大断面矩形顶管隧道衬砌结构病害防治研究

赵勇，鲁蓝

（1.恩施自治州华泰交通建设有限公司，湖北 恩施 445000；2.恩施自治州公路管理局，湖北 恩施 445000）

0 引言

近年来，随着我国经济的发展，对交通运输需求总量不断增加，隧道运营成为全国交通运输的重要组成部分，在国民经济和社会生活中起到不可估量的作用。大断面矩形顶管隧道在许多城市地下空间开发中被广泛应用，然而，大断面矩形顶管隧道作为隧道施工的一种形式，其衬砌结构病害防治研究备受关注。由于各种原因，隧道衬砌结构难免会发生各种病害，这不仅影响隧道的正常运营使用，还威胁到车辆和人员的安全。因此，深入研究大断面矩形顶管隧道衬砌结构常见病害的成因和防治措施具有重大的理论价值和现实意义。

1 隧道大断面矩形顶管施工风险

1.1 漏浆风险

一般情况下，隧道大断面的施工顶管分为矩形顶管和圆形顶管，其漏浆问题多发生在矩形顶管中。矩形橡胶密封止水圈和圆形顶管比较相对较差，土仓和管节间隙的泥浆容易从止水圈中溢出，并携带相邻土层中的水分和泥砂，导致原有压力发生变化，严重时可引发土体坍塌、地面陷落的风险。

1.2 栽头风险

当顶管机在施工作业时，机身会有一定的重力，其自身重力由洞口门梁和始发托架承担，此时操作环境相对稳定，不会造成太大的技术操作问题。而当顶管机进入一段距离后，机身大部分重力由土体承受，由于土体的承重能力较弱，在重力作用下，容易引起底层下沉问题，进而导致机身头部下沉、机尾部上翘的问题，即栽头风险。

1.3 顶管机回缩风险

顶管机回缩风险的原因在于顶管机在初始工作阶段，机身未完全进入土层，进而导致与土层之间的摩擦力减少。

技术人员在安装管节时，由于将主顶千斤顶收回，掌子面土体的压力对刀盘作用较大，将会导致顶管机向井内回缩，进而引起掌子面土体坍塌，影响隧道大断面施工技术的提高。

1.4 顶管机扭转风险

在隧道大断面矩形顶管施工中，顶管机扭转的问题较为常见，由于土体的反作用力较大，使顶管机发生方向扭转，多发生于刀盘旋转切割土体施工中。在实际施工现场，由于矩形顶管刀盘旋转与圆形顶管有很大不同，其间如果发生扭转问题，将很难及时调整。由于矩形顶管截面特征的影响，发生扭转后，将影响顶管的后期应用。

2 大断面矩形隧道沉降、姿态控制重难点

2.1 顶管隧道沉降控制重难点

第一，上部管道隧道段呈矩形，上部层和上部管道屏蔽结构形成的拱面较大，底板受屏蔽结构支撑，土层变形较大。

第二，道路车辆较多，动力负荷大且不稳定，地面沉降监测难度则会更大。

第三，在同一深度，随着顶管盾壳面积的增大，表层土应力弧形的形成作用大大降低，表层土对沉积的敏感性大大提高，同时泥浆保护层发挥着减摩作用，“背土效应”也越来越明显。

2.2 顶管隧道姿态控制重难点

第一，管道隧道段为矩形，由于土层不平和注射压力差，顶管隧道左右压力不均匀，导致顶管隧道中心线偏差。

第二，上部管道隧道断面特别大，施工过程中土仓各点压力不等，导致上部管道隧道轴线偏移。

第三，包装机体积短、质量高，隧道覆盖土层较浅，同时在施工过程中注入大量接触泥浆。因此，在上部管道施工过程中很容易抬起和浮动上部管道支撑。

3 隧道衬砌混凝土施工常见病害的分类及成因

3.1 隧道衬砌混凝土施工常见病害的分类

3.1.1 开裂病害

开裂病害是隧道衬砌混凝土施工中常见的问题之一，主要是混凝土在施工过程中受到各种力的影响而引起。开裂病害的严重程度取决于裂缝的宽度和长度，一般采用填缝、堵漏等方法进行修补。

