王小健

（成都地鐵有限責(zé)任公司　四川省　成都市　610041）

地鐵盾構(gòu)管片質(zhì)量成因分析及防止措施

王小健

（成都地鐵有限責(zé)任公司四川省成都市610041）

本文主要通過對(duì)膨脹性泥巖地層中盾構(gòu)掘進(jìn)出現(xiàn)的隧道質(zhì)量問題進(jìn)行深入分析，總結(jié)出造成管片質(zhì)量問題的主要影響因素并如何控制管片上浮和盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)問題提出一些建議方案，為類似地層盾構(gòu)施工的質(zhì)量控制提供借鑒。

成型盾構(gòu)隧道；管片質(zhì)量缺陷；預(yù)防措施

1　工程概況

1.1工程概況

成都地鐵1號(hào)線南延線盾構(gòu)隧道工程起始于科技園盾構(gòu)始發(fā)井，止于廣都北站西端頭，本工程包括：科技園站～錦江站～華陽(yáng)北站～華陽(yáng)站～廣都北站4個(gè)盾構(gòu)區(qū)間。

1.2地質(zhì)情況

錦華區(qū)間左右線隧道地質(zhì)情況見表1～2。

表1　錦華區(qū)間已掘進(jìn)隧道線路平面概況表

表2　錦華區(qū)間已掘進(jìn)隧道線路縱斷面概況表

1.3錦華區(qū)間水文情況

1.3.1地下水類型

下穿段地下水主要有四種類型：①賦存于粘土層之上的上層滯水；②賦存于粘土中的裂隙水；③第四系孔隙水；④基巖裂隙水。

隧道洞身范圍主要處于第四系孔隙水與基巖裂隙水。

1.3.2土層的水文特性

（1）雜填土①：分布于地表，滲透系數(shù)差異較大。

（2）粘土②3：為弱透水層，富水性較差，位于地下水位以上，根據(jù)成都地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，滲透系數(shù)k=0.01m/d。

（3）粉質(zhì)粘土③3：為弱透水層，富水性較差，位于地下水位以上，根據(jù)成都地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，滲透系數(shù)k=0.02m/d。

（4）粉土④：為弱透水層，富水性較差，位于地下水位以上，根據(jù)成都地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，滲透系數(shù)k=0.5m/d。

（5）細(xì)砂層⑤2：為中等透水層，呈透鏡狀分布，根據(jù)成都地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，滲透系數(shù)k=8.0m/d，富水性較好。

（6）卵石土層（⑥2、⑥4）：廣泛分布，滲透系數(shù)k=25.0m/d，為強(qiáng)透水層，富水性好。

（7）強(qiáng)風(fēng)化泥巖⑦1：廣泛分布，為弱透水層，富水性差，根據(jù)成都地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，滲透系數(shù)k=0.2m/d。

（8）中風(fēng)化泥巖⑦2：廣泛分布，為中等透水層，富水性差，局部裂隙發(fā)育，根據(jù)成都地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，滲透系數(shù)k=0.2m/d。

據(jù)水文實(shí)驗(yàn)資料可知，⑦1、⑦2地層滲透系數(shù)K為0.2m/d，均屬弱透水層。區(qū)間隧道大部分位于該中等風(fēng)化泥巖中，受地下水影響較小。

2　錯(cuò)臺(tái)破損統(tǒng)計(jì)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，錦江站～華陽(yáng)北站盾構(gòu)區(qū)間左線隧道已掘進(jìn)374環(huán)，其中64環(huán)管片破損，破損率為17%，7環(huán)管片錯(cuò)臺(tái)大于20mm。右線隧道已掘進(jìn)199環(huán)，其中48環(huán)管片破損，破損率為24%，6環(huán)管片錯(cuò)臺(tái)大于20mm。

由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，管片破損部位主要集中在為11點(diǎn)、12點(diǎn)、1點(diǎn)時(shí)鐘點(diǎn)位管片螺栓孔位置。

3　原因分析

3.1管片上浮

圖1　線168環(huán)～196環(huán)管片上浮曲線圖

由圖1可以看出，區(qū)間管片普遍存在上浮現(xiàn)象，管片脫出盾尾后的最大上浮量達(dá)到78mm，管片上浮近一步加大了管片法面與盾構(gòu)掘進(jìn)方向的夾角，導(dǎo)致管片破損。產(chǎn)生管片上浮主要有以下原因：

