盾构施工衬砌管片质量控制

摘要:盾构施工技术在世界上的发展和应用已有上百年的历史，目前已经成为一种国际上较为普遍的隧道工程施工方法。盾构施工的优劣主要集中在了隧道管片成型质量上。其质量问题出主要表现为管片错台、管片上浮、管片渗漏水等。因此本论文将从姿态控制、管片选型、注浆控制三个方面对管片成型质量控制作出详细的分析。

关键词：盾构机管片成型质量控制姿态控制

一、盾构施工衬砌管片拼装简介

（一）盾构施工简介

盾构施工法是使用盾构机在地下掘进，在护盾的保护下，在机内安全的进行开挖和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法。按照这个定义，盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大部分组成。初期的盾构法是用手掘式或机械开挖式盾构机，结合使用压气施工方法边保证开挖面稳定，边进行开挖，在地下水较丰富的地区，用注浆法进行止漏，而对软弱地层，则采用封闭式施工。经过多年对盾构技术的研究开发和应用，已演变成现在非常盛行的泥水式和土压式两种盾构机。这两种机型的最大优点是在开挖功能中考虑了稳定开挖面的措施，将盾构施工法中的三大要素的前两者联系融为一体，无需辅助施工措施，就能适应地质情况变化范围较广的地质条件。

盾构的种类很多,基本上常见的分为两种，即泥水式盾构、土压平衡式盾构。

泥水式盾构在刀盘和隔壁之间形成泥水室，在主机上或地面上还有分离泥浆和碴土的设备。掘进时把泥浆压入泥水室，泥浆在开挖面上形成不透水的泥膜，调节泥浆的压力可以控制作用在开挖面的支护力。刀盘旋转切削下的碴土由循环的泥浆带出，再通过泥浆分类设备分离出碴土。泥浆式盾构适用的地质范围很大，从软弱砂质土到砂砾土都可使用，在工程中应用较多[ 王晖谭文《广州地铁三号线北延段盾构隧道工程施工技术研究》人民交通出版社 2012年6月]。

土压平衡式盾构和复合式盾构由刀盘和隔壁形成土仓，依靠土仓中的土压力稳定开挖面，在遇到不良地质时复合式盾构还可以用向土仓中加入泡沫、复合材料、膨润土或压缩空气等辅助材料的方法改善碴土、稳定开挖面和控制地下水过量渗出。掘进时土仓中的碴土由开口在隔壁上的螺旋输送机排出，土仓中的压力与推进速度，排土速度，辅助材料的使用量有关。复合式盾构的应用面十分广泛，从比较坚硬的岩层到软弱的砂土层都可使用，更因为在开挖时可以向开挖面加入辅助材料，大大提高这种盾构在富水地层中的适应性。

盾构法施工的概貌如图所示。在隧道的一端建造竖井或基坑，将盾构安装就位盾构从竖井或基坑的墙壁开孔出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的孔壁推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已经拼装好的衬砌管片上，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构机是这种施工方法中主要的施工机具。

管片衬砌属于一种装配式隧道衬砌。它是由若干预制好的构造块在开挖出的地下空间内拼装成设计的隧道形状，作为隧道的初期支护衬砌或直接成为隧道的最终结构。

盾构法隧道衬砌结构式是由若干弧形的管片拼装而成的，管片与管片之间由螺栓的方式连接。管片的分块分布形式是由隧道直径、结构受力特性、防水效果以及拼装工艺等诸多因素决定。管片拼装是盾构施工衬隧道砌主体，对隧道工程质量至关重要，将影响到隧道的使用寿命及防水效果，所以对管片拼装质量控制十分关键，管片衬砌是盾构施工最常用的衬砌方式。

（二）管片拼装简介

盾构推进结束后，迅速拼装管片成环。除特殊场合外，大都采取错缝拼装。在纠偏或急曲线施工的情况下，有时采用通缝拼装。一般从下部的标准(A型)管片开始，依次左右两侧交替安装标准管片，然后拼装邻接(B型)管片，最后安装楔形(K型)管片。拼装时，盾构千斤顶的收缩按照管片安装的先后顺序进行安装，连接管片螺栓，一环管片拼装后，充分紧固轴向连接螺栓。盾构继续掘进后，在盾构千斤顶推力、脱出盾尾后土(水)压力的作用下衬砌产生变形，拼装时紧固的连接螺栓会松弛。为此，待推进到千斤顶推力影响不到的位置后，用扭矩扳手等，再一次紧固连接螺栓。这样，一环管片就顺利的拼装完成。

