盾构隧道施工期管片开裂原因和相应对策

盾构隧道施工期管片开裂原因和相应对策1施工阶段管片受力分析盾构隧道在施工过程中管片衬砌受到的主要荷载有千斤顶推力、注浆压力、上浮力、盾壳作用力、拼装荷载等。（1）千斤顶推力千斤顶推力是盾构隧道掘进的驱动力，它反过来作用在管片上，是施工过程中隧道衬砌在轴线方向最大的外力。在目前国内地铁盾构隧道施工中，淤泥质黏土层中总推力一般为8～12MN，细沙土地层中总推力为12～15MN，全断面砂土地层推力则为15～20MN，复合地层推力有时候达到20MN以上，大型跨江海盾构隧道千斤顶推力通常都在30MN以上。（2）注浆压力依据盾构工法的特性：拼装好的衬砌脱离盾尾后，由于盾壳原来占据的空间、为衬砌的拼装操作所留空隙、盾构推进时带走的部分粘附于盾壳上的土体所形成的空隙等，在衬砌环背面与实际开挖洞壁间存在环形空隙，使土体暂时处于无支护状态，该空隙即为盾尾间隙。盾尾间隙的大小是由盾构钢壳的厚度和盾尾操作空间决定的，一般为8～16cm。盾构工法施工中，对盾尾间隙的处理，即壁后注浆是施工的关键。壁后注浆在填充盾尾间隙、加固土体的同时，对管片也产生了一定压力，该压力达到一定程度时，可能引起管片局部或整体上浮、错台、开裂、压碎或其他形式的破坏。（3）上浮力盾构隧道的壁后注入的水泥浆液一般需要5～7h的初凝时间，而通常情况下这期间盾构一直在向前掘进，如果周围地层满足一定条件，一定范围内的土体未能及时握裹住管片，那么在这几个小时内有一段管片是悬浮在注浆浆液中的（或者是水、泥浆等），这就产生了管片上浮力（浆液浮力扣除管片自重）。（4）盾壳作用力管片与盾壳之间存在着一定摩擦力，盾尾密封刷对管片环也存在一较为均匀的环向压力，一般情况下这些荷载不会对管片结构造成影响。但是，当盾构在曲线段掘进、纠偏，或者因其他原因造成盾构长时间停止掘进（造成盾构机“栽头”发生）时，盾壳对管片造成的荷载尤其是挤压荷载就变得不可忽视，如图1所示。图1盾壳作用力（5）拼装荷载拼装荷载主要是管片拼装过程中作用在管片上的装配器荷载。管片拼装器在拼装管片的过程中需要来回调整拼装位置以安装纵横向螺栓，若上一环管片断面不平整，管片位置不精确，会导致下环管片的受力不均匀，在带来螺栓安装困难问题的同时，亦在管片内部产生了不均匀次生应力。盾构隧道管片在施工期受到的其他施工荷载还有诸如后备套设备自重、管片运输车自重以及真圆保持器千斤顶荷载等。2施工荷载对管片结构的影响2．1管片裂缝之施工期管片裂右缝原因分析平（1）钟盾壳集中者力作用恢在前文滥所述“盾壳作争用力”的情况肠，盾构机械在管姿态调整过程宵中会产生应力拦集中效应，应刚力积聚到一定侧程度，即会在渣管片表面产生你裂缝，如图及2裹所示。由图可徐见，管片在筒营体内时会滚受到盾壳筒淋体约束，但管阵片一旦脱离筒茂体，应力就会望立刻释放，所估以离开筒短体最近惕的一环管片最帮有可能破裂。荷图悼2定盾构机姿态增调整产生裂缝堵（2）千斤顶表的不良顶力框盾构掘进过程顶中最为理想的纵状态是管片环肝中线轴线与盾肆构伯机中心铸轴线重合，而给实际宾掘黄过程中这两轴蜻线的偏差时时势存在，从某种磁程度上讲，盾柜构掘进的过程裹也是盾构机的哭轴线不断调整鹿的过程。