李國棟

(中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054)

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海相飽和軟土地層盾構(gòu)管片開裂分析及處治

李國棟

(中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054)

管片是盾構(gòu)法隧道施工中的重要裝配構(gòu)件，影響到隧道施工及后期運營的安全性。文章以寧波軌道交通1號線世紀(jì)大道-海晏北路區(qū)間隧道管片為對象，分析了在海相高流變飽和軟土地層修建盾構(gòu)隧道過程中管片開裂的現(xiàn)象及規(guī)律，并結(jié)合數(shù)值分析揭示了管片開裂部分原因，提出了控制管片開裂的相應(yīng)措施，可為類似地層條件下的盾構(gòu)掘進及管片開裂處治提供參考。

海相飽和軟土；盾構(gòu)隧道；管片開裂；控制措施

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，城市地鐵的修建方興未艾。目前，大部分城市地鐵采用盾構(gòu)法修建，在盾構(gòu)法隧道施工中，管片是主要的裝配構(gòu)件。盾構(gòu)管片承擔(dān)了來自地層的水土壓力，影響到盾構(gòu)隧道的安全施工及運營。同時，在隧道修建過程中管片容易碰到各種問題而開裂。目前，國內(nèi)許多學(xué)者對不同地層盾構(gòu)管片開裂問題進行了大量研究。吳坤[1]等結(jié)合北京地鐵大興線黃—義

區(qū)間盾構(gòu)隧道進行了研究，探討了北京地鐵盾構(gòu)管片的開裂原因，并給出了相應(yīng)的處理措施。徐軍[2]從千斤頂推力、管片環(huán)面平整度、千斤頂撐靴角度、線型擬合程度方面進行了管片開裂機理分析。竺維彬[3]等結(jié)合廣州地鐵鐵二號線市二宮-江南盾構(gòu)區(qū)間隧道分析了廣州地鐵盾構(gòu)管片開裂的原因，并提出了相應(yīng)的控制措施。農(nóng)興中[4]從地質(zhì)原因、注漿、先施工盾構(gòu)管片對后期施工管片影響的角度分析了盾構(gòu)管片開裂原因，并給出了針對性的處治措施。

在修建寧波地鐵的過程中，同樣遇到了管片開裂的情況，本文結(jié)合寧波軌道交通1號線世紀(jì)大道-海晏北路區(qū)間隧道進行了寧波特有海相高流變飽和軟土地層盾構(gòu)管片開裂原因分析，并給出了施工解決措施。

1 工程概況

1.1 水文地質(zhì)概況

擬建場地第四系地層發(fā)育，厚度較大，且層位較穩(wěn)定，從中更新世至全新世地層發(fā)育齊全。主要成因類型有河流相、河湖相及海相等，從老到新是由一套陸相堆積～海陸交替堆積～海相堆積地層組成。

本標(biāo)段區(qū)間穿越的地層主要為②2-1層淤泥，土質(zhì)不均，局部為淤泥質(zhì)粘土，呈流塑狀，高壓縮性，高靈敏度；②2-2淤泥質(zhì)粘土，土質(zhì)不均，局部為淤泥，呈流塑狀，高壓縮性，高靈敏度；③1粉砂，土質(zhì)不均，夾粘性土，局部較多，中壓縮性；③2粉質(zhì)粘土加粉砂，土質(zhì)不均，夾薄層粉砂，局部粉性較重為粘質(zhì)粉土，呈軟塑狀，中壓縮性。

擬建場地沿線地表水豐富，主要水源為奉化江。地下水由淺部土層中的潛水、砂性土中的微承壓水及深部粉(砂)性土層中的承壓水組成，補給來源主要為大氣降水與地表徑流，排泄方式主要以蒸發(fā)方式排泄。

勘察期間實際測得的地下水初見水位埋深為1.2～3.6 m，相對應(yīng)的高程為-1.01～1.52 m；穩(wěn)定水位埋深為0.7～1.95 m，相對應(yīng)的高程為1.13～2.10 m。

1.2 管片設(shè)計概況

文中盾構(gòu)區(qū)間采用的是預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片外徑6 200 mm，內(nèi)徑5 500 mm，寬1 200 mm，厚3 50 mm。每環(huán)管片縱向共16只M30螺栓，環(huán)向共12只M30螺栓。按照隧道埋深不同，管片配筋相應(yīng)有差別，按照隧道埋深不同將管片分為P1、P2、P3三類，即淺埋、中埋、深埋環(huán)，淺埋覆土厚度h≤11m，中埋11m

