[論文]盾構(gòu)工法管片常見問題及原因分析

1、第 頁盾構(gòu)工法管片常見問題分析摘要：本文就土壓平衡時盾構(gòu)工法中存在的管片問題及其產(chǎn)生的原因進行了分析，并相應(yīng)地提出了一些措施。關(guān)鍵詞：管片錯臺 管片滲漏 管片上浮 管片下沉前言 盾構(gòu)工法隧道掘進過程中，管片的問題直接影響著成型隧道的外觀和質(zhì)量。本文結(jié)合了合肥市TJ11標工程實例，就盾構(gòu)工法中常見的管片問題進行了分析，并提出一些相應(yīng)的防治措施。2、工程概況 合肥市軌道交通2號線土建TJ11標段包含2站2區(qū)間：石蓮北路站、創(chuàng)新大道站、石蓮北路站創(chuàng)新大道站區(qū)間、創(chuàng)新大道站振興路站區(qū)間。石蓮北路站、創(chuàng)新大道站與其附屬基坑采用明挖順作法施工；石蓮北路站創(chuàng)新大道站區(qū)間、創(chuàng)新大道站振興路站區(qū)間均采用盾構(gòu)法進

2、行施工。TJ11標區(qū)間線路總平面圖2-12.1區(qū)間工程概況 （1）石蓮北路站創(chuàng)新大道站區(qū)間石蓮北路站創(chuàng)新大道站區(qū)間自長江西路石蓮北路路口，沿長江西路向東敷設(shè)，在長江西路創(chuàng)新大道站路口進入創(chuàng)新大道站。本工程位于合肥市主干道長江西路，兩側(cè)以七層以下多層建筑為主，本區(qū)間內(nèi)無高層建筑。長江西路為雙向八車道，寬度約45m，是合肥市東西方向主要通道之一，車流量大。路兩側(cè)有各類管線，埋深一般小于4m。區(qū)間起訖里程：右線YSK14+548.641YSK15+199.947，全長651.306m；左線ZSK14+548.641ZSK15+199.947，全長651.306m。本段共計有2段平面曲線，曲線半徑均為

3、2500m，線間距12m15m。區(qū)間內(nèi)無間斷。區(qū)間在YSK14+874設(shè)聯(lián)絡(luò)通道。區(qū)間線路由不同坡率的單面上坡組成，線路隨里程增加方向上升。從石蓮北路站東站線分界起，由西向東線路縱斷面組成為21.4m長2上坡，280m長7.951上坡，320m長15第 頁上坡，30m長2上坡。區(qū)間埋深：隧道頂部埋深9.511.1m。 （2）創(chuàng)新大道站振興路站區(qū)間創(chuàng)新大道站振興路站區(qū)間主要沿長江西路敷設(shè)。區(qū)間起訖里程：右線YSK15+477.447YSK16+727.776，全長1250.329m；左線ZSK15+477.447ZSK16+727.776，長鏈0.231m，全長1250.560m。區(qū)間埋深9.6

4、23.2m。在區(qū)間YSK15+899.5和YSK16+330處設(shè)聯(lián)絡(luò)通道。本段區(qū)間共計有4段平面曲線，曲線半徑分別為3000m、1000m、1000m、1000m，線間距從13m變化到17m。區(qū)間線路大體呈“V”字坡，創(chuàng)新大道站后向東2上坡，后以790.00m長19.408下坡至最低點，再以380.00m長20上坡，轉(zhuǎn)以2下坡至振興路站。隧道頂部埋深為9.621.5m。本區(qū)間先后側(cè)穿合淮阜高速公路匝道立交橋橋樁，下穿合淮阜高速公路（側(cè)穿跨高速路橋樁），下穿蜀山干渠。2.2地質(zhì)狀況2.2.1石蓮北路站創(chuàng)新大道站區(qū)間(1)本段區(qū)間主要穿越: 粘土(XQ3),全風化泥質(zhì)砂巖（K2Z),強風化泥質(zhì)砂巖