（1）通過計(jì)算管片脫離盾尾后4環(huán)管片，同步注漿漿液對(duì)管片的浮力遠(yuǎn)大于管片自身重力，又因?yàn)橥阶{采用初凝時(shí)間為6～8h的砂漿，因此使管片有足夠的上浮時(shí)間。

（2）同步注漿不飽滿，管片存在上浮空間

目前盾構(gòu)使用的39#、40#刀具尺寸為18寸，開挖面理論直徑為6305mm，刀盤面板直徑為6280mm，盾構(gòu)前盾外徑6250mm，盾尾外徑6230mm，盾構(gòu)機(jī)與開挖面存在一定的空隙，同步注漿時(shí)，漿液通過空隙竄向刀盤前方。導(dǎo)致同步注漿不飽滿，使管片外側(cè)與土層之間的間隙沒有及時(shí)有效地充填。

圖2　盾構(gòu)機(jī)刀盤分布圖

（3）盾構(gòu)機(jī)千斤頂分力大

目前盾構(gòu)處在26‰縱坡段掘進(jìn)，千斤頂?shù)耐屏Ψ较蚺c管片的環(huán)向軸力不平行時(shí)，千斤頂向上的分力加劇管片的上浮。

綜合以上三點(diǎn)，管片上浮量較大，是導(dǎo)致管片錯(cuò)臺(tái)、破損大的重要原因之一。

3.2盾構(gòu)機(jī)推力不足

前期盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)總推力較小，僅有900t左右，作用于管片上的反力相應(yīng)較小，管片與管片之間的擠壓力不夠，導(dǎo)致管片接縫不嚴(yán)。管片上浮時(shí)，環(huán)向螺栓由垂直方向變傾斜，造成管片產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)，從而出現(xiàn)螺栓孔部位的破損以及裂縫、滲水。

3.3盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不佳

（1）根據(jù)前期掘進(jìn)施工總結(jié)，如果盾構(gòu)機(jī)中前盾成直線掘進(jìn)，盾首將會(huì)發(fā)生磕頭現(xiàn)象，為避免此情況的發(fā)生，我部一直采用盾構(gòu)機(jī)抬頭向前掘進(jìn)，方可保持盾構(gòu)機(jī)以較為平衡的狀態(tài)掘進(jìn)。采取此措施后，推進(jìn)千斤頂油缸上下壓力差在100～120bar，鉸接油缸上下行程差在80～100mm，使盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)“V”字型掘進(jìn)。

（2）由于管片脫出盾尾后的上浮量較大，管片上浮時(shí)對(duì)盾尾有向上的頂力，使盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)更加明顯的“V”字型掘進(jìn)，實(shí)際施工中上部盾尾間隙基本在35～40mm之間，管片在未脫出盾尾前始終受到盾尾擠壓變形，脫出盾尾后約束力消失，掘進(jìn)過程中管片又受到盾尾的拖拉，加劇了管片破損。

4　預(yù)防措施

4.1防止管片上浮措施

（1）調(diào)整同步注漿漿液配合比。將每方漿液水泥用量調(diào)整為180kg，砂用量調(diào)整為800kg，增大漿液的粘稠度，加大同步漿液的密度，將同步漿液初凝時(shí)間為3～4h，注漿量控制每環(huán)6.5方以上，注漿壓力控制在2.0～2.5ar。另外每隔兩環(huán)對(duì)管片頂部注漿孔位置開孔，檢查同步漿液的注入情況、觀察初凝時(shí)間，結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整漿液。

（2）在目前已經(jīng)掘進(jìn)脫出盾尾后的3～4環(huán)進(jìn)行整環(huán)二次注漿，形成止水環(huán)箍，阻止后方地下水向前方流動(dòng)。

（3）施工中加強(qiáng)二次注漿控制，在管片脫出盾尾第3環(huán)，每隔5環(huán)進(jìn)行二次注漿，形成止水環(huán)，控制管片上浮。二次注漿漿液為水泥漿和水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為1：1，水玻璃與水按1：1稀釋，注入時(shí)漿液與水玻璃體積比為：水泥漿：水玻璃=4：1，初凝時(shí)間為20s，注漿壓力控制在0.2～0.4MPa，二次注漿時(shí)以壓力控制為主。

（4）管片螺栓要求擰緊，并嚴(yán)格執(zhí)行三次復(fù)緊，使得脫出盾尾的管片成為一個(gè)整體，減少管片錯(cuò)臺(tái)。

（5）加強(qiáng)拼裝完成的管片姿態(tài)測(cè)量，做好拼裝過程控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題并處理。

