿基米德浮力計算公式可得：

式中：R為管片外環半徑（m）；B為管片寬度（m）；γ1為注漿漿液重度，取值10～20kN/m3。

圖2 掘進過程中管片拼裝步距示意

管片自重為：

式中，t為管片厚度（m），γ2為鋼筋混凝土重度，取值 25kN/m3。

在不考慮螺栓連接作用下，將式（1）除以式（2）可得管片受浮力與重力的比值為：

假設管片厚度0.3m，外半徑為3m，則K取值范圍為2～4，由此可見，管片在漿液初凝前，盾構機管片始終受上浮力控制。

（2）動態上浮力分析。理想狀態下，同步注漿可以視為漿液全部填充至掘進斷面與外管片之間的間隙中，但實際上盾構掘進時，同步注漿并不會非常密實，漿液沒有完全填滿間隙，所以需要二次注漿降低來減低管片上浮風險、預防地表沉降。但在二次注漿過程中，也會出現不均勻的動態上浮力影響管片的最終位置，不均勻力如圖3所示。

圖3 二次注漿不均勻力示意

動態上浮力可表示為：

式中P為二次注漿壓力；β為二次注漿影響范圍。

（3）盾構機掘進姿態分析。盾構機姿態調整主要是通過推進油缸的差異推力實現的，這種差異推力會導致管片受力不均的情況發生，即在管片上浮區至初凝區一定范圍內的管片產生彎矩，使得管片產生縱向位移，最終導致錯臺的發生，如圖4所示。

圖4 不均勻推力導致管片彎矩示意

（4）人為因素分析。管片拼裝過程中，前拼裝塊因人為因素定位不準確，導致后續拼裝塊不能順利拼裝，進而管片拼裝橢圓度控制不足導致錯臺也常有發生；此外，由于多種因素如：機械拼裝、管片受力介質發生突變等情況導致管片螺栓松動，如果螺栓不及時復緊，管片發生錯臺的幾率會大大增加。

3 預防及應對措施

3.1 減小壁后水壓

減小壁后水壓通常采用管片開孔卸水壓的方法是通過增加液體動能，降低壓力勢能實現的，適應于富水地層。此種方法首先可以減小管片出盾尾后所受浮力，也可以減弱壁后漿液被地下水沖散的可能性。但此種方法是一種輔助措施，只能減小管片錯臺程度。

3.2 提高漿液性能及填充率

盾構壁后漿液的填充率直接影響空隙填充效果，對控制管片錯臺，地表沉降具有重要意義，敬業配比應根據不同地質條件，從提高漿液填充率、流動性、泌水性以及早期強度這四個方面進行綜合考量分析。

3.3 設置剪力銷及加強螺栓復緊

目前，主流盾構法施工隧道管片間的縱向、環向均通過螺栓拼接。根據工程經驗，在特殊地層下，如破碎帶、斷裂帶、富水地層，螺栓應力分布會發生突變，系統螺栓受力不均勻，這是因為地層的不均勻性導致管片截面縱向剪力應力要大于環向。當環向、縱向管片采用相同形式、相同數量的螺栓連接將導致縱向螺栓應力集中，且管片截面受力不均勻，這樣不僅會使管片發生縱向錯臺，同時會降低管片環向防水性能。針對以上問題，建議增加剪力銷構件，便于定位拼裝管片，且剪力銷承擔多余剪力，使得管片的縱向、環向受力變得均勻，進而增強管片的抗浮能力，剪力銷模型如圖5所示。

圖5 剪力銷模型及安裝示意

與此同時，嚴格遵守管片拼裝的技術規范，按照“三次緊固”原則對螺栓進行復緊。

3.4 盾構姿態緩慢調整

當盾構機遇突變地質或存在“蛇形”推進情況，應該根據測量復核，緩慢糾偏，否則油缸推力鄒增導致管片受力不均勻，管片環向彎矩突變，大幅增加管片錯臺的可能性。

4 結語

（1）依據本項目工程發生的錯臺情況，本文從理論角度分析了管片錯臺產生的根本原因及影響因素，提出了靜態及動態管片上浮力的計算公式。

（2）通過進一步分析錯臺產生的原因，總結出減小管片壁后水壓、提高漿液性能及填充率、設置剪力及加強螺栓復緊、盾構姿態緩慢調整這4種預防措施，以降低錯臺發生概率，減小錯臺程度，為類似工程提供工程依據及經驗。