盾构工法管片常见问题分析
摘要：本文就土压平衡时盾构工法中存在的管片问题及其产生的原因进行了分析，并相应地提出了一些措施。
关键词：管片错台管片渗漏管片上浮管片下沉
1、前言
盾构工法隧道掘进过程中，管片的问题直接影响着成型隧道的外观和质量。
本文结合了合肥市TJ11标工程实例，就盾构工法中常见的管片问题进行了分析，并提出一些相应的防治措施。
2、工程概况
合肥市轨道交通2号线土建TJ11标段包含2站2区间：石莲北路站、创新大道站、石莲北路站～创新大道站区间、创新大道站～振兴路站区间。
石莲北路站、创新大道站与其附属基坑采用明挖顺作法施工；石莲北路站～创新大道站区间、创新大道站～振兴路站区间均采用盾构法进行施工。
TJ11标区间线路总平面图2-1
2.1区间工程概况
（1）石莲北路站～创新大道站区间
石莲北路站～创新大道站区间自长江西路石莲北路路口，沿长江西路向东敷设，在长江西路创新大道站路口进入创新大道站。
本工程位于合肥市主干道长江西路，两侧以七层以下多层建筑为主，本区间内无高层建筑。
长江西路为双向八车道，宽度约45m，是合肥市东西方向主要通道之一，车流量大。
路两侧有各类管线，埋深一般小于4m。
区间起讫里程：右线YSK14+548.641～YSK15+199.947，全长651.306m；左线ZSK14+548.641～ZSK15+199.947，全长651.306m。
本段共计有2段平面曲线，曲线半径均为2500m，线间距12m～15m。
区间内无间断。
区间在YSK14+874设联络通道。
区间线路由不同坡率的单面上坡组成，线路随里程增加方向上升。
从石莲北路站东站线分界起，由西向东线路纵断面组成为21.4m长2‰上坡，280m长7.951‰上坡，320m长15‰
上坡，30m长2‰上坡。
区间埋深：隧道顶部埋深9.5～11.1m。
（2）创新大道站～振兴路站区间
创新大道站～振兴路站区间主要沿长江西路敷设。
区间起讫里程：右线YSK15+477.447～YSK16+727.776，全长1250.329m；左线ZSK15+477.447～ZSK16+727.776，长链0.231m，全长1250.560m。
区间埋深9.6～23.2m。
在区间YSK15+899.5和YSK16+330处设联络通道。
本段区间共计有4段平面曲线，曲线半径分别为3000m、1000m、1000m、1000m，线间距从13m变化到17m。
区间线路大体呈“V”字坡，创新大道站后向东2‰上坡，后以790.00m 长19.408‰下坡至最低点，再以380.00m长20‰上坡，转以2‰下坡至振兴路站。
隧道顶部埋深为9.6~21.5m。
本区间先后侧穿合淮阜高速公路匝道立交桥桥桩，下穿合淮阜高速公路（侧穿跨高速路桥桩），下穿蜀山干渠。
2.2地质状况
2.2.1石莲北路站～创新大道站区间
(1)本段区间主要穿越:
<3-2>粘土(XQ3),<8-1>全风化泥质砂岩（K2Z),<8-2>强风化泥质砂岩（K2Z),<8-3>中等风化泥质砂岩。
各土层主要物理力学性能如下：
各土层主要物理力学参数值表2.2.1-1
地层代号岩土名称
土的状
态
重度
抗剪强度（固结剪
切）压缩
模量
渗透
系数
承
载
力
特
征
钻、冲
孔桩侧
土极限
侧压力
桩端土极限端阻力标准
值qsk
凝聚力
内摩
擦角
r C f
ES0.1
～0.2
K fak qsik
10≤
1＜
15≤
1＜30
30≤
1 KN/m3 kPa 。
MPa m/d kPa kPa kPa kPa kPa
<3-2> 黏土硬塑19.30 48 17 9.0 0.005 200 90 950 1000 1200
<8-1>
全风化泥质砂
岩硬塑至
坚硬
