王小健

（成都地铁有限责任公司　四川省　成都市　610041）

地铁盾构管片质量成因分析及防止措施

王小健

（成都地铁有限责任公司四川省成都市610041）

本文主要通过对膨胀性泥岩地层中盾构掘进出现的隧道质量问题进行深入分析，总结出造成管片质量问题的主要影响因素并如何控制管片上浮和盾构机姿态问题提出一些建议方案，为类似地层盾构施工的质量控制提供借鉴。

成型盾构隧道；管片质量缺陷；预防措施

1　工程概况

1.1工程概况

成都地铁1号线南延线盾构隧道工程起始于科技园盾构始发井，止于广都北站西端头，本工程包括：科技园站～锦江站～华阳北站～华阳站～广都北站4个盾构区间。

1.2地质情况

锦华区间左右线隧道地质情况见表1～2。

表1　锦华区间已掘进隧道线路平面概况表

表2　锦华区间已掘进隧道线路纵断面概况表

1.3锦华区间水文情况

1.3.1地下水类型

下穿段地下水主要有四种类型：①赋存于粘土层之上的上层滞水；②赋存于粘土中的裂隙水；③第四系孔隙水；④基岩裂隙水。

隧道洞身范围主要处于第四系孔隙水与基岩裂隙水。

1.3.2土层的水文特性

（1）杂填土①：分布于地表，渗透系数差异较大。

（2）粘土②3：为弱透水层，富水性较差，位于地下水位以上，根据成都地区经验系数，渗透系数k=0.01m/d。

（3）粉质粘土③3：为弱透水层，富水性较差，位于地下水位以上，根据成都地区经验系数，渗透系数k=0.02m/d。

（4）粉土④：为弱透水层，富水性较差，位于地下水位以上，根据成都地区经验系数，渗透系数k=0.5m/d。

（5）细砂层⑤2：为中等透水层，呈透镜状分布，根据成都地区工程经验系数，渗透系数k=8.0m/d，富水性较好。

（6）卵石土层（⑥2、⑥4）：广泛分布，渗透系数k=25.0m/d，为强透水层，富水性好。

（7）强风化泥岩⑦1：广泛分布，为弱透水层，富水性差，根据成都地区经验系数，渗透系数k=0.2m/d。

（8）中风化泥岩⑦2：广泛分布，为中等透水层，富水性差，局部裂隙发育，根据成都地区经验系数，渗透系数k=0.2m/d。

据水文实验资料可知，⑦1、⑦2地层渗透系数K为0.2m/d，均属弱透水层。区间隧道大部分位于该中等风化泥岩中，受地下水影响较小。

2　错台破损统计

经现场统计，锦江站～华阳北站盾构区间左线隧道已掘进374环，其中64环管片破损，破损率为17%，7环管片错台大于20mm。右线隧道已掘进199环，其中48环管片破损，破损率为24%，6环管片错台大于20mm。

由数据统计可以看出，管片破损部位主要集中在为11点、12点、1点时钟点位管片螺栓孔位置。

3　原因分析

3.1管片上浮

图1　线168环～196环管片上浮曲线图

由图1可以看出，区间管片普遍存在上浮现象，管片脱出盾尾后的最大上浮量达到78mm，管片上浮近一步加大了管片法面与盾构掘进方向的夹角，导致管片破损。产生管片上浮主要有以下原因：

（1）通过计算管片脱离盾尾后4环管片，同步注浆浆液对管片的浮力远大于管片自身重力，又因为同步注浆采用初凝时间为6～8h的砂浆，因此使管片有足够的上浮时间。

（2）同步注浆不饱满，管片存在上浮空间

目前盾构使用的39#、40#刀具尺寸为18寸，开挖面理论直径为6305mm，刀盘面板直径为6280mm，盾构前盾外径6250mm，盾尾外径6230mm，盾构机与开挖面存在一定的空隙，同步注浆时，浆液通过空隙窜向刀盘前方。导致同步注浆不饱满，使管片外侧与土层之间的间隙没有及时有效地充填。

图2　盾构机刀盘分布图

（3）盾构机千斤顶分力大

目前盾构处在26‰纵坡段掘进，千斤顶的推力方向与管片的环向轴力不平行时，千斤顶向上的分力加剧管片的上浮。

综合以上三点，管片上浮量较大，是导致管片错台、破损大的重要原因之一。

3.2盾构机推力不足

前期盾构掘进时总推力较小，仅有900t左右，作用于管片上的反力相应较小，管片与管片之间的挤压力不够，导致管片接缝不严。管片上浮时，环向螺栓由垂直方向变倾斜，造成管片产生错台，从而出现螺栓孔部位的破损以及裂缝、渗水。

3.3盾构机姿态不佳

（1）根据前期掘进施工总结，如果盾构机中前盾成直线掘进，盾首将会发生磕头现象，为避免此情况的发生，我部一直采用盾构机抬头向前掘进，方可保持盾构机以较为平衡的状态掘进。采取此措施后，推进千斤顶油缸上下压力差在100～120bar，铰接油缸上下行程差在80～100mm，使盾构机出现“V”字型掘进。