因为预两轴线的偏差良，经常会造成铅千斤顶的中心狗没有作用在管储片环的中心上伯，造成管片偏派心受压，产生研轴向弯矩，当葛此弯矩达到一见定程度，亦会敬产生管片裂缝咸，如图悬3链所示。愿图愈3坊千斤顶偏心限荷载致使管片倚裂缝斤通常情况下，孕为加大千斤顶隐与管片环端面翻的作用面积，宾在千斤顶与管怜片接触处都设贴置欧有撑靴，当撑黑靴志损坏或其他原锯因宰致使撑靴倾斜洽地作用在管片裙的接头面上时击，会对管片结倾构造成局部较摘大剪应力，也忆可能产生管片报裂缝，如图杏4省所示。农图僚4葬千斤顶集中默荷载致使管片溪裂缝漏（3）管片错扭台所致支盾构隧道施工奥过程中，管片舱错台是经常发阻生的现象，而泼其反映在结构赖上则是减小了司该处的受力厚票度，改变了管厌片结构的受力傅状态，造成应确力集中，通常左也会造成管片闭裂缝，如图期5两所示。殃图翁5往接缝错台致师使管片裂缝愤（4）拼装间熟隙所致赢盾构隧道管片春拼装管片时，稍一部分千斤顶咽需要缩回，即绪产生了局部应钱力释放，造成共已拼装好的管京片发生局部位停移，产生拼装机间隙，使得环甚向接头面上的体不平整，在千盐斤顶作用下产跪生应力集中现握象，进而产生砌管片局部裂缝绍，如图踪6合所示。景图阿6雁管片拼接间批隙产生裂缝胡2.2管片恶局部破损嘉盾构隧道管片萄的局部破损多盗发生于连接螺容栓的手孔处、项定位孔边缘以绝及管片周边位察置，也是盾构之隧道施工期经缺常遭遇的一类惜破坏形式。一奥般是因为在吊功装、运输或拼兰装中遭受了冲何撞、磕碰、摩脚擦、挤压所致灵，图净7温为某盾构隧道歇管片在定位孔报位置的破损现牲象。窄图余7扰管片局部破促损蚁2.3止水农条损坏，管片捕渗漏票在盾构隧道施殿工过程中，本敌文前面所提到亡的管片间的错碑位（错台）会忧使得相邻管片毫的止水晓条不能煎正常吻合，导宽致管片渗漏水欢。各种裂缝，斗尤其是贯穿性胆裂缝，也会引困起管片渗漏水讨。连接螺栓未尊拧紧会使得管朵片在停止掘进铁后呈松弛状态亡，造成接缝的翻扩张，让止水冠条无法腥紧密结合，也双是造成管片渗竞漏的原因。掘到进中酒千斤顶撑靴摆仓放肃位置不对，致戏使止水条损坏毫，也是管片渗嫩漏的潜在因素恰。此外，拼装云过程中不慎将夸止水蹲条擦挤道错位或脱落，丹也会造成管片陕的渗漏（尤其救是在插入封顶浙快时）。图闲8个为管片拼装塌过程伐中止水条脱落碍的图片，图仓9寄为拼装好的陪管片发生较大冒面积的渗漏水欺现象的图片。援图垂8鲜拼装封顶块拉时止水条脱落袭图饥9线管片渗漏水册2.4管片志错台疯前已提及，管博片错台是盾构讽隧道施工中常乓见的一种现象巨（图析10逼），错台和本婚文前面所分析黄的管片裂缝往哭往相伴而生，慌发生大的错台忘的时候，往往析会产生管片裂燕缝或破损。对脆于管片错台的深原因，注浆压悉力、上浮力、坑拼装荷载、千告斤顶荷载、盾仗构机的姿态调症整以及管片的快制造误差等，残都可能造成管僻片错台。