盾构隧道管片破损分析及防治措施

盾构隧道管片破损分析及防治措施
作者：张红兴
来源：《城市建设理论研究》2013年第13期
【摘要】本文介绍了管片破损原因及主要影响因素，探讨了盾构隧道管片破损、开裂处理措施，阐明了管片破损修复，对保证隧道安全运营具有一定意义。

【关键词】盾构隧道管片破损防治措施
中图分类号：U455.43文献标识码： A 文章编号：
一、前言
管片缺陷种类
宽度小于0.2mm 的非贯通性干缩裂缝；两相邻管片外表面混凝土毁损、掉角；管片棱角磕碰、翘曲不平；少量几处深度过密封槽且宽度大于0.2mm 的裂缝。

管片破损原因及主要影响因素
钢筋混凝土管片作为盾构隧道最基本的结构单元，其破损的根本原因是管片结构受力超出其承载能力而导致沿混凝土结构内剪应力面出现的破损；施工过程中主要为局部应力集中。

根据盾构施工工艺，成型隧道结构管片主要经历管片生产、管片运输、管片拼装几个主要阶段；由于目前管片生产大多采用标准化工厂制作，其破损主要是工厂内搬运时发生的角部缺角，破损面积及体积均较小且一般均采用了同配比的混凝土进行了修补，在此不做讨论。

1、管片运输
在管片从工厂到施工场地拼装前的过程中一般要进行水平运输和垂直搬运以及堆放过程，由于操作原因常会造成管片的磕触碰导致产生小块破碎。

其主要原因是在运输和摆放过程中操作工人不熟练、搬运吊装过程中摆放力度不适，属管理不当而人为导致的。

2、管片拼装
（一）管片接触面不平整造成破损
拼装时，由于管片环面之间及相邻块间接触面不平整，使得衬砌角部产生应力集中而导致管片角部破碎；拼装时，前一环环面不平整，块与块间有错位，导致下一环管片拼装时出现环
面纵向错台。

当为通缝拼装时易出现错台处应力集中导致角部破损；当为错缝拼装时由于推进过程中管片中间部位应力集中出现纵向裂纹，一般出现在受盾构推力作用较大的拱底块。

（二）管片失圆造成破损
拱顶块安装时，由于先行安装的管片圆度不够，拼装间隙太小，如果强行顶入拱顶块会导致其与邻接块接缝处管片破碎。

破碎部位多发生在邻接块及封顶块接缝两侧；隧道管片实际拼装成环后，衬砌的横向、竖向直径均有不同程度的偏差。

（三）盾构轴线与管片轴线不吻合造成破损
在实际施工过程中，管片与盾构机的相对关系常常不能保持理想状态，当管片的环面与盾构推进方向存在夹角时，其合力作用方向部位的管片容易破碎，特别是当转弯、竖曲线段和纠偏量大时，易产生“卡壳”现象，即两者碰在一起。

盾构机一推进，就会造成管片一定部位破碎。

3、其他原因造成的管片破损
盾构隧道施工时由于风险失控造成管片破损。

隧道施工中出现大面积的渗漏险情造成管片损坏，如上海、南京等地出现过的盾构始发到达渗漏险情造成的管片破损；成型隧道周边其他工程的建设对隧道结构的保护若出现不当，易造成隧道成型管片的大面积的损坏，如上海轨道交通11号线安亭支线区间隧道被京沪高铁施工管桩击穿、南京明故宫站旋喷施工损坏相邻隧道管片等。

二、盾构隧道管片破损防治措施
采用拼装预制混凝土管片作为隧道衬砌的盾构隧道工程中，管片发生破损、开裂与管片拼装过程中管片错台、千斤顶推力位置以及盾构掘进过程中姿态控制等都有一定的关系，管片破损开裂破坏了管片结构，也给隧道的防水带来了隐患。

1、管片上浮的处理
管片上浮后的处理比较难，一旦发现管片上浮超限，应立即停止盾构掘进，对已上浮的管片通过注浆孔进行二次注浆。

注浆材料以双液浆为宜，注浆应顺着隧道坡度方向，从隧道拱顶至两腰，最后压注拱底。

本区间隧道在检测到管片上浮并查明原因后，及时更改了注浆浆液，除保证浆液具有很好的流动性、和易性、密度等要求外，必须确保其初凝时间≤5h。

2、注浆浆液配比与注浆工艺
注浆液的配比、初凝时间、注浆量的多少等都会影响管片安装后的稳定性。

管片在约束条件不好的情况下，易发生变形，会出现管片开裂。

所以，应根据管片上浮规律和盾构推进姿态合理选择注浆孔位、注浆量和注浆压力。

3、盾构姿态的控制
盾构转弯掘进过程中，盾构姿态与曲线段不一致，使盾壳挤压管片开裂、整圆器顶压管片开裂。

与此同时，推进千斤顶在管片端面作用不均匀顶力，盾壳通过盾尾刷对管片产生挤压，从而使整环总体变形；盾尾刷结块硬化、盾尾壳体椭变和隧道旋转、管片连接螺栓未拧紧等因素使盾壳挤压管片；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面受力不均的过程。