19.90 30 15 25.0 0.005 300 100 1400 1400 1400
<8-2> 强风化泥质砂
岩
21.00 0.3 400 180 **** **** 1800
<8-3> 中风化泥质砂
岩
22.90 0.01 600 300 3000 3000 3000
2.2.2创新大道站～振兴路站区间
区间隧道主要穿越<3-2>黏土、<4-2>残积粉质黏土、<8-1>全风化泥质砂岩、<8-2>强风化泥质砂岩、<8-3>中风化泥质砂岩。
各土层主要力学性能如下：
各土层主要物理力学参数值表2.2.1-2地层
代号岩土名称
重度
土粒
比重
天然
含水
量
孔隙
比
无侧限
抗压强
度
凝聚
力
内
摩
擦
角
压缩
模量
弹
性
模
量
泊
松
比
静
止
侧
压
基床系数
（Mpa/m）
渗透
系数
承载
力特
征值γ
Gs
w
e
qu C φEs0.1-
0.2
E
τξ
水
平
垂
直
K fak KN/m
3
% kPa kPa 。
MPa
MP
a
Kh Kv m/d kPa
<3-2> 黏土19.6 2.73 24.3 0.73
5
120 50 16 10
0.3
1
0.4
5
45 40
0.00
5
200
<4-2> 残积粉质
黏土
19.7 2.72 19.9
0.67
9
140 32 17 9 0.3
0.4
3
50 45
0.00
5
180
<8-1> 全风化泥
质砂岩
19.9 2.7 21.3
0.68
6
160 33 18 25
0.2
9
0.4 50 45
0.00
5
300
<8-2> 强风化泥
质砂岩
21.2 800
0.2
2
0.2
8
140 120 0.3 400
<8-3> 中风化泥
质砂岩
22.8
160
220 200 0.01 600
1)不良地质
拟建工点氛围内未发现不良地质现象
2)特殊岩土
区内特殊岩土主要为人工填筑土，膨胀土，风化岩。
(1)人工填筑土
杂色，灰黄色，主要为素填粘性土，松散，稍湿，稍经压实，局部见砂及碎石块。
表层0.0~0.2m为沥青路面，0.2~2.0m为碎石，黏土垫层。
层厚0.10m~9.30m,对区间隧道基本无影响。
(2)膨胀土
拟建场地分布的第四系更新统下蜀组<3-1>、<3-2>层具有弱膨胀潜势。
膨胀土具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形性能，在荷重作用下仍能浸水膨胀，产生膨胀压力，同时膨胀土还具有胀缩变形的可逆性，在吸水膨胀、失水收缩后，有再吸水再膨胀，再失水再收缩的特性，在膨胀力及其反复胀缩变形条件下，易造成建筑物结构发生开裂。
根据《合肥市轨道交通2号线工程地质灾害危险性评估报告》（安徽省地质调查院，2010年01月），合肥地区大气影响急剧深度为1.44m，大气影响深度为3.20m。
(3)风化岩
场地内基岩全风化带广泛分布，厚度变化较大。
土状全风化岩均匀性较差，具有遇水软化特点，强风化及中等风化岩具暴露时间长易开裂，泡水易软化等特点。
2.3水文地质条件
（1）地下水主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水
第四系孔隙水主要赋存于黏土层中，以潜水为主，以上层滞水为主，黏土层在区间较广泛分布，总厚度大，埋深浅，成层性较好，含水量较小，粘性土渗水性和富水性均较弱，勘察期间（2013年4月至7月）地下稳定水位埋深 1.60~5.80m,地下水位标高一般在47.04~53.60m，单井涌水量一般小于10m3/d，年水位变化幅度约3~5m。
基岩裂隙水主要赋存于岩石强、中等风化带中。
