城市地铁区间隧道管片裂缝形成原因及其处理研究

沈俊 晏莉

【摘  要】随着城市不断发展，地铁已成为城市交通的重要组成部分。各大城市已建成的地铁工程表明，地铁区间隧道的管片裂缝是目前地铁工程中的常见病害，盾构中管片裂缝容易导致地下水渗漏，甚至为地铁的安全运营和设备正常使用造成重大安全隐患。本文通过对于管片裂缝进行相关文献的参考查阅，对城市地铁区间隧道管片裂缝形成原因及处理措施进行总结与归纳。针对管片的不同时期，分为生产阶段和使用阶段产生裂缝原因分析，再结合相关管片裂缝案例，给出了预防与补救措施。在盾构隧道施工如何预防和处理裂缝方面，以及最小程度的规避它的危害提供参考经验，对盾构隧道病害的减少具有重大意义，并对现今管片裂缝研究空白处进行展望。

【关键词】管片裂缝;裂缝形成原因;裂缝预防;裂缝处理

引言

近年来城市盾构隧道的蓬勃发展，盾构隧道病害问题日益严重。经研究结果表明，管片裂缝变形是盾构隧道病害的根源，其可能引发盾构断面椭圆变形、管片的压溃与错台以及盾构隧道的渗漏水问题等。而引起管片裂缝的原因并不是单一因素[4-9]，所以对于管片裂缝进行相关研究十分重要。

国内外针对管片裂缝做了许多相关研究：韩士钊[10]针对盾构掘进过程中管片开裂类型及其原因进行了探讨，依托工程实例对开裂具体原因和应对措施进行了详细阐述;叶耀东通过理论分析研究了上海某地铁管片错台、裂缝等病害的原因，并提出了相应的工程措施;张则忠将管片错台时间分为管片安装前、施工过程中、施工完成后三类，并分析了各类错台产生的原因及预防措施;张建刚[13]盾构隧道在千斤顶推进时引发的管片裂缝现象，通过管片组合体加载模型对管片应力分布和传递方式进行了研究，得出了裂缝的开展主要原因，并给出了相应工程措施。随着盾构隧道的增多，对于管片裂缝的研究内容也与日俱增，但是鲜有人对于众多研究案例案发进行及时更新总结和归纳。

本文对于近年来管片裂缝案例研究进行文献的相关调研，对其形成原因和裂缝补救措施进行总结和归纳，在盾构隧道施工如何预防和处理裂缝方面，以及最小程度的规避它的危害提供参考经验，对盾构隧道病害的减少具有重大意义。

1.地铁区间隧道管片裂缝类型

在盾构隧道中，管片是盾构的承载体，接缝与螺栓共同构成其边界条件。管片裂缝一般分为微观裂缝和宏观裂缝，微观裂缝是管片本身具有的，在结构中分布不连续、不规则，通常宽度小于0.05毫米，肉眼是无法看到的。而宏观裂缝是由微观裂缝发展而来的，通常大于0.05毫米，如图1所示。盾构推进的过程中，由于盾构推进是个动态过程，管片的受力不均匀且不断变化，当管片受力不均匀程度超过一定的限度时，管片就会产生裂缝或碎裂。而宏观裂缝又分为非贯穿裂缝、拼接面裂缝和贯穿裂缝。非贯穿裂缝深度较浅，一般裂缝宽度不超过0.1毫米，修补后不会对管片的使用造成影响。拼接面裂缝是存在于管片拼装面的非贯穿裂缝。贯穿裂缝是切断管片结构的大裂缝，有贯穿裂缝的管片在隧道使用中会影响地铁隧道的使用寿命，甚至造成安全事故。