因此，必须控制好转弯地段的盾构姿态，宜缓慢掘进，慎重纠偏。

4、管片环面不平和千斤顶撑靴重心偏位控制
（一）因纠偏、管片拼装质量差、环缝夹泥、管片环面不佳等引起的环面不平整，盾构千斤顶作用于管片上产生较大的劈裂力矩造成管片开裂。

因此，要严格控制管片的制作质量，减小管片制作的精度误差；施工过程中要确保管片位置的准确性，盾构掘进完成后检查上一环管片的环面平整度。

（二）千斤顶撑靴重心与管片中心线位置不吻合时，管片由于受力不均造成管片开裂。

造成千斤顶撑靴重心偏位的因素有：管片没有居中拼装、盾构姿态控制不好等。

其相应对策有：更换千斤顶撑靴，使新撑靴的推力重心始终与管片中心线保持一致,同时争取做到居中拼装。

三、管片破损修复技术
1、一般破损的修复
一般管片的破损修复主要采取水泥砂浆修补料修补。

一般以破损是否造成管片露筋现象作为区分标准，针对面积较小未露筋的破损，采取直接抹面修补的措施；针对露筋管片的破损采取锚筋+挂网+水泥砂浆修补的措施。

2、大面积管片破损的修复
大面积管片破损的存在会造成成型隧道承载能力的削弱，需采取衬砌环加固措施。

常见的主要有注浆加固、衬砌环钢板加固、衬砌环碳纤维布加固等。

（一）注浆加固
注浆加固主要是将水泥浆液通过劈裂、渗透、挤压密实等作用，与土体充分结合形成较高强度的水泥土固结体和树枝状水泥网脉体。

常用的注浆浆液主要有水泥浆、水泥一水玻璃双
液浆。

注浆加固修复工艺一般通过管片吊装孔进行，根据“少量多次、对称注浆、注浆压力和注浆量双控”的原则实施。

注浆压力需大于注浆点处的水土压力，根据土体情况及加固要求，注浆压力一般控制在水土压力+0．5 MPa以内，单次每孔注浆量一般小于0．3m³~ 0．5m³。

（二）衬砌环钢板加固
衬砌环钢板加固原理是在破损管片内环面粘贴钢板，利用钢板与管片间填充的高粘结能力高强度的胶粘材料，使钢板和管片成为受力整体，共同抵抗外界荷载。

一般根据管片破损部位不同钢板环有骑缝安装和环内钢套两种形式，前者主要是针对衬砌环缝损环严重情况，后者主要针对管片衬砌环内裂缝发育情况。

其一般工序是在大面积破损部位整环内贴20 mm一30 mm厚的钢板衬砌，通过化学锚栓固定后，再在钢板与管片内环面间隙填充高强胶粘材料(如环氧树脂等)牢固粘结钢板和管片。

该加固方法对隧道净空限界影响小、施工难度低、速度较快且加固整体效果好。

其加固效果的核心是胶粘材料的胶粘能力和锚栓的作用。

（三）衬砌环碳纤维布加固
该加固方法施工工艺为：施工前对管片衬砌表面存在的破损修补平整、裂纹灌浆封闭，然后再对粘贴碳纤维布部位的混凝土基面进行打磨处理并清除粉尘使混凝土基面基本平整、洁净、干燥。

在混凝土基面涂刷胶粘剂，全表面满布碳纤维布，刮压碳纤维布表面使胶粘剂渗出，再次涂刷补充粘结剂，充分刮压排出内部气泡，使碳纤维布平直密贴并被胶粘剂浸透。

结论
在盾构隧道施工过程中，通过采取各种措施，减少管片破损现象，防止隧道结构损坏，对保证隧道的安全运行，具有一定的意义。

国内当前多数城市地铁建设还处于起步阶段，管片破损危及行车安全的相关问题还未显现，但在上海早期运行地铁隧道已开始出现该类问题，如何做好管片破损的治理工作，其选用修补材料性能的优劣，修补质量的好坏，采用工艺的可靠性对后期行车安全尤为重要。

【参考文献】
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