5、（K2Z),中等風化泥質(zhì)砂巖。各土層主要物理力學性能如下： 各土層主要物理力學參數(shù)值 表2.2.1-1地層代號巖土名稱土的狀態(tài)重度抗剪強度（固結(jié)剪切）壓縮模量滲透系數(shù)承載力特征值鉆、沖孔樁側(cè)土極限側(cè)壓力樁端土極限端阻力標準值qsk凝聚力內(nèi)摩擦角rCfES0.10.2Kfakqsik1011515130301KN/m3kPa。MPam/dkPakPakPakPakPa黏土硬塑19.3048179.00.0052009095010001200全風化泥質(zhì)砂巖硬塑至堅硬19.90301525.00.005300100140014001400強風化泥質(zhì)砂巖21.000.34001801800180018

6、00中風化泥質(zhì)砂巖22.900.016003003000300030002.2.2創(chuàng)新大道站振興路站區(qū)間區(qū)間隧道主要穿越黏土、殘積粉質(zhì)黏土、全風化泥質(zhì)砂巖、強風化泥質(zhì)砂巖、中風化泥質(zhì)砂巖。各土層主要力學性能如下： 各土層主要物理力學參數(shù)值 表2.2.1-2地層代號巖土名稱重度土粒比重天然含水量孔隙比無側(cè)限抗壓強度凝聚力內(nèi)摩擦角壓縮模量彈性模量泊松比靜止側(cè)壓系數(shù)基床系數(shù)（Mpa/m）滲透系數(shù)承載力特征值GswequCEs0.1-0.2E水平垂直KfakKN/m3%kPakPa。MPaMPaKhKvm/dkPa黏土19.62.7324.30.7351205016100.310.4545400.00

7、5200殘積粉質(zhì)黏土19.72.7219.90.679140321790.30.4350450.005180全風化泥質(zhì)砂巖19.92.721.30.6861603318250.290.450450.005300強風化泥質(zhì)砂巖21.28000.220.281401200.3400中風化泥質(zhì)砂巖22.816002202000.01600 1)不良地質(zhì) 擬建工點氛圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象 2)特殊巖土 區(qū)內(nèi)特殊巖土主要為人工填筑土，膨脹土，風化巖。 (1)人工填筑土 雜色，灰黃色，主要為素填粘性土，松散，稍濕，稍經(jīng)壓實，局部見砂及碎石塊。表層0.00.2m為瀝青路面，0.22.0m為碎石，黏土墊層。層

8、厚0.10m9.30m,對區(qū)間隧道基本無影響。 (2)膨脹土 擬建場地分布的第四系更新統(tǒng)下蜀組、層具有弱膨脹潛勢。 膨脹土具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形性能，在荷重作用下仍能浸水膨脹，產(chǎn)生膨脹壓力，同時膨脹土還具有脹縮變形的可逆性，在吸水膨脹、失水收縮后，有再吸水再膨脹，再失水再收縮的特性，在膨脹力及其反復(fù)脹縮變形條件下，易造成建筑物結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂。根據(jù)合肥市軌道交通2號線工程地質(zhì)災(zāi)害危險性評估報告（安徽省地質(zhì)調(diào)查院，2010年01月），合肥地區(qū)大氣影響急劇深度為1.44m，大氣影響深度為3.20m。(3)風化巖 場地內(nèi)基巖全風化帶廣泛分布，厚度變化較大。土狀全風化巖均勻性較差，具有遇水軟化

9、特點，強風化及中等風化巖具暴露時間長易開裂，泡水易軟化等特點。2.3水文地質(zhì)條件 （1）地下水主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水第四系孔隙水主要賦存于黏土層中，以潛水為主，以上層滯水為主，黏土層在區(qū)間較廣泛分布，總厚度大，埋深淺，成層性較好，含水量較小，粘性土滲水性和富水性均較弱，勘察期間（2013年4月至7月）地下穩(wěn)定水位埋深1.605.80m,地下水位標高一般在47.0453.60m，單井涌水量一般小于10m3/d，年水位變化幅度約35m?；鶐r裂隙水主要賦存于巖石強、中等風化帶中?；鶐r的含水性、透水性受巖體的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、裂隙發(fā)育程度等的控制，由于巖體的各向異性，加之局部巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，