基岩的含水性、透水性受岩体的结构、构造、裂隙发育程度等的控制，由于岩体的各向异性，加之局部岩体破碎、节理裂隙发育，导致岩体富水程度与渗透性也不尽相同。
岩体的节理。
裂隙发育地带，地下水相对富集，透水性也相对较好。
段内主要为泥质砂岩，局部夹泥岩，富水性较差，透水性弱，基岩裂隙水总体贫乏，单井涌水量一般50~100m3/d。
（2）地下水的补给、径流、排泄及动态特征
场址第四系孔隙水主要受大气降水补给，基岩裂隙水主要有大气降水及空隙水补给。
地下水的径流形式主要为孔隙间渗流。
黏土层透水性微、富水性差，连通性差，基岩强风化层孔隙大，连通性较好，因此，地下水途径一般，地下水渗流方向为水头相对较高处流向水头相对较低处，区内地势东高西低，道路坡度明显地形平坦，地面高程一般为52.0~57.5m，地下水径流方向大体为由东向西。
（3）水的腐蚀性
根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001) (2009版），按I类环境类型及B类地层渗透性判定，水质对混凝土结构的腐蚀等级为微；对钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀等级为微。
本标段区间勘察的环境类别及其作用等级划分执行国家标准《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476-2008)。
根据水位观察资料以及结构埋深和水位关系，该工程环境条件特征为干湿交替环境，一般环境对混凝土结构的环境作用等级为1-C。
3、管片常见问题分析
3.1、管片错台
管片错台指的是管片拼装后同一环相邻块管片间或者不同环管片之间的尺寸偏差，前者称环向错台，后者称纵向错台。
管片错台产生的原因主要有：
(1)拼装作业不规范
管片拼装是控制管片错台至关重要的工序，拼装作业的不规范也将直接影响管片成环后的质量。
管片拼装前未将盾尾的杂物清除干净；管片拼装未按照“先下后上，左右交叉，纵向插入，封顶成环”的原则操作；拼装时管片位置调试不到位；管片螺栓未及时上紧或复紧
等不规范的操作都是引起管片错台的重要原因。
(2)注浆控制不合理
盾构掘进过程中不断的在调整盾构机姿态，导致盾构机实际前进路线与设计轴线有一些偏差，盾构机“蛇形”前进，增加了管片与周围土体之间的环形建筑空隙，在施工中一般采用同步注浆来填充。
同步浆液的注入既能抑制地层的沉降，同时又能起到固定管片和加强隧道防水的作用。
但如若注浆控制不合理，也可能引发一些问题：如同步浆液凝固时间较长，管片脱出盾尾后浆液可能仍处于未凝固状态，管片在浆液的浮力作用下可能产生上浮的趋势引起错台；注浆压力过大时，也容易对管片造成挤压引起错台甚至管片破损。
以本工程为例：
在本工程中，盾构开挖外径为6280mm, 管片外径为6000mm ，单环管片长度为1.5m ，厚度为0.3m 。
理论同步注浆量为m D D Q ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡-=)(42
221π。
其中：
D 1—理论掘削半径；D 2—管片外径；m —行程长度
则每推进一环的建筑空隙为：1.5π（6.282
－62
）/4＝4m 3。
注浆量取理论值的 1.2~1.5倍，可算得每推进一环同步注浆量为4.8m 3
～6m 3。
同步浆液浮力F=ρ*g*v=1825*10*（π*32
*1.5）=774KN 。
管片自重G=γ*V=25*（π*32
—π*2.72
）=201.5KN 。
其中管片为钢筋混凝土，自重γ=25KN/m 3。
同步浆液密度取ρ=1825Kg/m 3。
管片在脱离盾尾后收到的力还有：相邻环管片之间螺栓的约束力、推进油缸撑靴提供的竖向摩擦力，而这两个力之和不会超过同步浆液浮力与管片自重之差。