2.地铁区间隧道管片裂缝形成原因

2.1生产过程中管片产生的裂缝

（1）原材料方面

混凝土原材料质量不达标是导致管片裂缝出现的原因之一。影响混凝土原材料质量的原因主要有：一是砂砾粒径.砂砾粒径过小，就必须在施工过程中掺入更多的水和水泥，从而导致钢筋出现腐蚀，久而久之导致混泥土出现裂缝;二是水泥比例，现在很多地铁工程由干混凝土使用量大，大都使用商品混凝土.而如果商品混凝土;中的水泥含量过多.就会导致混凝士硬化收缩变形，当超过混凝土的抗拉极限进而导致管片上混凝土裂缝的出现

（2）管片养护不当

盾构施工项目中难免会在现场进行管片的存放的情况，这时如果管片的养护不当，也会导致管片裂缝的出现。相关文献据调查，管片裂缝区段都是在冬季，且隧道已全部贯通的情况下施作二次衬砌的。在二次衬砌施工过程中没有采取有效的低温混凝土养护措施，从而养护时温差太大导致裂缝。

（3）泵送混凝土灌筑工艺不规范

管片表面的“起砂”现象说明混凝土在灌筑过程中存在泌水和离析现象。还有管片浇捣不密实，会产生毛细孔隙或蜂窝状孔洞，在一点外力下发展为裂缝以及塌落度把控不严格导致混泥土中游离水蒸发后引起的体积收缩导致的裂缝。

2.2盾构机在掘进过程中管片产生的裂缝

（1）地基因素

地基方面的原因生要是盾构施工中地基出现不均匀的沉降或水平位移等变形而导致。地基产生变化，混凝土结构预应力增大，一旦超过混凝土的抗拉极限，就会导致混凝土裂缝的出现。而导致地基变形的原因是多方面的，主要可分为外界因素和认为因素所导致.外界因素主要是指外界环境的变化.例如施工过程中地段与地段的地质条件不同、土质压缩性过快来不及过渡、结构荷载差异大、对混凝土强度要求骤然增大等;人为因素主要是指由于人为方面的因素导致的，例如，地质勘查工作未做好、地质情况分析不透彻、提供的地质参考数据有误、混凝土材料把关不严、工艺技术不精湛、施工现场监理不到位、设计缺陷等。

（2）荷载因素

荷载是施工中导致管片出现裂缝的主要因素之一。这是由于混凝土的承载能力是有限的，一旦混凝土上荷载量超过其承载能力，就会导致混凝土裂缝的出现。同样，因荷载导致混凝土的裂缝的原因是多方面的：一是混凝土自身质量不达标，自身承载能力不高，难以达到地铁施工用混凝土强度的需要;二是混凝土成型尚未完成、未达工程强度要求时，由于受到额外的压力不堪负重而导致混凝土裂缝的出现; 三是混凝土承载强度未达标时受到外力的挤压或撞击、施工器械放置不当等导致混凝土变形、进而异致管片裂缝的出现。

（3）环境因素

环境因素也是裂缝形成的重要因素。裂缝段特殊的工程环境（砂卵石地层，地面动载作用等）和特殊的降水方式容易引起地层松动，从而誘发较大的地层压力;：较长时间的降水作业，特别是因降水引起的砂层流失使地层始终处于一种动态的变化过程中，从而使初期支护迟迟不能稳定，以致二次衬砌的施作时机始终不能满足规范要求;由于二次衬砌混凝土原因，使混凝土结构自身存在品质缺陷，从而在一定程度上降低了二次衬砌的承载能力;

由于区间隧道二次衬砌施工的特殊性，使得二次衬砌结构的实际工作状态（如拱部存在空隙等）与设计计算模式存在较大的差异。在某些特殊工程环境下，且当混凝土管片自身又存在某些缺陷时，容易产生混凝土结构的受力裂缝。

（4）施工因素

施工方面的原因主要是盾构隧道施工方面需着重注意的因素。当区间隧道线路曲线半径较小时，盾构机姿态控制难度较大，导致盾构机时长姿态不理想，纠偏时可能造成了盾尾挤压管片的现象，在曲线段施工时为了控制盾构机转向，各区千斤顶推力不等，造成各个分块的受力大小不匀，管片容易出现裂缝且管片整个环面不平整。除了施工掘进时，管片平壮师也是控制方面重要因素，每环管片拼装封顶块时，因橡胶密封条错位并凸出管片环面，造成管片环面不平整，在较大推力作用下容易引起管片沿环宽方面开裂。