时图闲10或管片错台杯3施工期管厚片破损保护沾3.1掘进傍千斤顶控制绝3.1.1糕盾构掘进姿态国的合理纠偏膊盾构姿态是指周盾构机在掘进隐过程中盾构机丸与设计隧道的锈相对形态，片译姿态是指在掘援进过程中，所副拼装的管片与搜设计隧道的相察对形态。二者农主要表现为左帜右偏移和上下武偏移4种形弱态，具体表现电在盾尾间隙堪、盾构掘进时斥油缸行程差、币管片错位以及杰盾构轴线偏移很等。纠偏时，同纠偏半径一定飘要大于偏移半决径，即R纠>R偏兔，即盾构机的颈纠偏散角必须浩小于已偏移的赵角度，如图偏图国11透盾构纠偏示抖意图识盾构机纠偏不随能很快地把盾东构机调整到正烂确的姿态上去艘，一般要通过除数环管片的渐厨进性修正。纠阻偏时，先将盾顽构机偏角缓慢渡变小，但盾构识机仍为偏离状宇态，拆控制盾尾间隙壁为微小变化，腹经过一段距离算后，盾构机姿天态才纠偏完成辉。切忌一次性留纠偏到位，如梁果采用一次性劈纠偏味到位，首先管展片可能无法拼珍装，即使能够华拼装，一定会射造成管片上应确力集中，从而翻使管片推出盾他构筒体后产生曲爆裂；其次，针若急剧纠偏，爽盾构机将立即帆出现另一个姿步态偏移。而且亏，在盾构掘进之过程中，臭当盾尾间隙盯和行程器出现邀偏差时，应凉先及时恐测量监控，确勺定是管片姿态它出现问题还是男盾构姿态出现临问题，然后再福考虑纠偏。椒盾构纠偏时为夺防止纠偏过急办及产生内裂，榆应采取如下措顽施：片盾构机偏移方惯向使用较多油恐缸的同时，在切纠偏方向使用添适当数量的油处缸，用以防止捕纠偏角度过大臭，减小应力集过中救适当调节油压孝，形成合适的灯油压差以防止乞应力过于集中尊。叉3.1.2扩逐步应力释放捆及时将千斤顶筹顶炊进过程巴中施加给管片暮的预应力予以咏释放，通过在饿应力集中部位悦发生一定位移两，让应力在拼巡装好的管片中雁再次调整，重荷新分布，在一话定程度上也会炒起到一定预防箱施工期管片破酸损的作用。步3.1.3涨地层对应趟不同的地层对疼油缸的选择反萍应灵敏程度有案所不同。比如弱，在软地层中记掘进时，加上城一支顶进油缸范盾构姿态就会定有很明显的变枣化，而在围岩买情况较好的风做化岩层中掘进悄时，粱由于盾壳筒烧体受到较大的状径向摩擦，即皱便是加上几支爬油缸，盾构纷机整体落反应程度也比客较小。所以，蝶盾构机的姿态身控制是经验性傅较强的一门技估术，不光需要伴操作手高度的拼责任心、较好扭的业务素养，怜还需要果断而含灵敏的判断和喇反应能力。炸3.2珍注浆压力控制寨注浆压力是施模工过程中管片缴所受到的谜一森重要施工荷载弃，若该压力过懒大，经常会造拆成管片的变形错和错台，严重营时甚至会剪断听连接螺栓，尤姜其是封顶块，替注浆压力经常伤会使得封顶快邪有向隧道内部饼空间发生位移检的趋势。所以贼，施工过程中塘对注浆压力的滚控制显得尤为辨重要。南3.3见螺栓二次预紧挖管片拼装时，翠每拼装一块管辱片都会立即安音装上连接螺栓僻，一环拼装完稠成时，一般该摧环能够命安装的螺栓也萝会安装完成。硬值得注意的是给，随着盾构机离不断向前推进行，已拼装好的焦管片由于受千项斤顶荷载作用盈，会发生沿盾疮构轴线方向向朋后的位移，该题位移的发生会屑使得已安装的葛螺栓出现松弛蚁现象，随着盾范构机的持续推吹进，千斤顶推礼力对后方已拼及装好的管片的途荷载效应会越巩来越小，此时毙，螺栓的松弛原效应即显现出枪来，便会出现棍管片错台、接电缝位置渗漏水塌等现象。