由此可以看出，若管片脱出盾尾后同步浆液仍未凝固时，管片会受到同步浆液的浮力而产生上浮趋势。
(3)盾构机姿态控制不到位
盾构姿态的控制直接影响盾尾间隙的大小。
若掘进时姿态控制不好，容易导致盾尾间隙过小，可能造成管片脱出盾尾时受盾尾挤压产生错台；严重时可能导致管片破损、尾刷损坏等情况。
3.2、管片渗漏
管片渗漏产生的原因有： (1)管片自身问题
管片在制作和养护过程中都可能使自身出现质量问题，如裂缝等。
(2)管片壁后注浆
注浆是隧道的第一道防水，同步注浆不饱满，直接影响防水的效果。
(3)防水材料
管片在使用前需要粘贴防水材料，防水材料粘贴不严密时容易导致管片接缝漏水。
(4)施工过程中产生的问题
由于掘进时盾构机姿态控制不够好及管片拼装时操作不规范，相邻管片之间的止水条贴合不严密，从而导致管片渗漏；掘进行程不足时，可能导致封顶块拼装困难，止水条损坏而引起漏水；掘进时推力过大，管片崩裂导致漏水。
3.3、管片上浮 (1)土方超挖 在掘进过程中，盾构机中心线与隧道设计轴线始终存在一定的偏差，掘进过程中时时都在调整盾构机的姿态，因此盾构机实际的行走路线应该是“蛇形”；当盾构机刀盘位于几种不同地层的交界面时，可能产生“爬坡”和“磕头”现象，导致管片外的实际建筑空间比理论值大，为管片上浮提供了条件。
(2)盾构机千斤顶推力的影响
在掘进时对盾构机姿态的调整都是通过调节各组油缸的推力来实现的，当千斤顶撑靴与管片贴合不平整时，千斤顶将对管片产生一个分力，尤其时下坡段，当坡度较大时，底部油缸的推力将对管片产生一个较大的向上的分力，导致管片上浮。
(3)浆液的影响
同步浆液的初凝时间过长，导致管片在脱出盾尾时浆液仍未凝固，管片收到的浮力大于管片的自重导致上浮。
3.4、管片下沉
(1)注浆量的影响
同步浆液不饱满时，管片外存在较大的建筑空间，导致管片下沉
(2)拼装中产生的问题
在拼装过程中，管片位置调试不当及管片螺栓未及时复紧，导致管片在脱出盾尾后产生下沉趋势。
4、管片常见问题的防治措施
4.1、减少错台的措施
4.1.1 规范管片拼装操作
(1)管片拼装作业前彻底清理盾尾杂物，如有漏浆漏水现象必须补打盾尾油脂堵漏，并清洗漏出的浆液，在确保盾尾无杂物的情况下进行拼装。
(2)利用盾构机的升降千斤顶把管片吊人，再利用滑动千斤顶进行轴向移动，伸出支护千斤顶进行管片位置的矫正。
（3）管片拼装应遵循“先下后上，左右交叉，纵向插入，封顶成环”的顺序，应尽量调校管片位置与上环管片平顺，螺栓孔位置对正，螺栓穿插容易。
用拼装机拼装旋转调整对，用遥控装置操作时不得使用高速按键，井注意掌握使用按键的力度和持续时间，防止移动速度太快、摆动大、移动超限及被装管片与已装管片发生撞击。
（4）封顶块安装前应对止水条进行润滑处理，安装时先径向插入，调整位置后缓慢纵向顶推，封顶块安装到位后，应及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，顶推力应大干稳定管片所需力，然后方可移开管片安装机。
（5）管片安装完后，应用整圆器及时整圆，对许片的变形及时矫正，并在管片环脱离盾尾后对管片连接螺栓进行二次紧固。
（6）管片安装质量应以满足设计要求的隧道轴线偏差和有关规范要求的椭圆度及环、纵缝错台标准进行控制。
4.1.2控制掘进姿态
盾构机过量的蛇形运动必然造成频繁的纠偏，纠偏的过程就是管片环向受力不均匀的过程，所以要求盾构机掘进过程中必须控制好盾构机的姿态，尽可能地沿隧道轴线作小量的蛇形运动。
发现偏差对应及时逐步纠正，不要过急过猛地纠正偏差，以免人为造成管片环而受力不均匀。
4.2防治管片渗漏的措施
4.2.1 加强管片生产过程的监督