3.1.2 渗漏病害

渗漏病害是指隧道衬砌混凝土中的水分在施工或使用过程中透过混凝土表面渗透出来，影响隧道工程的使用效果。渗漏病害不仅会影响隧道使用寿命，还会增加维护难度和成本。

3.1.3 龟裂病害

龟裂病害是隧道衬砌混凝土施工过程中常见的病害之一，其主要表现为混凝土表面出现不规则裂缝。

3.1.4 鼓包病害

鼓包病害是指隧道衬砌混凝土中出现表面凸起的现象。

3.2 隧道衬砌混凝土施工常见病害的成因

3.2.1 开裂病害的成因

隧道衬砌混凝土开裂主要是由于施工中混凝土的收缩和温度变化引起的应力集中而超出混凝土的承受能力。此外，材料的选择、设计和施工质量等因素也会对混凝土开裂产生影响。例如，在混凝土配合比中水灰比过大或黏度过高、混凝土强度不足或混凝土的养护不当等情况，易导致混凝土开裂。同时，隧道施工中存在的地震、爆破等因素也可能导致混凝土开裂[1]。

3.2.2 渗漏病害的成因

隧道衬砌混凝土施工中常见的渗漏病害，主要由于渗透压力、地下水位变化、孔洞未封堵、隧道外部水压力等原因导致。例如，在围岩不完整、裂隙发育的地层中，隧道施工时会引入大量的地下水，若隧道衬砌混凝土密实性不良，水分会从衬砌中渗透出，进而导致渗漏病害的产生。此外，隧道衬砌施工时未及时封堵孔洞，也会导致渗漏病害的发生。

3.2.3 龟裂病害的成因

龟裂病害是隧道衬砌混凝土施工过程中常见的病害之一，主要是由于混凝土硬化过程中水分的过快蒸发导致收缩应力超过混凝土的抗拉强度，从而引起龟裂。

另外，混凝土的配合比不合理、浇筑过程中振捣不到位等因素也会增加龟裂的发生概率。例如，当混凝土浇筑过程中未能及时地振捣和养护，在干燥通风环境下过快蒸发，混凝土表面易形成龟裂。

3.2.4 鼓包病害的成因

鼓包病害的成因主要与施工中混凝土的振捣、养护等环节有关。若混凝土的振捣不均匀或养护不到位，易导致鼓包病害的发生。例如，施工过程中，由于振捣不充分或混凝土表面未得到充分养护，未能释放完全混凝土中的气体，从而形成鼓包。

此外，施工现场的温度、湿度、风速等环境因素也会对混凝土的养护造成影响，进一步加剧鼓包病害的发生。

4 隧道衬砌混凝土施工病害的防治措施

4.1 加强混凝土配合比设计

在隧道衬砌混凝土施工中，加强混凝土配合比设计是防治常见病害的关键之一。应根据设计要求精确计算混凝土的配合比，确保混凝土质量和强度的稳定。

同时，在配合比设计中应该考虑现场环境、施工条件和混凝土用途等因素，使配合比设计更加科学合理。由此，可以有效预防隧道衬砌混凝土施工病害的发生，提高工程质量和安全性。

4.2 加强养护管理

在隧道衬砌混凝土施工过程中，加强养护管理是防治常见病害的重要措施之一。养护不良是导致混凝土龟裂、渗漏等病害的主要原因之一。

因此，施工后应根据设计要求进行严格养护管理，保证混凝土养护充分。养护期间应注意混凝土加强通风、控制湿度、避免冻融等因素的养护管理，只有充分加强养护管理，才能保证隧道衬砌混凝土的质量和稳定性。

