浅谈盾构法常见质量缺陷及原因分析

浅谈盾构法施工常见质量缺陷及原因分析

天津市地下铁道集团有限公司，天津300051

摘要：本文总结阐述了盾构法在施工过程中经常遇到的一些质量缺陷，包括隧道渗漏、管片裂纹、管片破损、管片扭转、隧道轴线偏差和地表沉降与隆起，分析了上述质量缺陷产生的原因，提出了预防和处理上述质量缺陷的方法，为隧道盾构法

施工提供了合理的建议，便于有预见性的进行管控。

关键词：盾构；质量缺陷；原因；管片

引言

盾构法(Shield Method)是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法[1]。盾构法的施工原则就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，从而最大限度地减少对地面建筑物及地下埋设物的影响[1]。使用盾构法施工有许多优点：除竖井施工外，施工作业均在地下进行，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪声和振动影响；盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也比较少；土方量少；穿越河道时不影响航运；施工不受风雨等气候条件的影响；在地质条件差、地下水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较高的技术经济优越性[2]。在城市市区建筑公用设施密集，交通繁忙，明挖隧道施工对城市生活干扰严重，特别在市中心，若隧道埋深较大，且地质条件复杂时，用明挖法建造隧道很难实现，而盾构法施工却具有明显的优点。但施工中的一些质量缺陷问题需要引起重视和及时处理[3,4,5]，如衬砌环的渗漏、裂纹、错台、破损、扭转以及隧道轴线偏差和地表沉降与隆起等，本文对上述问题产生的原因进行了分析，并提出了预防和处理上述问题的方法与建议。

1隧道渗漏

盾构法隧道施工中衬砌环的渗漏现象在目前施工中普遍存在[6]，造成渗漏现象的原因有很多，其中主要原因归纳有以下几点：

1. 管片的自身防水效果不佳。造成其自身防水效果不佳的原因主要有两个方面：首先是管片混凝土质量有缺陷，混凝土采用的配合比、浇捣工艺、养护时间和方法、以及外加剂使用量等都与管片的防水效果密切相关；其次是管片的制作精度，国内外盾构隧道施工实践表明，采用高精度钢模是提高管片精度的重要条件。通常要求钢模的随机合模精度应高于管片的精度，常用的管片精度要求宽度为±1 mm或弧长4-0．5 mm，为了确保模具的完好和精度，通常生产400—500块管片后就要对钢模进行必要的检修。

2. 施工工艺以及后续操作不当引起的管片渗漏。首先是管片背后注浆的施工，管片背后注浆是防水工程的一项重要环节，实施得好与坏，直接影响到隧道的施工质量，这已经被工程实践所证实。虽然管片背后注浆主要用来控制地面沉降，但客观上也是隧道的第一道防水防线。因此注浆量不足不仅会使隧道后期产生较大的沉降变形，也会导致漏水情况发生。其次是掘进过程盾构姿态不当引起的渗漏，盾构机在上一环管片的姿态不好时，将直接影响到下一环管片的拼装质量，造成管片间错位，相邻管片止水带不能正常

吻合压紧，从而引起漏水。

3. 管片选型不当引起的渗漏。当盾尾间隙不均匀或过小，且管片选型不当时，在掘进过程中容易造成管片外壁甚至止水条损坏，导致漏水情况发生。所以盾构管片选型原则是：首先依据线路特点，再根据盾构机所处的姿态、盾尾间隙和千斤顶的行程差来选择。

4. 操作不当引起的渗漏。由于掘进行程不足导致封顶块插入困难，进而造成封顶块处止水条破损漏水。因此拼装封顶块时应先测量宽度是否足够，宽度不满足时需要调整，不得强行插入，在插入的同时可以在止水条上涂抹一定的润滑剂，但应注意使用的润滑剂不得对止水条的性能产生不良影响。管片的连接螺栓没有拧紧会导致管片接缝的扩张，在掘进停止后管片因轴向受力减小呈松弛状态。所以在拼装时要拧紧螺栓，在掘进过程中要及时对后续几环管片的螺栓进行复紧。千斤顶撑靴摆放不正导致止水条脱落或破损也会造成漏水。此外管片在运输和吊运过程中造成掉角、损边等情况，导致管片在破损处不能很好的密贴也会造成管片渗漏。

2管片裂纹

盾构管片产生的裂纹在盾构施工中存在较多不利因素，如在管片开裂处漏水、崩裂掉角，在运营期漏水导致混凝土脱落甚至会给运营带来很大的安全隐患，减少使用寿命。在管片上出现的有代表性的裂纹主要有正向和负向两种，正向裂纹位置主要位于隧道的中部以上，裂纹的开口方向与盾构的掘进方向一致，这种裂纹所占比例较大；负向裂纹相对于正向裂纹出现的相对较少，如果出现也相对比较集中。产生裂纹的原因有以下几种：

1. 管片在生产、运输过程中产生裂纹。第一阶段是在管片生产过程中和管片脱模以后的养护阶段处理不当造成的开裂，在管片表面产生的裂纹能够目测到；第二阶段是在养护28 d以后，在出厂运输、吊卸、使用过程中发现的微细裂纹，管片受到集中应力作用，裂纹就迅速扩展。在地质特点、管片配筋、混凝土的配合比等相类似的情况下，使用喷淋养护的管片，当总推力达到1200t-1500t时，开始出现裂纹，而蓄水养护的管片完好无缺，蓄水养护的管片甚至在推力达到2800t时，仍未发现裂纹，表明在管片的生产过程中，养护是很关键的。国内目前大多采用水泥含量超过400 kg/m 的C50混凝土管片，只有通过7 d以上的蓄水养护，充分进行水化作用，才能增强混凝土的密实度，从而更有效的从源头控制管片出现裂纹。

