地铁盾构施工穿越拔桩区域管片开裂原因分析及预防措施

曾星星

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300000)

盾构管片开裂，在施工中经常遇到，其开裂原因及控制措施一直是工程关注的重点，关于盾构管片开裂及防治和处理的成果有很多。杨雨冰等[1]采用基于断裂力学的有限元方法，从单块管片、2块管片(含接头)、整环衬砌结构3个层次探讨盾构隧道管片结构的破损机制；许鸣蝉等[2]采用数值软件对管片内力分布进行分析，并与理论解进行了对比;对管片出现裂缝之后的处理方法及预防管片开裂的措施进行了探讨；卢岱岳等[3]对管片裂损病害的形态特征、分布规律以及危害程度进行统计分析，指出纵向前裂纹是威胁隧道结构承载力及耐久性的最主要病害形式；秦建设等[4]研究了盾构机姿态与衬砌走向不协调导致管片错台及混凝土开裂问题；王彪等[5-6]总结施工案例，认为盾构掘进时要严格控制盾构机的姿态，应缓慢掘进并控制每环的纠偏量，以防管片因受力不均匀而出现开裂；殷波等[7]对天津地铁2号线两个盾构区间管片破裂原因进行分析，提供了管片修补的具体办法；李军等[8]对盾构管片施工过程中出现裂损的成因以及裂损后管片结构的安全性进行具体分析，认为采取洞内外注浆加固处理和管片结构局部修复对管片破裂应急处理是安全有效的；董新平[9]利用自己提出的接头和管片破坏指数对盾构衬砌环的破坏机理进行了研究；竺维彬等[10]认为造成管片开裂的原因很多又很复杂，预防管片开裂既要讲究综合治理，又要讲究有针对性，从源头抓起；谭忠盛等[11]采用数值模拟方法研究管片裂损的规律及其主要因素，提出了有效控制管片裂损的主要方法。

上述成果对管片开裂机理、控制措施、修复办法等都有一定的介绍，但是考虑到盾构施工地质情况的复杂性，处理方法很难做到通用。本文结合福州地铁盾构隧道下穿拔桩区域管片开裂处理经验，详细分析了在该种地质条件下管片开裂原因及应该采取的措施。

1 工程概况

1.1 工程背景

城锦路站—福州南站区间线路在DK38+800处采用盾构法下穿既有杭深铁路，桩号DK39+130～DK39+800。城锦路站—福州南站区间左DK39+100.000～左DK39+532.620(右DK39+124.012～右DK39+534.392)段矿山法区间结构设计，左线长度404.555m(短链28.065m)，右线长度410.380m。该段用作城福区间盾构接收，406m后由盾构反向相接。

区间线路在甬江站出来104环位置遇一废弃热电厂的遗留桩基，经调查区间共计穿越123根桩基，主要集中104～160环位置，盾构掘进需在桩基拔出后在行推进。

1.2 盾构隧道设计概况

盾构设计采用内径5.5m、外径6.2m的管片，管片环宽1.2m，混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P10(见表1)。

表1 管片设计情况

1.3 工程地质

盾构区间所处地层地质条件主要为砂质粉土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土等，地下水以围岩孔隙潜水和局部孔隙承压水为主。

1.4 水文地质

根据地下水的含水介质、赋存条件、水理性质和水力特征，勘探揭露范围内场地地下水类型主要是第四纪松散岩类孔隙潜水和孔隙承压水。

2 管片开裂及原因分析

2.1 管片开裂情况

区间隧道处于软土地层，其中重点在于130～160环位置主要处于拔桩密集区，正好处于区间R=350m小半径曲线上，拔桩区域回填的是M5强度砂浆，拔桩造成土体扰动过大，且处于软土地层当中，与砂浆混合造成软硬不均，盾构姿态控制难度较大。

从现场管片开裂情况来看，管片开裂地面位置主要集中在盾构机穿越拔桩区域，开裂位置主要集中在管片顶部和底部方位的内弧面的凹槽部分，主要是封顶块(F)和连接块(L1和L2)。初步判断开裂主要由管片凹凸槽受力不均匀所致。管片开裂情况和位置见图1、图2。

