桑文才

(山西省萬家寨引黃工程管理局，山西太原 030012)

0 引言

雙護盾巖石隧洞掘進機(Double Shield Tunnel Boring Machine)經(jīng)常用于調(diào)水工程長隧洞的掘進施工，該工法有掘進速度快、施工安全性高、開挖襯砌流水作業(yè)一次性成洞等優(yōu)點。在施工過程中，管片裂縫是一種質量通病。導致管片裂縫的原因較多，除設計原因外，主要與施工荷載和不良地質圍巖應力有關，經(jīng)常是多種因素復合而成。宋書顯［1］分析了管片混凝土配合比設計、澆筑、養(yǎng)護等過程中管片產(chǎn)生裂縫的情況;昝志斌等［2］分析了管片安裝機機臂張力及其他安裝荷載引起底頂管片發(fā)生裂縫的情況;王從慶［3］、梁晉平［4］分析了輔助油缸作用于管片的偏心推力導致側管片發(fā)生裂縫的情況;李文全等［5］、馮超等［6］分析了圍巖壓力導致管片產(chǎn)生裂縫的情況，并且指出裂縫的出現(xiàn)與管片類型沒有直接關系，而管片類型的區(qū)別在于鋼筋配筋量的不同;葉飛等［7］、姜敦燦［8］分析了盾構掘進施工管片產(chǎn)生裂縫的各種情況。雖然盾構與雙護盾TBM有差異，但許多施工工藝有相同之處，值得借鑒。本文對某隧洞側管片內(nèi)表面的多處裂縫進行了詳細觀察和分析，認為在軟質地層中掘進時主推油缸強行牽引及尾盾鋼板約束是造成管片內(nèi)表面產(chǎn)生裂縫的主要原因。

1 工程概況

某無壓輸水隧洞的25 km洞段采用羅賓斯155－274型雙護盾TBM施工。隧洞最大埋深430 m，最大水頭200 m，開挖直徑4.819 m，管片襯砌后內(nèi)徑4.140 m，管片為蜂窩狀六邊形結構，厚25 cm，寬120 cm，每4片組成1環(huán)。

TBM掘進洞段上游段穿越地層為太古界集寧群片麻巖與古生界寒武系、奧陶系各類灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖及中生界燕山期侵入巖等。除侵入巖外，沿線地層均較平緩。TBM掘進洞段下游段地層為中生界石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組及下石盒子組的砂頁巖、煤層、砂巖、泥巖。隧洞巖層走向 NE，傾向SE，傾角范圍5°～24°，一般為5°～10°。

施工過程中，隧洞下游段已安裝的側管片內(nèi)表面連續(xù)產(chǎn)生裂縫，上游段已安裝管片內(nèi)表面也不同程度地產(chǎn)生裂縫。本文基于對裂縫管片的現(xiàn)場調(diào)查，對裂縫成因進行分析和研究。

2 裂縫洞段現(xiàn)場情況

2.1 裂縫的出現(xiàn)位置與發(fā)現(xiàn)時間

裂縫檢查分2個階段進行。第1階段在后配套前部及尾盾內(nèi)進行，除個別裂縫通過肉眼可直接發(fā)現(xiàn)外，主要是通過地下水或人為灑水后形成的水印進行判別。水沿管片表面流淌，形成水線。當水線遇到裂縫后，便會分成2股，一股在管片表面受重力作用向下流，另一股則沿裂縫延伸，形成水印。在沒有地下水或人工灑水的管片處，許多裂縫被漏檢了。第2階段則是在后配套尾部，在管片表面沖洗后剛變干時進行，此時所有裂縫上都形成了水印，因此裂縫檢查比較全面。

總體來說，裂縫發(fā)現(xiàn)時間滯后于產(chǎn)生時間，二者間隔多久，很難準確判定。根據(jù)實際檢查情況分析，裂縫最早是在尾盾內(nèi)的管片上被發(fā)現(xiàn)的。

2.2 裂縫狀況

裂縫主要位于側管片中部和中部靠下位置，基本上位于2個灌漿孔之間，個別頂管片也曾產(chǎn)生少量裂縫。由于底管片表面普遍存在泥污，觀測條件差，無法準確檢查裂縫的存在情況。