管片端面環(huán)縫采用凹凸榫槽結(jié)構(gòu)，縱縫采用平面式，襯砌間連接件采用雙頭彎螺栓，連接件采用鋅基鉻酸鹽涂層+抗堿涂層處理。襯砌縱、環(huán)縫防水采用多孔特殊斷面的三元乙丙橡膠彈性密封墊，外側(cè)加貼遇水膨脹止水條，形成雙道防水。為避免管片拼裝時因應(yīng)力集中而破壞，在管片環(huán)縫設(shè)傳力襯墊。管片設(shè)計如圖1所示。

圖1 管片設(shè)計圖

2 管片開裂情況

海福區(qū)間右線部分管片的內(nèi)弧面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查、統(tǒng)計、分析，并結(jié)合具體施工實際、地層及設(shè)計情況，歸納出管片開裂主要表現(xiàn)為三種形式。

2.1 隧道管片凹槽側(cè)內(nèi)弧面環(huán)向開裂

(1)主要是位于背向千斤頂?shù)陌疾蹅?cè)內(nèi)弧面的環(huán)向裂縫。

(2)此種開裂數(shù)量占全部總開裂數(shù)量的95%以上。

(3)盾構(gòu)機姿態(tài)不好、轉(zhuǎn)彎、變坡等情況時開裂嚴(yán)重。

(4)盾構(gòu)機姿態(tài)與管片姿態(tài)相互間有惡化趨勢且超限不嚴(yán)重時，管片90%以上出現(xiàn)在脫出盾尾后1～3環(huán)開裂；當(dāng)盾構(gòu)機姿態(tài)與管片姿態(tài)相互間已經(jīng)惡化且超限嚴(yán)重時，管片位于盾尾內(nèi)開裂和位于盾尾外開裂各占50%。

(5)管片發(fā)生開裂后，初始時縫隙較小，推進幾環(huán)后開縫變大，如圖2所示。

2.2 隧道管片凸榫側(cè)內(nèi)弧面環(huán)向開裂

(1)主要是位于迎向千斤頂?shù)耐归緜?cè)內(nèi)弧面的環(huán)向裂縫。

(2)裂縫主要出現(xiàn)在緩和曲線與圓曲線變化的轉(zhuǎn)彎側(cè)。

(3)裂縫開裂范圍較小。

(4)主要是推進過程中發(fā)生開裂，往往在每環(huán)掘進出0.4m時開裂，如圖3所示。

2.3 隧道管片內(nèi)弧面縱向開裂

(1)主要是位于迎千斤頂側(cè)管片內(nèi)弧面的縱向裂縫。

(2)開裂長度>15cm時，往往伴有滲水現(xiàn)象。

(3)一般在盾構(gòu)機姿態(tài)與管片姿態(tài)相互間已經(jīng)惡化且超限嚴(yán)重時縱向裂縫才出現(xiàn)，如圖4所示。

圖2 隧道管片凹槽側(cè)內(nèi)弧面環(huán)向開裂示例圖

圖3 隧道管片凸榫側(cè)內(nèi)弧面環(huán)向開裂示例圖

圖4 隧道管片內(nèi)弧面縱向開裂示例圖

3 管片開裂原因分析

盾構(gòu)機掘進過程中管片開裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，降低了盾構(gòu)掘進施工的效率、施工及后期運營期間的安全性。為了減少管片開裂，更高效、更安全地修建隧道，本文對寧波海相高流變飽和軟土地層盾構(gòu)掘進過程中管片開裂原因進行了分析。

3.1 盾構(gòu)機掘進姿態(tài)

在寧波地層情況下，盾構(gòu)機掘進土層流塑性大，靈敏性高且地層軟弱無法給盾構(gòu)機提供足夠的約束力，導(dǎo)致盾構(gòu)機在掘進過程中出現(xiàn)一定程度的上浮，使得盾構(gòu)機掘進姿態(tài)與管片姿態(tài)不相吻合。在盾構(gòu)機推進過程中，造成盾構(gòu)機推進油缸千斤頂與管片橫斷面不垂直接觸，產(chǎn)生徑向分力。同時，由于盾尾間隙偏小，盾構(gòu)機盾尾對管片產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致管片出現(xiàn)開裂。