2. 管片在施工过程中出现裂纹。这个阶段的开裂主要是由于作用于管片上的力造成的。作用在管片上的力主要分为掘进推力和注浆压力两种，作用力过大或者不均匀均会造成管片出现裂纹。首先土仓压力调整不当会导致总推力逐渐加大，随着掘进总推力的加大管片开裂的几率也将开始加大；其次是拼装管片前对盾尾清理不干净，使得管片的接缝内夹有杂物，造成整环管片的环面不平整，推进时管片因受到不均匀的作用力会产生裂纹，或是在拼装过程中因拼装顺序或管片类型选择错误使得环面不平整，导致受力不均匀产生裂纹。另外在进行管片的二次注浆时，因注浆压力过高也会导致管片出现裂纹。

3. 已完成的隧道上浮也会造成管片产生裂纹。在中风化或者微风化的地层中掘进，盾尾同步注浆浆液未及时凝固或注入量不够，会造成隧道不同程度的上浮，不均匀的上浮会造成管片出现裂纹。

3 管片破损

管片的破损大多数是由于操作不慎造成的，一般表现在端面和吊装孔的位置。主要原因有：吊运和拼装过程中的碰撞；管片安装器操作不当造成吊装孔附近混凝土被拔脱；姿态调整时，急于纠偏造成管片错台，引起管片外壁或螺栓孔处破坏；在管片发生扭转的时候，推进千斤顶撑靴偏离了管片所设置的抗剪加强区，导致管片端部的混凝土开裂破坏。

4 管片扭转

管片扭转虽然并不影响到结构的质量和使用，但扭转会导致管片端部与千斤顶的作用面的受压区混凝土开裂或相邻两块管片接缝处蹦角破坏。导致管片扭转的原因主要有：刀盘长时间朝同一方向转动，盾构机在相反方向的扭距作用下，通过千斤顶带动管片发生扭转；因管片螺栓孔径尺寸误差积累和拼装顺序一个方向的次数明现多于另一方向；在线路转弯段，推进千斤顶作用力产生不对称的横向分力，对管片产生的附加扭矩。刀盘和管片安装器朝两个方向的旋转基本保持均衡状态可以减小衬砌环的扭转，另外施工过程中还可以通过增大衬砌环的抗扭阻力来消除或减小衬砌环的扭转。

5 隧道轴线偏差

通常情况下，隧道轴线偏差一般都是普遍存在的，也是永久性的质量缺陷，发生隧道轴线偏差的主要原因有以下几点：

1. 掘进姿态控制的原因：因操作人员的姿态控制错误，出现过大的轴线偏差；相关的掘进指令错误，没有正确预见；因测量错误或误差原因引起错误的姿态控制造成轴线偏差。

2. 地质条件的原因：地质条件原因引起的轴线偏差一般容易出现在中风化或微风化地层，这种地层一般均富含地下水且掘进姿态不易控制，在这种情况下操作控制盾构机的姿态时一般应预先向轴线偏差相反方向进行控制，同时进行相应的处理，如注双液浆对地层进行改善。

3. 衬砌环背后注浆的原因：掘进过程中都进行了同步注浆，由于同步注浆的浆液初凝时间较长，导致浆液的初期强度不能满足限制隧道上浮的要求，造成隧道上浮形成轴线偏差。

6 地表沉降与隆起

地表沉降或隆起一般容易出现在软土或砂层地质中。如果在隧道上部有管线、道路或是建筑物，会因地表的沉降或隆起会引起管线断裂、交通中断，导致地面建筑物的不均匀沉降、开裂，甚至倒塌，产生较大的负面社会影响。地表的沉降或隆起主要有以下几点原因：

1. 掘进过程中出土量控制的原因：一般情况下，掘进一环的出土量是固定不变的，但是根据地层的不同其松散系数也是不一样的，如果在掘进过程中出现超挖造成出土量过大，必定会引起地表不同程度的沉降。

2. 衬砌环背后注浆量的原因：衬砌环壁后进行同步注浆一般对地表的沉降控制有很好的效果，但是因掘进时出土量过大但注浆量不够，或是由于浆液的凝缩量过大均会导致地表沉降。反之，如果注浆量过大将会引起地表的隆起。

3. 地质条件的原因：在砂层地质段掘进如果出现塌方或喷涌而较难控制出土量时将会导致地表沉降；还有一种情况就是在富含地下水的地层中因为水土流失同样也会出现较大的地表沉降。

7 结论

本文针对盾构在施工中容易出现的一些质量缺陷进行了归纳总结，并对其出现的原因进行了分析。为盾构施工中有预见性的进行管控提供了经验，减少或避免出现质量事故；为从事隧道或地下工程的工作人员提供一些合理化的建议。

参考文献：

[1]陈馈等. 盾构施工技术[M]. 人民交通出版社, 2009,5.

[2]张博. 地铁盾构法施工风险管理与应用研究[D]. 中南大学, 2009.

[3]周文波等. 我国软土盾构法隧道施工技术综述[C]. 上海国际隧道工程研讨会文集, 2007.

[4]沈征难. 盾构掘进过程中隧道管片上浮原因分析及控制[C]. 现代隧道技术,2004(06).

[5]张飞龙. 兰州地铁盾构施工对邻近建筑物影响分析[D]. 兰州交通大学,2013.

[6]温竹茵等.盾构法隧道防水堵漏技术的研究[J]. 世界隧道,1999(01).

[7]吴怀娜等. 上海越江隧道渗漏现状调查与分析[J]. 地下空间与工程学报,2013(03).