翼实践证明，在胳盾构机掘进过核程中，及时对否已拼装好的管滥片的连接螺栓站进行二次预紧素（甚至多次预诵紧），对保证庆拼装精度、防誓止管片错台、养渗漏等问题都土有积极作用。很4待管片的修补喉4.1司材料的选用吃水泥：采用硅斯酸盐水泥或普屯通硅酸盐水泥兔，强度等级宾≥32.5M根pa,月质量要符合《添硅酸盐水泥，拒普通硅酸盐水址泥》（滨GB175-昼1999壳）质量标准。挡本工程采用探42.5症号二级白色硅紧酸盐水泥，乳42.5底号普通硅酸盐致水泥。喝细骨料：洁净遣无污染的中砂江，细度模数践2.3-3.膏0火，含泥量膜≯酿3%跑，其他技术指骤标符合薄TB1021运0-2001仇标准要求。乒外加剂：始胶黄粘补剂些、益“翁丙乳勒”叮液表(剩二烯、苯乙烯奇共聚寿勿扫乳液垂)号。霸4.2字配合比设计绳配合比的设计和不仅要求砂浆效的强度，还要拉要求修补后的桂砂浆颜色于管尚片的颜色一致正。配合比经试柳验室试配和现护场反复试验来今确定较为理想药的配合比，实砖际施工可跟据捷现场原材料的宵实际情况作适怖当的试配调整枪，一般可分为笨水泥浆和水泥窑沙浆两种。水宏泥浆主要用于胁修补管片小蜂婚窝，小气泡；偷水泥沙浆主要蜓用于修补裂缝饱及大于陕2肢毫米绩的气泡、气孔躺、蜂窝、孔洞猛、缺角等。水盼泥浆和水泥沙晃浆配合比如下懂所示：水泥浆配合比粱材料例原色水泥粉白色水泥唉水歇粘接剂骗比重所1轻1遥0.54叫0.48垒注：水泥浆掺仙入适量的扁“筒丙乳袭”激液（拥“愉丙乳同”笼液为：丙乳阳:德水斗=1:1着）废水泥砂浆配合营比戒材料副原色水泥顾白水泥椅砂屡水构粘接剂剖比重表1垒1京7.5贝0.72雹0.3铸注：水泥砂浆沾掺入适量的慈“狂丙乳吩”姨液（蚀“恒丙乳胖”顺液为：丙乳已:义水膏=1:1跨）谋4.3饥材料的运输踏由于所用材料侄的量较少，不溜需要用电瓶车压运输，只须在鬼地面人工拌合站好修补材料后绿，人工搬运雪至施工构点即可，逝如遇须高空作讲业露，可搭设能移架动的简易脚手择架及施工平台林。工具、设备乡的运输必要时墨利用隧道内电线瓶车运输。般4.4变主要方法与步跃骤恒1厌、对管片外表边面的少量裂缝办或表面少许破晒损均可采用庆“榨丙乳嫩”跳液拌合的水泥耍浆填补，用灰旅匙荐压平，且使用亮厚泡沫苏海棉皂块蘸浆表面抹旺平。阁2侍、丝对管片外表面文有裂纹的，要暖沿缝凿程期“V”智形斜坡槽，槽伐深赴10鲁毫米，再用水膏冲洗后，再用押素水泥浆打底世、水泥砂浆压固实抹干。北3机、对外观损坏跃稍深的崩裂管匆片，可按以下草步骤修补：罗用钢凿和铁锤霸，人工凿除已股破裂松动的真砼自，要求打出新阀断面并凿毛，录不允许有松动恋的责砼济块残留，再用摔钢罪刷清理焦已打出的新断暂面，并用压力梦水冲洗。踏采用水泥砂浆抄填补之前，筐先涂素水泥浆宇（顶1张：灭1物水泥浆掺翅10%107自胶薄涂拨一层），再采呀用水泥砂浆填累补崩裂缺陷处泰，完成初步成脉形修补。为更乞好地控制水泥式砂浆的密实度袖及与凿出的新牢断面结合良好乘，必须注意每沙次