4.3 加强施工过程管理

加强施工过程管理也是防治隧道衬砌混凝土施工病害的重要措施之一。在混凝土浇筑和振捣过程中，应严格按照设计要求进行施工，避免振捣不足或过度振捣，保证混凝土的均匀性和紧实度。

此外，在混凝土浇筑过程中，还应注意控制浇筑高度、温度变化等因素，以减少施工病害的发生。

4.4 加强质量监控

加强质量监控是预防隧道衬砌混凝土施工病害的关键措施之一。在施工过程中，应严格按照设计要求加强施工质量监控，监测混凝土的浇筑、振捣、养护等环节，及时发现并处理施工过程中的问题，如松散、凝结不良等。

同时，检测混凝土的强度、密度、抗渗性等指标，以确保施工质量符合设计要求，为预防隧道衬砌混凝土施工病害的发生提供有力保障。

5 大断面矩形隧道顶管顶进施工技术发展趋势

对于顶部管段，矩形管变为大型管段。目前，矩形管的最大断面积已达到140m2。矩形顶管法在普通沟渠、地下隧道和隧道工程中具有一定优势。采用矩形管道方法将逐步降低总成本，大幅度提高设备制造水平和施工质量。大断面矩形隧道顶管施工见图1。

图1 大断面矩形隧道顶管施工图

如上所述，矩形顶管法延伸很长的距离，矩形顶管的最大顶进距离为230m。伴随着远距离高精度测量技术的发展和应用，通风系统的不断改进，排渣系统的发展，刀盘切削系统、推进系统、出土输送系统、中继系统、监控系统、供电液压系统、测量导向系统技术的不断改进，顶进距离还在不断实现突破。

在施工环境中，矩形顶管法沿复杂的环境方向不断突破。城市隧道工程一般比管道和地铁等地下工程设施更广泛、施工风险更高。尤其在坚硬岩石、复合地层、高水压、穿越河段等特殊情况，施工风险时有发生，矩形顶管法的设计将适应日益复杂的施工环境。

在埋深方面，由于功能要求矩形顶管法将向浅埋深方向移动。目前，矩形顶管的浅埋深度达到4m，预计今后将有重大突破。

对于顶进设备（见图2），矩形顶管设备的发展方向：一是大跨度地下空间的建设，如地铁站、地下商场大断面；二是研究与开发新注浆减阻技术；三是不断解决岩层各段开挖破碎技术，开发适用于复合层的顶管设备[2]。

图2 矩形顶管机

6 结论

综上所述，得出以下结论：

第一，隧道衬砌病害对其安全的危害很普遍且巨大，文章通过研究分析提出以上的治理和预防措施，有主次地分析导致病害的各因素，操作时遵循因地制宜、综合治理，针对病害从源头上做好总结、分类、归纳，尽可能做到一步到位，避免返工，为隧道后期营运创造一个安全、良好的环境。

第二，隧道衬砌混凝土是隧道工程中非常重要的部分，其质量直接影响到隧道工程的安全和可靠性。因此，在隧道衬砌混凝土施工过程中，应加强混凝土配合比设计、养护管理、施工过程管理和质量监控，以预防常见病害的发生。同时，隧道衬砌混凝土施工病害的防治措施需要结合理论和实践，根据具体情况灵活应用，以保证施工质量和工程安全。

第三，矩形顶管技术基于圆形管道技术而形成，矩形顶管比圆形管道占用更少空间，从而优化隧道空间的规划和使用。但是，在隧道施工中，矩形顶管法不如圆形管道法应用广泛，矩形管道法存在开发成本较高、重件运输困难、顶进距离、线形限制等问题。当前矩形顶管施工技术在理论研究、设备开发、施工技术和质量管理等方面已经成熟，相关技术标准体系正在逐步完善。今后，矩形顶管技术将继续在长距离和大断面上发展，随着复杂环境和机械化的改善，总的发展趋势将更加多样化，发展前景十分广阔。