10、導(dǎo)致巖體富水程度與滲透性也不盡相同。巖體的節(jié)理。裂隙發(fā)育地帶，地下水相對富集，透水性也相對較好。 段內(nèi)主要為泥質(zhì)砂巖，局部夾泥巖，富水性較差，透水性弱，基巖裂隙水總體貧乏，單井涌水量一般50100m3/d。 （2）地下水的補給、徑流、排泄及動態(tài)特征場址第四系孔隙水主要受大氣降水補給，基巖裂隙水主要有大氣降水及空隙水補給。地下水的徑流形式主要為孔隙間滲流。黏土層透水性微、富水性差，連通性差，基巖強風化層孔隙大，連通性較好，因此，地下水途徑一般，地下水滲流方向為水頭相對較高處流向水頭相對較低處，區(qū)內(nèi)地勢東高西低，道路坡度明顯地形平坦，地面高程一般為52.057.5m，地下水徑流方向大體為由東向西。

11、 （3）水的腐蝕性根據(jù)巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001) (2009版），按I類環(huán)境類型及B類地層滲透性判定，水質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕等級為微；對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕等級為微。本標段區(qū)間勘察的環(huán)境類別及其作用等級劃分執(zhí)行國家標準混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范（GB/T50476-2008)。根據(jù)水位觀察資料以及結(jié)構(gòu)埋深和水位關(guān)系，該工程環(huán)境條件特征為干濕交替環(huán)境，一般環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境作用等級為1-C。3、管片常見問題分析3.1、管片錯臺 管片錯臺指的是管片拼裝后同一環(huán)相鄰塊管片間或者不同環(huán)管片之間的尺寸偏差，前者稱環(huán)向錯臺，后者稱縱向錯臺。管片錯臺產(chǎn)生的原因主要有： (1)拼裝作

12、業(yè)不規(guī)范管片拼裝是控制管片錯臺至關(guān)重要的工序，拼裝作業(yè)的不規(guī)范也將直接影響管片成環(huán)后的質(zhì)量。管片拼裝前未將盾尾的雜物清除干凈；管片拼裝未按照“先下后上，左右交叉，縱向插入，封頂成環(huán)”的原則操作；拼裝時管片位置調(diào)試不到位；管片螺栓未及時上緊或復(fù)緊等不規(guī)范的操作都是引起管片錯臺的重要原因。 (2)注漿控制不合理 盾構(gòu)掘進過程中不斷的在調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)，導(dǎo)致盾構(gòu)機實際前進路線與設(shè)計軸線有一些偏差，盾構(gòu)機“蛇形”前進，增加了管片與周圍土體之間的環(huán)形建筑空隙，在施工中一般采用同步注漿來填充。同步漿液的注入既能抑制地層的沉降，同時又能起到固定管片和加強隧道防水的作用。但如若注漿控制不合理，也可能引發(fā)一些問題

13、：如同步漿液凝固時間較長，管片脫出盾尾后漿液可能仍處于未凝固狀態(tài)，管片在漿液的浮力作用下可能產(chǎn)生上浮的趨勢引起錯臺；注漿壓力過大時，也容易對管片造成擠壓引起錯臺甚至管片破損。以本工程為例：在本工程中，盾構(gòu)開挖外徑為6280mm, 管片外徑為6000mm，單環(huán)管片長度為1.5m，厚度為0.3m。理論同步注漿量為。其中：D1理論掘削半徑；D2管片外徑；m行程長度則每推進一環(huán)的建筑空隙為：1.5（6.28262）/44m3。注漿量取理論值的1.21.5倍，可算得每推進一環(huán)同步注漿量為4.8m36m3。同步漿液浮力F=*g*v=1825*10*（*32*1.5）=774KN。 管片自重G=*V=25*

14、（*32*2.72）=201.5KN。其中管片為鋼筋混凝土，自重=25KN/m3。同步漿液密度取=1825Kg/m3。管片在脫離盾尾后收到的力還有：相鄰環(huán)管片之間螺栓的約束力、推進油缸撐靴提供的豎向摩擦力，而這兩個力之和不會超過同步漿液浮力與管片自重之差。由此可以看出，若管片脫出盾尾后同步漿液仍未凝固時，管片會受到同步漿液的浮力而產(chǎn)生上浮趨勢。 (3)盾構(gòu)機姿態(tài)控制不到位 盾構(gòu)姿態(tài)的控制直接影響盾尾間隙的大小。若掘進時姿態(tài)控制不好，容易導(dǎo)致盾尾間隙過小，可能造成管片脫出盾尾時受盾尾擠壓產(chǎn)生錯臺；嚴重時可能導(dǎo)致管片破損、尾刷損壞等情況。3.2、管片滲漏 管片滲漏產(chǎn)生的原因有： (1)管片自身問題