在TBM掘進施工洞段約3 500環(huán)管片的長度范圍內(nèi)，共計有191環(huán)管片產(chǎn)生裂縫，其中左側398條，右側287條，有38環(huán)管片左右側同時產(chǎn)生裂縫(如圖1所示)。每片管片上裂縫數(shù)量不等，個別管片上裂縫達到8條(如圖2所示)。

圖1 裂縫沿管片環(huán)分布Fig.1 Cracks along segment rings

圖2 裂縫在管片上的分布Fig.2 Cracks on segments

裂縫主要沿洞軸線方向水平延伸，以張裂縫為主。大部分裂縫橫貫整環(huán)管片，縫寬多在0.3 mm以下，部分裂縫縫寬達到1.2 mm。極個別裂縫是閉合縫，縫兩壁之間緊緊閉合，縫緣沒有擠碎現(xiàn)象。通過長時間觀察，發(fā)現(xiàn)縫寬基本穩(wěn)定，不隨時間變化。

裂縫沒有貫穿管片厚度，因為裂縫水印主要是由管片內(nèi)表面流進縫內(nèi)的水或由管片接縫處流進縫內(nèi)的水形成的。即便圍巖中有地下水出露，只要管片內(nèi)表面及管片接縫無水，裂縫便保持干燥狀態(tài)?？缰芽p鉆孔取芯，芯樣中裂縫深度均不超過10 cm。

2.3 洞內(nèi)現(xiàn)場調(diào)查

對TBM作業(yè)情況、管片結構、地質情況、地下水狀況等進行了詳細調(diào)查和比較，總結如下:

1)在圍巖完整洞段，管片、圍巖間隙分明;在圍巖裂隙發(fā)育洞段，大量巖塊脫落堆積在管片上。圍巖松散洞段，側管片上有裂縫;圍巖完整洞段，側管片也有裂縫;2類洞段的裂縫數(shù)量、分布和縫寬無明顯區(qū)別。

2)在泥巖質圍巖洞段，巖壁完整，但部分洞段圍巖收斂變形較大，圍巖緊貼在頂管片上。圍巖、管片緊貼洞段，側管片有裂縫;圍巖、管片存在間隙的洞段，側管片上也有裂縫。

3)隧洞轉彎段與直洞段均有裂縫，且二者的裂縫特征沒有明顯差異。

4)管片在洞外、洞內(nèi)運輸及安裝過程中均未發(fā)現(xiàn)裂縫，裂縫主要是在已安裝的管片上發(fā)現(xiàn)的，個別管片在安裝就位尚未脫出尾盾便產(chǎn)生裂縫。在這些管片上游表面上，裂縫從管片內(nèi)表面向內(nèi)延伸，裂縫深度不超過止水條所在位置。

5)在一段約200環(huán)長度的泥巖質圍巖洞段，由于工序安排原因，未及時進行豆礫石和水泥回填灌漿。部分洞段的圍巖由于收斂變形較大與頂管片緊貼，該處側管片沒有產(chǎn)生裂縫，且管片接縫處的勾縫砂漿也比較完整，沒有破碎開縫或砂漿擠出現(xiàn)象。由此表明，圍巖壓力并未導致管片環(huán)顯著變位。

6)在一些裂縫發(fā)生洞段，曾進行過TBM尾盾糾偏操作。尾盾調(diào)整的方法是:前護盾穩(wěn)定油缸支撐圍巖，主推油缸收縮，尾盾一邊向前拖動，一邊旋轉。

7)施工中曾一度忽略了刀盤、刀具的維護工作，導致刀盤面板和側緣嚴重磨損，側緣個別部位甚至被磨穿，不得已進行停工大修，并且在面板和側緣加焊了耐磨板?；謴途蜻M后相當長的洞段上都沒有產(chǎn)生裂縫，但隨著TBM的繼續(xù)掘進，裂縫又逐漸產(chǎn)生了。

8)豆礫石回填和底拱水泥注漿在管片剛脫出尾盾后進行，而側拱、頂拱灌漿則在后配套末端和后配套之后進行，考慮到裂縫主要是在側拱、頂拱灌漿之前發(fā)現(xiàn)的，因此推斷灌漿不是產(chǎn)生裂縫的原因。

3 裂縫成因分析

管片經(jīng)歷的施工環(huán)節(jié)有澆筑、蒸養(yǎng)、拆模、起吊、常溫養(yǎng)護、洞外洞內(nèi)裝卸運輸、管片安裝、管片脫出尾盾、豆礫石回填、水泥灌漿、承受外界圍巖壓力等過程，現(xiàn)對各個施工環(huán)節(jié)逐一進行分析。