图1 管片开裂示意图

图2 管片开裂平面位置示意图

2.2 管片开裂原因分析

a.盾构在曲线段施工时，由于两侧的千斤顶推进推力差过大，导致管片和盾尾接触局部出现应力集中，进而压裂管片。

b.盾构区间在掘进至曲线施工时，为保证盾构姿态，往往需要反复纠偏，导致盾构与管片之间轴线偏差过大，造成盾尾和管片之间产生一定的夹角，使得管片单侧受力过大，产生开裂。

c.管片拼装时，由于螺栓锚固力不足，相邻管片之间发生错位并且无法复原，造成管片错台明显，修复难度极大。局部错台位置受盾尾挤压，出现开裂。

d.盾尾脱空后，同步注浆未及时跟进或者注浆量不足，导致盾构与土体之间的孔隙没有得到有效填充，管片在自重的作用下，出现下沉错台。

e.在管片拼装之前，盾尾内的泥沙没有清理干净，拼装时落底块拼装不到位，推进时泥沙对管片形成集中反力，造成管片开裂。

f.封顶块拼装环面不平整，邻接块开口度不满足封顶块插入的要求，靠外力挤入，导致接触面发生破裂。

g.盾构同步注浆时，由于管路堵塞导致的注浆不对称，致使管片位移形成管片开裂。

综合上述情况，区间开裂主要原因是地层受拔桩影响扰动过大，且又处于R=350m小半径曲线上，盾构机在该地段掘进施工时，姿态纠偏难度增大，管片出盾尾后造成下沉，后期强制纠偏，导致在施工该区域时管片开裂严重。

3 管片开裂预防措施

a.盾构在曲线掘进时，尽量调小每次转弯量，当管片超前量不满足要求时，使用传力衬垫贴片增大管片楔形量，以确保超前路满足设计要求，使管片的环面与盾构设计轴线保持垂直。如果遇到管片超前量超出设计要求时，及时在适当位置使用曲线环调整超前量，同样按设计要求保证管片的环面与盾构设计轴线垂直。

b.使用厚度可调的传力衬垫，增加管片之间的缓冲，避免硬性接触。

c.施工过程中保证曲线段纠偏的频率，做到小纠偏、勤纠偏，以免因一次纠偏量过大造成盾构和管片之间轴线夹角过大。现场技术员在关注上下左右盾尾间隙的同时应关注下拱部的盾尾间隙，及时根据盾尾间隙来调整掘进参数，且盾构机在纠偏过程中尽量减少推力差。

d.提高拼装手的质量意识，对拼装手进行一定的操作技能培训和强化，保证拼装后的管片圆顺度和轴线偏位符合要求，避免管片因拼装失误而出现横/竖鸭蛋形状。

e.盾构机同步注浆管路及时清理疏通，注浆时尽量对称施工，同时保证注浆进程与盾构推力匹配，注浆压力和注浆量控制在合理范围内。

f.控制好管片螺栓复紧质量，在管片拼装完成后进行一次复紧，在盾构掘进过程中进行二次复紧，掘进完成后进行第三次复紧工作，形成三次螺栓复紧制度。

4 开裂控制效果

在后期盾构穿越拔桩区域时及时调整掘进参数[12]，在通过该区域时推力控制在1000～1200tf之间，盾构机姿态偏差控制在±20mm内，若偏差过大及时进行调整，同步注浆量控制在180%～200%范围。通过预防措施实施后，施工下行线时，管片开裂问题情况得到控制。

5 结 语

管片开裂是很多盾构工程施工的通病，处理耗费巨大的人力物力财力。本文结合盾构穿越拔桩区域管片开裂及处理施工案例，详细总结了该地层条件下管片开裂原因及预防措施，得出结论：管片开裂大部分都是剪切破坏，破坏外力主要是来自于盾构推进过程中由于受力不均匀而产生的水平推力；水平推力大多数是由于在施工过程中管片错台、上浮、盾构机与管片姿态不啮合、同步注浆不到位等原因引起的；盾构管片本身质量及拼装施工误差等也会引起管片开裂，在施工过程中不可忽略。为有效预防盾构管片开裂，建议在盾构施工过程中盾构机选择、施工参数优化及资源配置等要综合考虑地质条件、线路线型设计特点、工程周边环境等因素。