15、 管片在制作和養(yǎng)護過程中都可能使自身出現(xiàn)質(zhì)量問題，如裂縫等。 (2)管片壁后注漿 注漿是隧道的第一道防水，同步注漿不飽滿，直接影響防水的效果。 (3)防水材料 管片在使用前需要粘貼防水材料，防水材料粘貼不嚴密時容易導(dǎo)致管片接縫漏水。 (4)施工過程中產(chǎn)生的問題 由于掘進時盾構(gòu)機姿態(tài)控制不夠好及管片拼裝時操作不規(guī)范，相鄰管片之間的止水條貼合不嚴密，從而導(dǎo)致管片滲漏；掘進行程不足時，可能導(dǎo)致封頂塊拼裝困難，止水條損壞而引起漏水；掘進時推力過大，管片崩裂導(dǎo)致漏水。3.3、管片上浮 (1)土方超挖 在掘進過程中，盾構(gòu)機中心線與隧道設(shè)計軸線始終存在一定的偏差，掘進過程中時時都在調(diào)整盾構(gòu)機的姿態(tài)，因此盾構(gòu)

16、機實際的行走路線應(yīng)該是“蛇形”；當盾構(gòu)機刀盤位于幾種不同地層的交界面時，可能產(chǎn)生“爬坡”和“磕頭”現(xiàn)象，導(dǎo)致管片外的實際建筑空間比理論值大，為管片上浮提供了條件。 (2)盾構(gòu)機千斤頂推力的影響 在掘進時對盾構(gòu)機姿態(tài)的調(diào)整都是通過調(diào)節(jié)各組油缸的推力來實現(xiàn)的，當千斤頂撐靴與管片貼合不平整時，千斤頂將對管片產(chǎn)生一個分力，尤其時下坡段，當坡度較大時，底部油缸的推力將對管片產(chǎn)生一個較大的向上的分力，導(dǎo)致管片上浮。 (3)漿液的影響 同步漿液的初凝時間過長，導(dǎo)致管片在脫出盾尾時漿液仍未凝固，管片收到的浮力大于管片的自重導(dǎo)致上浮。3.4、管片下沉 (1)注漿量的影響 同步漿液不飽滿時，管片外存在較大的建筑空

17、間，導(dǎo)致管片下沉 (2)拼裝中產(chǎn)生的問題 在拼裝過程中，管片位置調(diào)試不當及管片螺栓未及時復(fù)緊，導(dǎo)致管片在脫出盾尾后產(chǎn)生下沉趨勢。管片常見問題的防治措施4.1、減少錯臺的措施4.1.1 規(guī)范管片拼裝操作 (1)管片拼裝作業(yè)前徹底清理盾尾雜物，如有漏漿漏水現(xiàn)象必須補打盾尾油脂堵漏，并清洗漏出的漿液，在確保盾尾無雜物的情況下進行拼裝。 (2)利用盾構(gòu)機的升降千斤頂把管片吊人，再利用滑動千斤頂進行軸向移動，伸出支護千斤頂進行管片位置的矯正。 （3）管片拼裝應(yīng)遵循“先下后上，左右交叉，縱向插入，封頂成環(huán)”的順序，應(yīng)盡量調(diào)校管片位置與上環(huán)管片平順，螺栓孔位置對正，螺栓穿插容易。用拼裝機拼裝旋轉(zhuǎn)調(diào)整對，用遙