如上節(jié)所述，管片在澆筑、蒸養(yǎng)、拆模、起吊、常溫養(yǎng)護、洞外洞內(nèi)裝卸運輸、直至洞內(nèi)安裝之前，均未產(chǎn)生本文所述的裂縫。

在相似工程管片安裝過程中，曾發(fā)生管片安裝機抓取管片時管片內(nèi)表面開裂的情況［2］，這是因為管片安裝機徑向油缸壓力過大，抓取管片時夾具沖擊力超過管片彎矩承載力，導致管片內(nèi)表面開裂。針對上述可能原因，進行驗證試驗。在側管片安裝過程中，當管片安裝機抓起管片時，將管片向運輸盤上快速下壓。連續(xù)試驗若干管片，管片內(nèi)表面均未產(chǎn)生裂縫。

根據(jù)現(xiàn)場觀察，裂縫分布與豆礫石回填、水泥灌漿、承受外界圍巖壓力、洞軸線彎直情況均無相關性［4］，結構計算也印證了這一點。在管片自重、回填灌漿、圍巖壓力、彈性抗力、內(nèi)外水壓力等各種荷載組合下，側管片內(nèi)表面均以受壓為主。雖然側管片內(nèi)表面下部受拉，但拉力要小得多(如圖3所示)。

經(jīng)過上述排查分析，最后認為裂縫是在管片安裝就位、管片脫出尾盾等施工過程中產(chǎn)生的。具體分析如下:

在TBM掘進過程中，TBM主機經(jīng)常偏離設計位置，因此總是進行掘進方向調(diào)整和糾偏，導致主機軸線與洞軸線不平行，二者之間存在一個微小夾角。相應地，尾盾軸線與洞軸線也不平行，或者說，尾盾與其內(nèi)的管片環(huán)也不平行，尾盾軸線與管片環(huán)軸線之間總是存在微小的夾角。如果管片與尾盾之間的間隙不足，則管片外表面與尾盾鋼板可能會接觸，產(chǎn)生接觸壓力。根據(jù)TBM的設計，尾盾與管片之間的頂部空隙較大，側壁空隙較小，因此，側管片與尾盾接觸的概率較大。至于底管片，雖然尾盾底部開口邊緣與底管片更易接觸，但該處尾盾鋼板處于自由端，變形能力較大，會抵消部分接觸壓力。

圖3 管片環(huán)各種荷載下的彎矩圖Fig.3 Bending moment of segment rings under different loads

尾盾與側管片接觸時產(chǎn)生接觸壓力，導致管片內(nèi)表面受拉、外表面受壓。當TBM處于掘進行程時，尾盾與管片相對位置不變，產(chǎn)生接觸壓力的原因主要是護盾或管片環(huán)形狀不規(guī)則、相對位置錯動、管片安裝機施壓等。除特殊情況外，這些力不會太大。但是，如果尾盾與側管片緊緊接觸，或者尾盾與側管片接觸且尾盾與圍巖也接觸(圍巖收斂變形較大或TBM邊刀磨損較大都可能造成開挖洞徑縮小)，則尾盾、側管片、圍巖相互制約。當TBM由掘進行程轉為復位行程、主推油缸強行收縮牽引尾盾時，圍巖、尾盾和管片環(huán)三者之間可能產(chǎn)生很大的摩擦力和接觸壓力，管片內(nèi)表面產(chǎn)生過大拉應力，導致混凝土開裂(如圖4所示［7］)。

本工程TBM的頂管片與尾盾設計間隙約19 mm，側管片與尾盾設計間隙約14 mm，在管片與尾盾之間可容易地塞進去1個手指。但在施工過程中，各處間隙均不滿足設計要求，手指有時能塞進去，有時不能;有時管片與護盾緊緊相貼，連手指甲都塞不進去。在某斷面進行測量，頂部、側壁間隙大約3 mm，個別部位不足1 mm。

圖4 盾構作用力Fig.4 Pressure generated by shield shell

現(xiàn)場觀察可見，由于撐靴摩擦，輔助油缸撐靴所在高度的尾盾內(nèi)表面光滑明亮，與其他部位褐紅色表面形成鮮明對比。在褐紅色的尾盾鋼板上，存在一道道水平擦痕，頂壁、側壁均是如此，有些擦痕寬大、明顯，許多擦痕上能找到管片混凝土受尾盾鋼板摩擦留下的粉屑。