(1)管片场应加强对管片模具精度的控制，并控制好混凝土配比。
尤其是管片制作与养护过程中要加强管理，以免发生蜂窝、麻面、裂纹等管片质量问题。
(2)管片吊运时，动作一定要轻缓，要尽量避免发生碰撞，一旦发生碰撞造成缺边掉角后，一定要及时进行修补。
(3)在管片存放时，管片场地一定要做好硬化处理，管片与地面、管片与管片之间一定要要规范要求设置好垫块。
4.2.2防水材料的粘贴
(1)防水材料要按要求粘贴：
①粘贴面应保持干燥、干净、坚实、平整。
②粘贴时用刷子将胶粘剂均匀涂刷在两个粘贴面上，第一遍涂刷后待表面初干，再涂刷第二遍，约15分钟左右使溶剂挥发至用手轻触胶膜稍粘而不沾手时，将两个粘贴面合在一起压实。
③嵌缝槽内不得有渗漏水部位，否则应先进行堵漏处理；嵌缝槽如有缺损应先进行修补；嵌缝槽内不得有积水和污物，否则应先进行清理。
（2）控制同步注浆压力与注浆量
①同步注浆是隧道的第一道也是非常重要的防水线，同步注浆的饱满与否直接影响到隧道的防水效果。
②注浆压力取决于地质情况和地下静止水压力，注浆压力和注浆量控制以确保充填全部建筑空隙。
注浆作业操作要有丰富的经验，过高的压力将导致浆液从盾尾窜入，影响盾构机正常掘进。
压注时要根据实际施工情况、地质情况对压浆数量和压浆压力二者兼顾。
最初的注浆压力是根据理论的静止水压力确定，在实际掘进中不断的优化。
如果注浆压力过大，会导致地面隆起和管片变形，还容易漏浆。
如果注浆压力过小，则浆液添充速度赶不上空隙形成速度，又会引起地面沉陷。
一般情况下，注浆压力取1.1～1.2倍的静止水压力，约0.3Mpa。
4.3管片浮动的控制措施
（1）二次双液注浆和同步注浆
解决管片上浮问题，同步注浆实质上是注浆稳定管片与管片上浮的竞赛，盾构机自身的构造决定通过盾构机注的同步注浆，在浆液性能上的特点决定了浆液不可能限制管片上浮。
唯有双液速凝浆液彻底解决管片上浮的问题。
双液速凝浆液在浆液性能的选择上应保证浆液的充填性能，初凝时间与早期强度，限定扩散范围防止流失才能保证隧道管片与刚岩共同作用形成一体化的构造物。
由于双液浆在同步注浆管过程中易堵管，目前大多数施工单位在未完全解决技术问题的前提下尚不太接受此工艺，为避免盾尾注浆管时常堵塞的现象，可选择双液浆也可选择注稠度较大的初凝时间较短的早期强度较高的单液浆，也可选择在管片注浆孔进行即时注浆，即管片脱出盾尾后采用人工对管片进行即时注浆，但通过吊装孔浆液往往要停止掘进，对工期紧张的标段二者是矛盾的。
在本工程中，盾构机始发前通过对区间各种地层的地质和水文条件差异的分析，配置了不同的单液硬性水泥砂浆，初凝时间12小时-16小时。
实践表明，初凝时问为12小时的浆液能较早的提供强度，且在桨液的运输及泵送的过程中不易造成注浆管路的堵管，不会影响工期。
(2)控制掘进速度
掘进速度的控制也会影响管片浮动程度。
一般而言，在粘土层等较软的地层中掘进时速度比较快，同步浆液很可能跟不上推进的步伐，造成注浆不饱满的情况，管片外的建筑空隙填充不严密，浆液不能稳定管片、限制管片的位移，造成管片浮动。
（3）掘进参数的控制
盾构施工时要控制好掘进参数，尤其是下坡段、两种不同地层的交界处，要防止盾构机产生“爬坡”“磕头”等现象。
5.结论
管片的质量问题直接影响着成型隧道的质量问题。
针对不同的工程，地质与工法都有很多不同，针对上述问题的解决方法也不尽相同。
本文仅结合合肥2号线土建11标工程实例，就一些常见的管片问题进行了分析，并相应的提出来一些改善措施。
6.参考文献
[1].周文波，盾构法隧道施工技术及应用,中国建筑工业出版社，2004
[2].周振国，郭磊，郭卫社盾构施工姿态控制和管片选型,西部探矿工程，2002
[3].叶康慨，盾构隧道管片位移分析，隧道建设，2003。
