大斷面矩形頂管隧道襯砌結構病害防治研究

趙勇，魯藍

（1.恩施自治州華泰交通建設有限公司，湖北 恩施 445000；2.恩施自治州公路管理局，湖北 恩施 445000）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對交通運輸需求總量不斷增加，隧道運營成為全國交通運輸?shù)闹匾M成部分，在國民經(jīng)濟和社會生活中起到不可估量的作用。大斷面矩形頂管隧道在許多城市地下空間開發(fā)中被廣泛應用，然而，大斷面矩形頂管隧道作為隧道施工的一種形式，其襯砌結構病害防治研究備受關注。由于各種原因，隧道襯砌結構難免會發(fā)生各種病害，這不僅影響隧道的正常運營使用，還威脅到車輛和人員的安全。因此，深入研究大斷面矩形頂管隧道襯砌結構常見病害的成因和防治措施具有重大的理論價值和現(xiàn)實意義。

1 隧道大斷面矩形頂管施工風險

1.1 漏漿風險

一般情況下，隧道大斷面的施工頂管分為矩形頂管和圓形頂管，其漏漿問題多發(fā)生在矩形頂管中。矩形橡膠密封止水圈和圓形頂管比較相對較差，土倉和管節(jié)間隙的泥漿容易從止水圈中溢出，并攜帶相鄰土層中的水分和泥砂，導致原有壓力發(fā)生變化，嚴重時可引發(fā)土體坍塌、地面陷落的風險。

1.2 栽頭風險

當頂管機在施工作業(yè)時，機身會有一定的重力，其自身重力由洞口門梁和始發(fā)托架承擔，此時操作環(huán)境相對穩(wěn)定，不會造成太大的技術操作問題。而當頂管機進入一段距離后，機身大部分重力由土體承受，由于土體的承重能力較弱，在重力作用下，容易引起底層下沉問題，進而導致機身頭部下沉、機尾部上翹的問題，即栽頭風險。

1.3 頂管機回縮風險

頂管機回縮風險的原因在于頂管機在初始工作階段，機身未完全進入土層，進而導致與土層之間的摩擦力減少。

技術人員在安裝管節(jié)時，由于將主頂千斤頂收回，掌子面土體的壓力對刀盤作用較大，將會導致頂管機向井內(nèi)回縮，進而引起掌子面土體坍塌，影響隧道大斷面施工技術的提高。

1.4 頂管機扭轉(zhuǎn)風險

在隧道大斷面矩形頂管施工中，頂管機扭轉(zhuǎn)的問題較為常見，由于土體的反作用力較大，使頂管機發(fā)生方向扭轉(zhuǎn)，多發(fā)生于刀盤旋轉(zhuǎn)切割土體施工中。在實際施工現(xiàn)場，由于矩形頂管刀盤旋轉(zhuǎn)與圓形頂管有很大不同，其間如果發(fā)生扭轉(zhuǎn)問題，將很難及時調(diào)整。由于矩形頂管截面特征的影響，發(fā)生扭轉(zhuǎn)后，將影響頂管的后期應用。

2 大斷面矩形隧道沉降、姿態(tài)控制重難點

2.1 頂管隧道沉降控制重難點

第一，上部管道隧道段呈矩形，上部層和上部管道屏蔽結構形成的拱面較大，底板受屏蔽結構支撐，土層變形較大。

第二，道路車輛較多，動力負荷大且不穩(wěn)定，地面沉降監(jiān)測難度則會更大。

第三，在同一深度，隨著頂管盾殼面積的增大，表層土應力弧形的形成作用大大降低，表層土對沉積的敏感性大大提高，同時泥漿保護層發(fā)揮著減摩作用，“背土效應”也越來越明顯。

2.2 頂管隧道姿態(tài)控制重難點

第一，管道隧道段為矩形，由于土層不平和注射壓力差，頂管隧道左右壓力不均勻，導致頂管隧道中心線偏差。

第二，上部管道隧道斷面特別大，施工過程中土倉各點壓力不等，導致上部管道隧道軸線偏移。

第三，包裝機體積短、質(zhì)量高，隧道覆蓋土層較淺，同時在施工過程中注入大量接觸泥漿。因此，在上部管道施工過程中很容易抬起和浮動上部管道支撐。

3 隧道襯砌混凝土施工常見病害的分類及成因

3.1 隧道襯砌混凝土施工常見病害的分類

3.1.1 開裂病害

開裂病害是隧道襯砌混凝土施工中常見的問題之一，主要是混凝土在施工過程中受到各種力的影響而引起。開裂病害的嚴重程度取決于裂縫的寬度和長度，一般采用填縫、堵漏等方法進行修補。