管片安裝就位主推油缸牽引尾盾時，曾在尾盾內(nèi)觀察到幾塊內(nèi)表面開裂的管片，個別側管片從尾盾內(nèi)拆卸下來運出洞外，如圖5所示(在安裝位置時裂縫沒有這么寬大，在拆管片和外運過程中裂縫變大、變深)。這些管片裂縫是圍巖、尾盾、側管片相互約束以及主推油缸強行牽引尾盾，導致尾盾鋼板擠壓側管片，側管片內(nèi)表面拉應力過大而開裂的典型事例。至于在TBM后配套上發(fā)現(xiàn)裂縫的情況，主要是裂縫發(fā)現(xiàn)時間滯后于裂縫產(chǎn)生時間的緣故。

圖5 尾盾內(nèi)開裂的管片(側面)Fig.5 Side face of cracked segment under shield tail

4 降低或減少管片裂縫的措施

要想避免裂縫的產(chǎn)生，必須避免尾盾鋼板對側管片產(chǎn)生過大的約束壓力。擴大隧洞開挖直徑或尾盾直徑是一個辦法，但這樣做會加大洞室開挖量、增加豆礫石回填量和回填灌漿量，很不經(jīng)濟。除此之外，加強施工環(huán)節(jié)控制，也可降低或減少裂縫的產(chǎn)生。本文提出如下幾點建議:

1)控制好管片外表面平整度。在定制鋼模中澆筑混凝土時，管片外表面中間部位無模板，該部位不抹面時，管片厚度比設計值大，拼裝組環(huán)后管片外側中部超厚的混凝土會減小管片與尾盾之間的間隙，容易引起尾盾鋼板對管片背部的約束壓力，導致管片內(nèi)表面開裂。

2)由于管片配筋率較大，且模具底部的附著式高頻振搗器經(jīng)常出現(xiàn)振幅不足、振時過長等情況，導致管片中部，尤其是外側部位粗骨料偏少、砂漿偏多，管片整體抗彎能力下降。因此，需要對模具振搗系統(tǒng)進行改進，避免上述情況的發(fā)生。

3)TBM在軟弱圍巖中掘進時，應盡量減少班組停機檢修時間，或將檢修工作分在2個不同的時段進行，以便縮短一次性停機時間。本工程原設計TBM尾盾底部結構并無開口，尾盾是由水平分縫的2個半圓鋼板組焊而成的。施工過程中安裝的底管片坐落在尾盾上，當尾盾受主推油缸牽引而前進后，底管片架空向下跌落，導致管片錯臺增大。因此，改進TBM設計，預留尾盾底部鋼板開口，在底管片上設支座，管片環(huán)直接坐落在圍巖上，有效地減小了管片錯臺。但是，隨之而來的負面效果是尾盾剛度下降。如果長時間停機或卡機，圍巖收斂變形過大，可能導致尾盾鋼板變形和縮徑。

4)本工程采用20世紀90年代初制造的掘進機，主機偏差監(jiān)測及主機方向調(diào)整均由人工操作，誤操作和超標情況時有發(fā)生［7］，增大了管片裂縫產(chǎn)生的概率。如果采用自動化監(jiān)控系統(tǒng)，會大大降低管片裂縫的發(fā)生概率。

5)本工程TBM尾盾未設止?jié){刷，充填的豆礫石經(jīng)常流到尾盾與圍巖巖壁之間，導致尾盾轉向不靈。如果設有止?jié){刷，管片裂縫的發(fā)生概率會有所下降。

5 結論與建議

TBM隧洞管片結構設計主要是基于垂直洞軸線的橫向荷載，如圍巖壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、灌漿壓力等。TBM隧洞管片結構設計中沒有考慮掘進過程中產(chǎn)生的平行于洞軸線的縱向作用力，但這些縱向作用力卻很大。如果施工中尾盾與管片、管片與管片之間的相對位置不規(guī)范，這些縱向荷載偏心效應可能會引起應力集中和較大的橫向荷載，導致管片表面裂縫、管片邊角破損、錯臺等質量通病。在TBM掘進施工中，一方面要提高施工人員，尤其是TBM操作員的作業(yè)技能;另一方面要加強TBM設備各部件、管片環(huán)的姿態(tài)監(jiān)控，盡可能避免上述質量通病。

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