（2）由于管片脱出盾尾后的上浮量较大，管片上浮时对盾尾有向上的顶力，使盾构机出现更加明显的“V”字型掘进，实际施工中上部盾尾间隙基本在35～40mm之间，管片在未脱出盾尾前始终受到盾尾挤压变形，脱出盾尾后约束力消失，掘进过程中管片又受到盾尾的拖拉，加剧了管片破损。

4　预防措施

4.1防止管片上浮措施

（1）调整同步注浆浆液配合比。将每方浆液水泥用量调整为180kg，砂用量调整为800kg，增大浆液的粘稠度，加大同步浆液的密度，将同步浆液初凝时间为3～4h，注浆量控制每环6.5方以上，注浆压力控制在2.0～2.5ar。另外每隔两环对管片顶部注浆孔位置开孔，检查同步浆液的注入情况、观察初凝时间，结合实际情况调整浆液。

（2）在目前已经掘进脱出盾尾后的3～4环进行整环二次注浆，形成止水环箍，阻止后方地下水向前方流动。

（3）施工中加强二次注浆控制，在管片脱出盾尾第3环，每隔5环进行二次注浆，形成止水环，控制管片上浮。二次注浆浆液为水泥浆和水玻璃双液浆，水泥浆水灰比为1：1，水玻璃与水按1：1稀释，注入时浆液与水玻璃体积比为：水泥浆：水玻璃=4：1，初凝时间为20s，注浆压力控制在0.2～0.4MPa，二次注浆时以压力控制为主。

（4）管片螺栓要求拧紧，并严格执行三次复紧，使得脱出盾尾的管片成为一个整体，减少管片错台。

（5）加强拼装完成的管片姿态测量，做好拼装过程控制，及时发现存在的问题并处理。

（6）根据前方线路及地层情况，并结合实测盾尾间隙、超前量预测管片趋势，做好管片选型。

4.2优化掘进参数

根据地层及线路变化，实时调整、优化掘进参数，建立土压平衡模式掘进。实际掘进时盾构机姿态控制应做到，勤纠、缓纠，通过千斤顶分组控制、铰接灵活运用等方式，在隧道轴线控制在设计允许偏差范围内前提下，使盾构机掘进轨迹保持平顺，避免盾构机姿态突变。

（1）盾构机掘进姿态调整与纠偏应掌握下面几个原则：

①盾尾间隙控制为主，线型控制为辅；

②掘进过程中一次纠偏量不能过大，每环纠偏量控制在4mm以内，防止纠偏量过大造成盾尾间隙过小。

③掘进过程中，推进油缸各区力差不能过大，尤其是上下油缸压力差，当总推力不足时适当加大左右推进油缸压力。

（2）试掘进时，逐渐增大盾构机推力。逐步将盾构机推力增加到1100t～1200t，土压增高到1.2～1.3bar，掘进速度控制在30～ 40mm/min。

（3）对盾构机刀具进行了更换，将39#、40#18寸刀具更换为17寸刀具，减小盾构对土体的超挖量，从而防止管片拼装时盾首姿态向下突变10mm左右。减小掘进过程中盾首姿态向上纠偏，避免盾构机成“V”字型。

（4）推进油缸行程控制在1800mm以内，有益于盾构纠偏过程中的盾尾间隙量测和控制。

4.3规范管片拼装行为

（1）管片拼装前必须清理盾尾拼装部位的污泥与污水，并清理干净前一环管片迎水面与盾尾间隙中的杂物，在盾尾无杂物、无积水的情况下才能开始拼装管片。

（2）管片拼装应遵循由下至上、左右交叉、最后封顶的顺序，必须运用管片安装微调装置，将待装的管片块与已安装管片块的内弧面调整到平顺相接，螺栓孔位置对正，螺栓穿插容易。

（3）盾构拼装时，千斤顶不得全部缩回，拼装完成后及时顶出千斤顶，使之顶紧管片。

（4）管片拼装时，操作人员应认真操作，拼装机动作应平缓，避免撞击已拼装管片。

（5）封顶块安装前实测并确保两邻接块间间距，安装止水条前涂抹润滑剂，安装时先径向插入，调整位置后缓慢纵向顶推，严禁借用推进千斤顶强行顶推。

（6）管片拼装过程中，必须严格控制管片拼装的垂直度、椭圆度及螺栓的拧紧力矩，避免出现横、竖鸭蛋，管片内翻、外翻等现象。

5　总结

通过对锦～华盾构区间管片破损原因分析，可以看出在膨胀性泥岩地层中盾构施工，由于管片上浮造成顶部盾尾间隙变小，是造成管片上部1点、11点破损的主要原因。管片姿态控制不当也是一个原因，由于盾构纠偏过程中，管片姿态不能跟上盾构机姿态，造成管片与盾体之间存在夹角，造成管片受力不均，以及有效推力降低。通过原因查找可以总结出在同类地层盾构施工时，应加强盾构机姿态管理，控制开挖直径，加强同步注浆，规范管片拼装质量，采取有效措施控制管片上浮。

U455.43

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1673-0038（2015）12-0223-03

2015-3-5

王小健（1976-），男，工程师，从事地铁工程质量管理和工程验收工作。