3.2 管片拼裝原因

管片拼裝過程中若出現(xiàn)錯縫或開縫，那么組裝中的管片和已組裝好的管片的角部就可能呈點接觸或線接觸，如圖5所示。這些地方一旦承受千斤頂?shù)膲毫蜁l(fā)生殘缺或開裂，當(dāng)盾構(gòu)機的方向與管片的方向產(chǎn)生差異時，會出現(xiàn)盾構(gòu)機與管片擠壓的現(xiàn)象，導(dǎo)致管片的損傷或變形，管片寬度越大這種現(xiàn)象的發(fā)生率就越高。

圖5 管片間點接觸、管片與盾構(gòu)機擠壓示意圖

3.3 管片自身上浮

管片脫出盾尾過程中因自身上浮時存在錯臺趨向，先拼管片凸榫對新拼管片凹槽產(chǎn)生徑向剪切；當(dāng)盾構(gòu)機油缸千斤頂對后拼管片施加推力進行盾構(gòu)掘進時，先拼管片凹槽側(cè)發(fā)生開裂。

如果在管片拖出盾尾后，同步注漿漿液凝固時間長，管片就會出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。根據(jù)工程情況和施工質(zhì)量，將會產(chǎn)生不同程度上浮，理論上浮最大極限值為8～12cm，連續(xù)推進和加快注漿凝固時間與漿液粘稠度可以減緩管片上浮量。

3.4 千斤頂頂推力作用

由于地層原因，寧波地鐵盾構(gòu)隧道管片受到很大的浮力。在千斤頂頂推力與浮力的共同作用下容易使管片開裂。

根據(jù)管片襯砌在頂推力和浮力作用下的作用性態(tài)，采用ABAQUS對管片結(jié)構(gòu)進行受力分析，研究結(jié)構(gòu)在頂推力和浮力共同作用下裂縫的形成和發(fā)展過程。

研究對象選擇單塊管片結(jié)構(gòu)，選擇典型斷面設(shè)定管片結(jié)構(gòu)所承受的浮力，同時，改變作用在結(jié)構(gòu)上的頂推力，研究不同頂推力作用下管片結(jié)構(gòu)裂縫的形成和發(fā)展，研究結(jié)果為：頂推力45% 時，裂縫寬度達(dá)到3mm；頂推力60% 時，裂縫寬度達(dá)到12mm；頂推力70% 時，裂縫寬度達(dá)到18mm；頂推力80%時，裂縫寬度達(dá)到24mm；頂推力90%時，裂縫寬度達(dá)到30mm；頂推力95% 時，裂縫寬度達(dá)到33mm；頂推力100%時，裂縫寬度達(dá)到36mm。由此可見，管片結(jié)構(gòu)在承受一定浮力作用下，增大頂推力將會導(dǎo)致管片結(jié)構(gòu)裂縫的進一步形成和發(fā)展。由于盾構(gòu)機掘進姿態(tài)調(diào)整的需要，在掘進過程中可能會增大千斤頂上下推力，導(dǎo)致管片開裂增多。因此，在盾構(gòu)機掘進過程中應(yīng)合理選擇千斤頂頂推力，在保證掘進效率的同時減少管片開裂。

4 管片開裂控制措施

在管片出現(xiàn)開裂之后，采取了一系列措施防止后續(xù)施工中管片再次開裂。采取的主要措施如下：

4.1 糾偏施工

糾偏施工應(yīng)先以調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)為主。施工中遵循勤糾、少糾，每環(huán)糾偏量≤5mm，并根據(jù)盾構(gòu)機姿態(tài)、設(shè)計線路、管片點位，制定詳細(xì)的糾偏計劃，為施工過程提供理論依據(jù)。

遇到設(shè)計線路線形發(fā)生變化時，提前參考盾構(gòu)機推進姿態(tài)，制定詳細(xì)計劃，模擬盾構(gòu)后續(xù)掘進，保證不因設(shè)計線路線形的改變，而引起盾構(gòu)機掘進時自身姿態(tài)、管片姿態(tài)與線路線形無法擬合。