3.地铁区间隧道管片裂缝措施

3.1管片裂缝的预防

3.1.1前期管片制造过程

（1）原材料的选择

经过对比，同一产地的原材料配置的混凝土和易性会比不同一产地的好;在高温天气应选取产热量低的水泥产品，在添加剂使用上，对早强剂或塑化剂等各种添加剂，也选取产热量低的，降低混凝土产生热量;在低温天气选应选取产热量高水泥产品，在添加剂使用上，对早强剂或塑化剂等各种添加剂，应选取产热量高的，控制混凝土温度的提高;采用细度适当的水泥：不用细度极细的水泥，以减少早期水化热。

（2）混凝土中掺入一定数量的粉煤灰

由于粉煤灰呈球状起润滑作用，不仅能代替部分水泥，还能改善混凝土的工作性，降低混凝土中的水泥水化热量，减少了裂纹。加强振捣，保证混凝土的密实性;同时地铁较多使用防水混凝土，也须防止因过震引起混凝土离析

（3）严格控制水灰比

水灰比小，混凝土的流动性小，但是粘聚性和保水性增加，使硬化后的混凝土的强度、耐久性提高，干缩减小。但是水灰比过小，则不能保证混凝土的密实成型，会使混凝土的强度和耐久性下降。控制水灰比，适当的减少水的用量，可以有效的提升抗渗性，并且避免混凝土泌水干缩现象。

（4）坍落度的控制

坍落度大，骨料沉降速度快，阻碍水泥砂浆继续沉降，形成外部泌水，这些多余的游离水逐渐蒸发，在混凝土中形成毛孔细道，导致缝隙出现，要根据施工季节控制坍落度在60mm 左右，保持其均匀性，可以确保混凝土均匀的凝固，减少裂缝产生的几率，避免混凝土因含水量过大造成干缩裂缝。

（5）管片的振捣收光

振捣时应避免捣振不均匀产生的质量问题，可采取分层布料的形式，循序渐进，一次成型。采用捣振台按设定时间进行捣振，切勿过振或者漏振，保证管片的均匀性。振捣完成，收水压光后尽快用塑膜盖覆严密，防止脱落及露角，以防管片外弧面混凝土过度蒸发和热量散失。管片外弧面出现裂往往是最后一次收面时间结束太早，而覆盖塑膜时间又太晚造成的，或者当最后一次收面收得太晚，管片表层失水，外弧面硬化速度大于内弧面时会造成龟裂现象。

（6）养护

经过试验管片初期养护，主要是要防止温度变化过快，所以只有尽可能的克服和减少温差现象，就可杜绝或减少管片的温差裂纹。具体做法是：在收光抹面区设置预蒸养区，在蒸养房里设定升温、恒温和降温区，使管片进过每个区域温差不超过 10℃，升温降温梯度不超过 10℃每小时。 管片出蒸养房或者脱模时避免风吹，冬季应及时覆盖防止表面温度下降太快形成裂纹。脱模后，最好采用浸水养护或者涂刷养护剂的方式，浸水养护时管片与水的温差不能超过 20℃，防止管片出现收缩裂纹，在水中养护时间一般不少于一周，养护水应氢氧化钙溶液。若采用喷淋养护，喷淋水流不均匀，在局部更易造成裂纹和水纹。严格控制混凝土养生质量，浇水养护时间应适当延长，尤其注意早期养护，有条件的情况下，也可喷洒养护剂、减水剂等，可以有效地防止干缩裂缝和塑性裂缝的出现