18、控裝置操作時不得使用高速按鍵，井注意掌握使用按鍵的力度和持續(xù)時間，防止移動速度太快、擺動大、移動超限及被裝管片與已裝管片發(fā)生撞擊。 （4）封頂塊安裝前應(yīng)對止水條進行潤滑處理，安裝時先徑向插入，調(diào)整位置后緩慢縱向頂推，封頂塊安裝到位后，應(yīng)及時伸出相應(yīng)位置的推進油缸頂緊管片，頂推力應(yīng)大干穩(wěn)定管片所需力，然后方可移開管片安裝機。 （5）管片安裝完后，應(yīng)用整圓器及時整圓，對許片的變形及時矯正，并在管片環(huán)脫離盾尾后對管片連接螺栓進行二次緊固。 （6）管片安裝質(zhì)量應(yīng)以滿足設(shè)計要求的隧道軸線偏差和有關(guān)規(guī)范要求的橢圓度及環(huán)、縱縫錯臺標準進行控制。4.1.2控制掘進姿態(tài)盾構(gòu)機過量的蛇形運動必然造成頻繁的糾偏，糾

19、偏的過程就是管片環(huán)向受力不均勻的過程，所以要求盾構(gòu)機掘進過程中必須控制好盾構(gòu)機的姿態(tài)，盡可能地沿隧道軸線作小量的蛇形運動。發(fā)現(xiàn)偏差對應(yīng)及時逐步糾正，不要過急過猛地糾正偏差，以免人為造成管片環(huán)而受力不均勻。4.2防治管片滲漏的措施4.2.1 加強管片生產(chǎn)過程的監(jiān)督 (1)管片場應(yīng)加強對管片模具精度的控制，并控制好混凝土配比。尤其是管片制作與養(yǎng)護過程中要加強管理，以免發(fā)生蜂窩、麻面、裂紋等管片質(zhì)量問題。 (2)管片吊運時，動作一定要輕緩，要盡量避免發(fā)生碰撞，一旦發(fā)生碰撞造成缺邊掉角后，一定要及時進行修補。 (3)在管片存放時，管片場地一定要做好硬化處理，管片與地面、管片與管片之間一定要要規(guī)范要求設(shè)

20、置好墊塊。4.2.2防水材料的粘貼 (1)防水材料要按要求粘貼： 粘貼面應(yīng)保持干燥、干凈、堅實、平整。 粘貼時用刷子將膠粘劑均勻涂刷在兩個粘貼面上，第一遍涂刷后待表面初干，再涂刷第二遍，約15分鐘左右使溶劑揮發(fā)至用手輕觸膠膜稍粘而不沾手時，將兩個粘貼面合在一起壓實。 嵌縫槽內(nèi)不得有滲漏水部位，否則應(yīng)先進行堵漏處理；嵌縫槽如有缺損應(yīng)先進行修補；嵌縫槽內(nèi)不得有積水和污物，否則應(yīng)先進行清理。 （2）控制同步注漿壓力與注漿量 同步注漿是隧道的第一道也是非常重要的防水線，同步注漿的飽滿與否直接影響到隧道的防水效果。 注漿壓力取決于地質(zhì)情況和地下靜止水壓力，注漿壓力和注漿量控制以確保充填全部建筑空隙。注漿

21、作業(yè)操作要有豐富的經(jīng)驗，過高的壓力將導(dǎo)致漿液從盾尾竄入，影響盾構(gòu)機正常掘進。壓注時要根據(jù)實際施工情況、地質(zhì)情況對壓漿數(shù)量和壓漿壓力二者兼顧。最初的注漿壓力是根據(jù)理論的靜止水壓力確定，在實際掘進中不斷的優(yōu)化。如果注漿壓力過大，會導(dǎo)致地面隆起和管片變形，還容易漏漿。如果注漿壓力過小，則漿液添充速度趕不上空隙形成速度，又會引起地面沉陷。一般情況下，注漿壓力取1.11.2倍的靜止水壓力，約0.3Mpa。4.3管片浮動的控制措施 （1）二次雙液注漿和同步注漿 解決管片上浮問題，同步注漿實質(zhì)上是注漿穩(wěn)定管片與管片上浮的競賽，盾構(gòu)機自身的構(gòu)造決定通過盾構(gòu)機注的同步注漿，在漿液性能上的特點決定了漿液不可能限制管片上浮。唯有雙液速凝漿液徹底解決管片上浮的問題。雙液速凝漿液在漿液性能的選擇上應(yīng)保證漿液的充填性能，初凝時間與早期強度，限定擴散范圍防止流失才能保證隧道管片