4.2 管片拼裝控制

做好管片拼裝選點工作，提高管片拼裝質(zhì)量，避免管片拼裝錯臺現(xiàn)象出現(xiàn)。糾偏過程中，及時調(diào)整管片楔形量，保證每環(huán)管片上超前量控制在60mm，確保糾偏過程中管片與盾構(gòu)機姿態(tài)相互吻合。盾構(gòu)機姿態(tài)正常掘進時嚴(yán)格控制每環(huán)行程差在20mm以內(nèi)。糾偏過程中行程差控制在30mm以內(nèi)，行程差>40mm時，及時進行調(diào)整。

在拼裝管片時將管片向外喇叭趨勢拼，這樣有利于下一環(huán)的拼裝，且不會因為預(yù)留F塊空間不夠，造成鄰接管片破損。

4.3 同步注漿

改善同步注漿漿液強度，控制漿液初凝時間在3～4h以內(nèi)，保證脫出盾尾管片穩(wěn)定性，并在管片拖出盾尾第6環(huán)時，注雙液漿，縮短漿液凝固時間，增加管片在地層中的穩(wěn)定性，防止因管片浮動發(fā)生錯動而造成管片開裂。

4.4 盾構(gòu)機推力控制

盾構(gòu)機推進過程中，調(diào)節(jié)油缸分區(qū)油壓，根據(jù)實際推進情況改變盾構(gòu)機頂推力，在盾構(gòu)機姿態(tài)受控的同時盡量減小盾構(gòu)機頂推力以減少管片開裂。

4.5 管片質(zhì)量控制

采用凹槽處保護層已設(shè)置抗剪鋼筋的管片，提高管片自身抗剪能力，控制管片開裂情況發(fā)生。將原1.5 mm丁腈軟木橡膠墊片增加至3 mm，加強管片凹凸榫槽位置緩沖，預(yù)防管片開裂現(xiàn)象。

5 結(jié)語

本文結(jié)合工程實際，對寧波海相高流變飽和軟土地層盾構(gòu)隧道管片開裂現(xiàn)象進行分析，得出了管片開裂的原因，并據(jù)此進行施工方法的改善。最終，控制住了管片開裂。

針對施工過程中出現(xiàn)的管片開裂等情況，本文分析認(rèn)為，管片開裂主要與管片上浮、盾構(gòu)機上浮造成管片受力的變化有關(guān)。由于管片上浮情況嚴(yán)重，導(dǎo)致管片拼裝過程中或拼裝完成后受到徑向分力，同時管片還受千斤頂反推力的徑向分力。為了避免管片出現(xiàn)開裂等情況，研究認(rèn)為施工過程中可以通過采取糾偏施工、管片拼裝控制、同步注漿、盾構(gòu)機推力控制、管片質(zhì)量控制等方法進行控制調(diào)整。

[1]吳 坤，欒文偉.盾構(gòu)法施工中隧道管片開裂原因分析及應(yīng)對措施[J].市政技術(shù)，2011(2)：93-95.

[2]徐 軍.盾構(gòu)管片開裂原因分析及應(yīng)對措施[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009(13)：184-186.

[3]竺維彬，鞠世健.盾構(gòu)隧道管片開裂的原因及相應(yīng)對策[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003(1)：21-25.

[4]農(nóng)興中.盾構(gòu)隧道開裂管片計算分析與加固設(shè)計[J].城市軌道交通研究，2011(4)：29-33.

Shield Tube-sheet Cracking Analysis and Treatment of Marine Saturated Soft Soil Layer

LI Guo-dong

(China Railway First Group Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi，710054)

Tube sheet is the important assembly component for tunnel construction by shield method，af-fecting the safety of tunnel construction and subsequent operation.Taking the tunnel tube sheet in Centu-ry Avenue-Haiyan North Road range of Ningbo Rail Transit Line 1 as the object，this article analyzed the tube sheet cracking phenomena and laws during shield tunnel construction in marine high-flow saturated soft soil layer，revealed some reasons of tube sheet cracking in combination with numerical analysis，and proposed the appropriate measures to control the tube sheet cracking，which can provide the ref-erence for the shield tunneling and tube sheet cracking treatment under similar stratum conditions.

Marine saturated soft soil；Shield tunnel；Tube sheet cracking；Control measures

李國棟(1986—)，男，助理工程師，主要從事地鐵土建施工工作。

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A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.010

1673-4874(2015)01-0043-04

2014-12-05