趙勇，魯藍(lán)

（1.恩施自治州華泰交通建設(shè)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(jì)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(jì)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(yīng)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(jié)構(gòu)病害防治研究備受關(guān)注。由于各種原因，隧道襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fēng)險

1.1 漏漿風(fēng)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?fù)翆又械乃趾湍嗌埃瑢?dǎo)致原有壓力發(fā)生變化，嚴(yán)重時可引發(fā)土體坍塌、地面陷落的風(fēng)險。

1.2 栽頭風(fēng)險

當(dāng)頂管機(jī)在施工作業(yè)時，機(jī)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(dān)，此時操作環(huán)境相對穩(wěn)定，不會造成太大的技術(shù)操作問題。而當(dāng)頂管機(jī)進(jìn)入一段距離后，機(jī)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(jìn)而導(dǎo)致機(jī)身頭部下沉、機(jī)尾部上翹的問題，即栽頭風(fēng)險。

1.3 頂管機(jī)回縮風(fēng)險

頂管機(jī)回縮風(fēng)險的原因在于頂管機(jī)在初始工作階段，機(jī)身未完全進(jìn)入土層，進(jìn)而導(dǎo)致與土層之間的摩擦力減少。

技術(shù)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(dǎo)致頂管機(jī)向井內(nèi)回縮，進(jìn)而引起掌子面土體坍塌，影響隧道大斷面施工技術(shù)的提高。

1.4 頂管機(jī)扭轉(zhuǎn)風(fēng)險

在隧道大斷面矩形頂管施工中，頂管機(jī)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(jī)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(yīng)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(jié)構(gòu)形成的拱面較大，底板受屏蔽結(jié)構(gòu)支撐，土層變形較大。

第二，道路車輛較多，動力負(fù)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(yīng)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(hù)層發(fā)揮著減摩作用，“背土效應(yīng)”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(dǎo)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(dǎo)致上部管道隧道軸線偏移。

第三，包裝機(jī)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(yán)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(jìn)行修補(bǔ)。

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(hù)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(yīng)力集中而超出混凝土的承受能力。此外，材料的選擇、設(shè)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(qiáng)度不足或混凝土的養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)惹闆r，易導(dǎo)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(dǎo)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?。例如，在圍巖不完整、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(jìn)而導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致收縮應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)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(dāng)混凝土澆筑過程中未能及時地振搗和養(yǎng)護(hù)，在干燥通風(fēng)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(hù)等環(huán)節(jié)有關(guān)。若混凝土的振搗不均勻或養(yǎng)護(hù)不到位，易導(dǎo)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(hù)，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(fēng)速等環(huán)境因素也會對混凝土的養(yǎng)護(hù)造成影響，進(jìn)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(qiáng)混凝土配合比設(shè)計

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

同時，在配合比設(shè)計中應(yīng)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(shè)計更加科學(xué)合理。由此，可以有效預(yù)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(qiáng)養(yǎng)護(hù)管理

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

因此，施工后應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行嚴(yán)格養(yǎng)護(hù)管理，保證混凝土養(yǎng)護(hù)充分。養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)注意混凝土加強(qiáng)通風(fēng)、控制濕度、避免凍融等因素的養(yǎng)護(hù)管理，只有充分加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)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(qiáng)施工過程管理

加強(qiáng)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(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)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(yīng)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(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控

加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控是預(yù)防隧道襯砌混凝土施工病害的關(guān)鍵措施之一。在施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求加強(qiáng)施工質(zhì)量監(jiān)控，監(jiān)測混凝土的澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)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(jié)不良等。

同時，檢測混凝土的強(qiáng)度、密度、抗?jié)B性等指標(biāo)，以確保施工質(zhì)量符合設(shè)計要求，為預(yù)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(jìn)施工技術(shù)發(fā)展趨勢

對于頂部管段，矩形管變?yōu)榇笮凸芏?。目前，矩形管的最大斷面積已達(dá)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(shè)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(jìn)距離為230m。伴隨著遠(yuǎn)距離高精度測量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，通風(fēng)系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，排渣系統(tǒng)的發(fā)展，刀盤切削系統(tǒng)、推進(jìn)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(dǎo)向系統(tǒng)技術(shù)的不斷改進(jìn)，頂進(jìn)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(fù)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(shè)施更廣泛、施工風(fēng)險更高。尤其在堅硬巖石、復(fù)合地層、高水壓、穿越河段等特殊情況，施工風(fēng)險時有發(fā)生，矩形頂管法的設(shè)計將適應(yīng)日益復(fù)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(dá)到4m，預(yù)計今后將有重大突破。

對于頂進(jìn)設(shè)備（見圖2），矩形頂管設(shè)備的發(fā)展方向：一是大跨度地下空間的建設(shè)，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(shù)；三是不斷解決巖層各段開挖破碎技術(shù)，開發(fā)適用于復(fù)合層的頂管設(shè)備[2]。

圖2 矩形頂管機(jī)

6 結(jié)論

綜上所述，得出以下結(jié)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(yù)防措施，有主次地分析導(dǎo)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(jié)、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(yīng)加強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計、養(yǎng)護(hù)管理、施工過程管理和質(zhì)量監(jiān)控，以預(yù)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(jié)合理論和實踐，根據(jù)具體情況靈活應(yīng)用，以保證施工質(zhì)量和工程安全。

第三，矩形頂管技術(shù)基于圓形管道技術(shù)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(yīng)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(jìn)距離、線形限制等問題。當(dāng)前矩形頂管施工技術(shù)在理論研究、設(shè)備開發(fā)、施工技術(shù)和質(zhì)量管理等方面已經(jīng)成熟，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系正在逐步完善。今后，矩形頂管技術(shù)將繼續(xù)在長距離和大斷面上發(fā)展，隨著復(fù)雜環(huán)境和機(jī)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。