3.1.2 滲漏病害

滲漏病害是指隧道襯砌混凝土中的水分在施工或使用過程中透過混凝土表面滲透出來，影響隧道工程的使用效果。滲漏病害不僅會影響隧道使用壽命，還會增加維護難度和成本。

3.1.3 龜裂病害

龜裂病害是隧道襯砌混凝土施工過程中常見的病害之一，其主要表現(xiàn)為混凝土表面出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。

3.1.4 鼓包病害

鼓包病害是指隧道襯砌混凝土中出現(xiàn)表面凸起的現(xiàn)象。

3.2 隧道襯砌混凝土施工常見病害的成因

3.2.1 開裂病害的成因

隧道襯砌混凝土開裂主要是由于施工中混凝土的收縮和溫度變化引起的應力集中而超出混凝土的承受能力。此外，材料的選擇、設計和施工質(zhì)量等因素也會對混凝土開裂產(chǎn)生影響。例如，在混凝土配合比中水灰比過大或黏度過高、混凝土強度不足或混凝土的養(yǎng)護不當?shù)惹闆r，易導致混凝土開裂。同時，隧道施工中存在的地震、爆破等因素也可能導致混凝土開裂[1]。

3.2.2 滲漏病害的成因

隧道襯砌混凝土施工中常見的滲漏病害，主要由于滲透壓力、地下水位變化、孔洞未封堵、隧道外部水壓力等原因?qū)е隆＠纾趪鷰r不完整、裂隙發(fā)育的地層中，隧道施工時會引入大量的地下水，若隧道襯砌混凝土密實性不良，水分會從襯砌中滲透出，進而導致滲漏病害的產(chǎn)生。此外，隧道襯砌施工時未及時封堵孔洞，也會導致滲漏病害的發(fā)生。

3.2.3 龜裂病害的成因

龜裂病害是隧道襯砌混凝土施工過程中常見的病害之一，主要是由于混凝土硬化過程中水分的過快蒸發(fā)導致收縮應力超過混凝土的抗拉強度，從而引起龜裂。

另外，混凝土的配合比不合理、澆筑過程中振搗不到位等因素也會增加龜裂的發(fā)生概率。例如，當混凝土澆筑過程中未能及時地振搗和養(yǎng)護，在干燥通風環(huán)境下過快蒸發(fā)，混凝土表面易形成龜裂。

3.2.4 鼓包病害的成因

鼓包病害的成因主要與施工中混凝土的振搗、養(yǎng)護等環(huán)節(jié)有關。若混凝土的振搗不均勻或養(yǎng)護不到位，易導致鼓包病害的發(fā)生。例如，施工過程中，由于振搗不充分或混凝土表面未得到充分養(yǎng)護，未能釋放完全混凝土中的氣體，從而形成鼓包。

此外，施工現(xiàn)場的溫度、濕度、風速等環(huán)境因素也會對混凝土的養(yǎng)護造成影響，進一步加劇鼓包病害的發(fā)生。

4 隧道襯砌混凝土施工病害的防治措施

4.1 加強混凝土配合比設計

在隧道襯砌混凝土施工中，加強混凝土配合比設計是防治常見病害的關鍵之一。應根據(jù)設計要求精確計算混凝土的配合比，確保混凝土質(zhì)量和強度的穩(wěn)定。

同時，在配合比設計中應該考慮現(xiàn)場環(huán)境、施工條件和混凝土用途等因素，使配合比設計更加科學合理。由此，可以有效預防隧道襯砌混凝土施工病害的發(fā)生，提高工程質(zhì)量和安全性。

4.2 加強養(yǎng)護管理

在隧道襯砌混凝土施工過程中，加強養(yǎng)護管理是防治常見病害的重要措施之一。養(yǎng)護不良是導致混凝土龜裂、滲漏等病害的主要原因之一。

因此，施工后應根據(jù)設計要求進行嚴格養(yǎng)護管理，保證混凝土養(yǎng)護充分。養(yǎng)護期間應注意混凝土加強通風、控制濕度、避免凍融等因素的養(yǎng)護管理，只有充分加強養(yǎng)護管理，才能保證隧道襯砌混凝土的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

4.3 加強施工過程管理

加強施工過程管理也是防治隧道襯砌混凝土施工病害的重要措施之一。在混凝土澆筑和振搗過程中，應嚴格按照設計要求進行施工，避免振搗不足或過度振搗，保證混凝土的均勻性和緊實度。