（6）根據(jù)前方線路及地層情況，并結(jié)合實(shí)測(cè)盾尾間隙、超前量預(yù)測(cè)管片趨勢(shì)，做好管片選型。

4.2優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)

根據(jù)地層及線路變化，實(shí)時(shí)調(diào)整、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，建立土壓平衡模式掘進(jìn)。實(shí)際掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制應(yīng)做到，勤糾、緩糾，通過千斤頂分組控制、鉸接靈活運(yùn)用等方式，在隧道軸線控制在設(shè)計(jì)允許偏差范圍內(nèi)前提下，使盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)軌跡保持平順，避免盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)突變。

（1）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整與糾偏應(yīng)掌握下面幾個(gè)原則：

①盾尾間隙控制為主，線型控制為輔；

②掘進(jìn)過程中一次糾偏量不能過大，每環(huán)糾偏量控制在4mm以內(nèi)，防止糾偏量過大造成盾尾間隙過小。

③掘進(jìn)過程中，推進(jìn)油缸各區(qū)力差不能過大，尤其是上下油缸壓力差，當(dāng)總推力不足時(shí)適當(dāng)加大左右推進(jìn)油缸壓力。

（2）試掘進(jìn)時(shí)，逐漸增大盾構(gòu)機(jī)推力。逐步將盾構(gòu)機(jī)推力增加到1100t～1200t，土壓增高到1.2～1.3bar，掘進(jìn)速度控制在30～ 40mm/min。

（3）對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具進(jìn)行了更換，將39#、40#18寸刀具更換為17寸刀具，減小盾構(gòu)對(duì)土體的超挖量，從而防止管片拼裝時(shí)盾首姿態(tài)向下突變10mm左右。減小掘進(jìn)過程中盾首姿態(tài)向上糾偏，避免盾構(gòu)機(jī)成“V”字型。

（4）推進(jìn)油缸行程控制在1800mm以內(nèi)，有益于盾構(gòu)糾偏過程中的盾尾間隙量測(cè)和控制。

4.3規(guī)范管片拼裝行為

（1）管片拼裝前必須清理盾尾拼裝部位的污泥與污水，并清理干凈前一環(huán)管片迎水面與盾尾間隙中的雜物，在盾尾無雜物、無積水的情況下才能開始拼裝管片。

（2）管片拼裝應(yīng)遵循由下至上、左右交叉、最后封頂?shù)捻樞?，必須運(yùn)用管片安裝微調(diào)裝置，將待裝的管片塊與已安裝管片塊的內(nèi)弧面調(diào)整到平順相接，螺栓孔位置對(duì)正，螺栓穿插容易。

（3）盾構(gòu)拼裝時(shí)，千斤頂不得全部縮回，拼裝完成后及時(shí)頂出千斤頂，使之頂緊管片。

（4）管片拼裝時(shí)，操作人員應(yīng)認(rèn)真操作，拼裝機(jī)動(dòng)作應(yīng)平緩，避免撞擊已拼裝管片。

（5）封頂塊安裝前實(shí)測(cè)并確保兩鄰接塊間間距，安裝止水條前涂抹潤(rùn)滑劑，安裝時(shí)先徑向插入，調(diào)整位置后緩慢縱向頂推，嚴(yán)禁借用推進(jìn)千斤頂強(qiáng)行頂推。

（6）管片拼裝過程中，必須嚴(yán)格控制管片拼裝的垂直度、橢圓度及螺栓的擰緊力矩，避免出現(xiàn)橫、豎鴨蛋，管片內(nèi)翻、外翻等現(xiàn)象。

5　總結(jié)

通過對(duì)錦～華盾構(gòu)區(qū)間管片破損原因分析，可以看出在膨脹性泥巖地層中盾構(gòu)施工，由于管片上浮造成頂部盾尾間隙變小，是造成管片上部1點(diǎn)、11點(diǎn)破損的主要原因。管片姿態(tài)控制不當(dāng)也是一個(gè)原因，由于盾構(gòu)糾偏過程中，管片姿態(tài)不能跟上盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，造成管片與盾體之間存在夾角，造成管片受力不均，以及有效推力降低。通過原因查找可以總結(jié)出在同類地層盾構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)管理，控制開挖直徑，加強(qiáng)同步注漿，規(guī)范管片拼裝質(zhì)量，采取有效措施控制管片上浮。

U455.43

A

1673-0038（2015）12-0223-03

2015-3-5

王小?。?976-），男，工程師，從事地鐵工程質(zhì)量管理和工程驗(yàn)收工作。