3.1.2管片运输与存放过程

（1）严格按设计和现场揭露地质对现场地基基础进行处理，控制施工放线高程，减小不均匀沉降对控制混凝土裂缝是关键和极其重要的。

（2）严格控制管片脱模强度，一般在 20Mpa 方可脱模，要加强吊运工人的培训，确保管片起吊时，吊点在管片的重心位置，使管片在吊运过程中有足够的稳定性，在管片上采用防护胶垫，防止管片碰撞造成裂纹及掉角。

3.1.3盾构施工控制过程

（1）优化盾构施工参数，同时采取必要的措施，通过刀盘向土体加入泡沫剂、膨润土等渣土改良剂，能够有效地减少扭矩和盾构总推力，从而减少管片受力，避免管片裂缝的产生。

（2）盾構掘进时，在施工允许条件下适当降低掘进速度，同时加强对于盾构机姿态的控制。

（3）加强盾构隧道管片的纠偏量，保证千斤顶与管片断面的垂直度，减少对管片的向外弯矩。

（4）管片拼装时，控制拼装质量，保证最后一块管片（封顶块的拼装空间），同时在封顶块两侧密封条及其对应的邻接块密封条上涂抹润滑剂，减少阻力，防止密封条凸出环面。

3.2管片裂缝的处理

裂缝的预防，即使采取了一系列的控制措施，但也并不能确保裂缝不出现，当出现裂缝时，可以用修补材料，对裂缝进行修补，修补材料具有凝固快、强度高等特点，修补之后能满足管片的强度要求。严格按设计和现场揭露地质对现场地基基础进行处理，控制施工放线高程，减小不均匀沉降对控制混凝土裂缝是关键和极其重要的。

（1）涂抹法：主要是在管片表面涂抹材料，这种管片裂缝的修补方式适用于管片较为浅层的浅细的裂缝，这种裂缝，浆材难以被灌入，而且深度还未达到钢筋表面的发丝裂缝尚未引起漏水。是固定的不活动不伸缩的;

（2）表面贴补法：对于大面积的管片裂缝甚至已经引起漏水而不能确定漏水位置的裂缝，具有较好的修补效果;

（3）填充法：比较适用于用灌浆的方式很难达到理想修补效果的管片裂缝，以及较小规模的裂缝可采用填充处理法;

（4）结构补强法：主要适用由干荷载引起的裂缝，裂缝长时间得不到有效处理导致的管片耐久性降低等原因造成的裂缝可采用这一方法。

4.总结与展望

本文对于城市地铁盾构中的管片裂缝案例研究成果进行参考和分析总结，得到主要结论如下：

（1）本文通过对于城市地铁盾构中管片裂缝的分类、常见成因以及现有的预防与补救措施进行总结，但是由于目前对于管片裂缝的分类相关学者没有一个明确固定的分类标准，所以本文采取的是从一个宏观和微观角度对于管片裂缝分类进行统述，今后对于管片裂缝进行详细分类，亦或对于管片裂缝进行危险定级可继续进行相关研究与探讨。

（2）管片裂缝的产生主要分为三个阶段：管片生产、管片运输、管片施工。随着管片生产制作工艺的不断发展，管片生产过程中产生的裂缝概率不断降低，但管片生产过程仍然是管片裂缝产生的重要环节。随着盾构隧道的发展与普及，越来越多的盾构施工中管片裂缝的产生各不相同，目前施工中管片产生裂缝的主要原因分为：地基、荷载、环境和控制四大因素。

（3）针对管片裂缝产生的原因，本文提出了相应方案，主要包括预防和补救措施。预防主要是对于管片生产与运输中严格把关，施工控制中，提升施工工艺，精准控制施工精确度;而对于管片已产生的裂缝，采用涂抹法、表面补贴法、填充法和结构补强法进行处理。对于今后产生的新型管片裂缝可继续深入研究不同补救措施。

参考文献

[1]刘 雄，地铁施工中防水混凝土裂缝的成因与控制措施[J]交通建设，2016（10）

[2]何川，盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望[J].  西南交通大学学报. 2015（01）：97-109

[3]董飞，北京地铁运营隧道病害状态分析[J].土木工程学报，2017（06）：104-113