此外，在混凝土澆筑過程中，還應注意控制澆筑高度、溫度變化等因素，以減少施工病害的發(fā)生。

4.4 加強質(zhì)量監(jiān)控

加強質(zhì)量監(jiān)控是預防隧道襯砌混凝土施工病害的關鍵措施之一。在施工過程中，應嚴格按照設計要求加強施工質(zhì)量監(jiān)控，監(jiān)測混凝土的澆筑、振搗、養(yǎng)護等環(huán)節(jié)，及時發(fā)現(xiàn)并處理施工過程中的問題，如松散、凝結不良等。

同時，檢測混凝土的強度、密度、抗?jié)B性等指標，以確保施工質(zhì)量符合設計要求，為預防隧道襯砌混凝土施工病害的發(fā)生提供有力保障。

5 大斷面矩形隧道頂管頂進施工技術發(fā)展趨勢

對于頂部管段，矩形管變?yōu)榇笮凸芏巍Ｄ壳埃匦喂艿淖畲髷嗝娣e已達到140m2。矩形頂管法在普通溝渠、地下隧道和隧道工程中具有一定優(yōu)勢。采用矩形管道方法將逐步降低總成本，大幅度提高設備制造水平和施工質(zhì)量。大斷面矩形隧道頂管施工見圖1。

圖1 大斷面矩形隧道頂管施工圖

如上所述，矩形頂管法延伸很長的距離，矩形頂管的最大頂進距離為230m。伴隨著遠距離高精度測量技術的發(fā)展和應用，通風系統(tǒng)的不斷改進，排渣系統(tǒng)的發(fā)展，刀盤切削系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、出土輸送系統(tǒng)、中繼系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、供電液壓系統(tǒng)、測量導向系統(tǒng)技術的不斷改進，頂進距離還在不斷實現(xiàn)突破。

在施工環(huán)境中，矩形頂管法沿復雜的環(huán)境方向不斷突破。城市隧道工程一般比管道和地鐵等地下工程設施更廣泛、施工風險更高。尤其在堅硬巖石、復合地層、高水壓、穿越河段等特殊情況，施工風險時有發(fā)生，矩形頂管法的設計將適應日益復雜的施工環(huán)境。

在埋深方面，由于功能要求矩形頂管法將向淺埋深方向移動。目前，矩形頂管的淺埋深度達到4m，預計今后將有重大突破。

對于頂進設備（見圖2），矩形頂管設備的發(fā)展方向：一是大跨度地下空間的建設，如地鐵站、地下商場大斷面；二是研究與開發(fā)新注漿減阻技術；三是不斷解決巖層各段開挖破碎技術，開發(fā)適用于復合層的頂管設備[2]。

圖2 矩形頂管機

6 結論

綜上所述，得出以下結論：

第一，隧道襯砌病害對其安全的危害很普遍且巨大，文章通過研究分析提出以上的治理和預防措施，有主次地分析導致病害的各因素，操作時遵循因地制宜、綜合治理，針對病害從源頭上做好總結、分類、歸納，盡可能做到一步到位，避免返工，為隧道后期營運創(chuàng)造一個安全、良好的環(huán)境。

第二，隧道襯砌混凝土是隧道工程中非常重要的部分，其質(zhì)量直接影響到隧道工程的安全和可靠性。因此，在隧道襯砌混凝土施工過程中，應加強混凝土配合比設計、養(yǎng)護管理、施工過程管理和質(zhì)量監(jiān)控，以預防常見病害的發(fā)生。同時，隧道襯砌混凝土施工病害的防治措施需要結合理論和實踐，根據(jù)具體情況靈活應用，以保證施工質(zhì)量和工程安全。

第三，矩形頂管技術基于圓形管道技術而形成，矩形頂管比圓形管道占用更少空間，從而優(yōu)化隧道空間的規(guī)劃和使用。但是，在隧道施工中，矩形頂管法不如圓形管道法應用廣泛，矩形管道法存在開發(fā)成本較高、重件運輸困難、頂進距離、線形限制等問題。當前矩形頂管施工技術在理論研究、設備開發(fā)、施工技術和質(zhì)量管理等方面已經(jīng)成熟，相關技術標準體系正在逐步完善。今后，矩形頂管技術將繼續(xù)在長距離和大斷面上發(fā)展，隨著復雜環(huán)境和機械化的改善，總的發(fā)展趨勢將更加多樣化，發(fā)展前景十分廣闊。