隧道的成型受很多关键因素控制，尤其是管片拼装，而管片的拼装也是在有充分的准备下才能进行的。

二、盾构施工衬砌管片拼装质量问题及成因

（一）管片拼装质量问题

管片拼装问题主要常见以下三种情况：

1．管片错台

管片错台是管片拼装过程中出现最多的质量问题。这包括管片拼装后相邻管片的径向错台和相邻环片环面错台。根据《盾构法隧道施工与验收规范（含条文说明） GB50446-2008》管片拼装质量控制要求，地铁隧道错台允许偏差：相邻管片的径向错台为5mm，相邻环片环面错台6mm。管片错台不仅仅会影响成型隧道外观质量，还会引起管片崩缺破碎、渗漏水等连锁质量问题，严重了甚至会造成盾尾刷损坏，引起连续性盾尾漏浆，增加盾尾油脂损耗和管片拼装前盾尾清理工作量，从而进一步影响后续管片拼装质量，产生质量问题的恶性循环。

2．开裂崩缺

管片开裂崩缺是管片在拼装过程中或者拼装完成后，各块管片之间由于受力问题，导致管片表层混凝土开裂脱落的质量问题。管片拼装质量控制要求[ 参见，邹振辉，《结合广州地铁谈盾构隧道质量控制》，山西建筑，2007年11月]：管片不得有内外贯穿裂缝和宽度大于0.2mm的裂缝及混凝土剥落现象这包括我们能看到的内弧面开裂崩缺，还有我们看不到的外弧面开裂崩缺。管片开裂崩缺对隧道产生的危害比较大,管片损坏后进行修补,修补后的防水性能比原始混凝土差,这样在今后的使用过程中,管片最先损坏的应该是这些以往受过损坏的部位,所以管片的损坏对永久结构的使用寿命有一定的影响。下面两幅图是管片开裂和修补。

3．渗漏水

管片渗漏水主要表现为裂纹渗水,封顶块漏水,接缝漏水，螺栓孔漏水等。地铁工程不同于普通地下工程，其使用寿命为100年，这就要求施工过程中严格控制管片渗漏水，保证隧道今后长时间的运营使用。根据要求[ 参见，钟志全，《盾构管片错台分析及措施》，建筑机械化，2006年9月]，地铁区间隧道结构防水等级为二级，顶部不允许渗漏，其它不允许漏水，结构表面允许有少量湿渍，总湿渍面积不大于总防水面积的6/1000；任意100㎡防水面积上的湿渍不超过四处，单个湿渍最大面积不大于0.2㎡。

另外根据《盾构法隧道施工与验收规范（含条文说明） GB50446-2008》管片拼装质量控制要求：管片防水密封不得缺损，防水垫圈不得遗漏，螺栓拧紧度必须符合设计要求。

（二）管片拼装质量问题的成因

1．管片错台原因分析

（1）线路方面的原因在小曲率半径地段,易产生错台。主要是由于在转弯段推进千斤顶沿垂直隧道轴线方向的横向分力引起错台。此类错台主要表现为左右方向错台,隧道腰部错台量最大。此外是管片拟合方面产生的几何误差,即用折线(管片)拟合曲线(线路)产生的误差。

（2）管片上浮造成错台由于盾尾内的管片受到约束,而脱出盾尾的管片受到向上的浮力作用,管片环之间产生剪力作用而错台。此类错台主要表现为竖向错台,隧道顶部、拱部错台量最大。目前的错台主要属于此类错台。

（3）注浆偏压造成错台在进行管片背后二次补注浆,当压力过大时容易出现错台。国外曾经出现过在对封顶块进行管片背后二次补注浆时由于压力失控导致封顶块失落并伤人的事故。此类错台一般表现为局部管片块的向隧道内部错台。

（4）其他原因造成错台管片选型不当,掘进操作不当,急纠偏,盾构姿态差等也会造成管片错台。

2．管片开裂崩缺原因分析

（1）盾构机方面的原因盾构机盾尾与管片外表面的间隙小管片环轴线与盾尾轴线稍有偏差,即产生盾尾对管片的挤压、憋压、拉刮等作用,易造成管片损坏。由于管片旋转量积累，导致千斤顶的分布与管片块接缝不匹配,出现千斤顶撑靴作用在接缝上(骑缝),易导致管片崩角。

（2）盾构操作方面的问题吊运和拼装过程中的碰撞损坏,盾构机姿态控制不好。如蛇行或盾构机轴线与管片轴线偏差过大,各组推进千斤顶推力相差过大等。

（3）管片上浮方面的原因随着盾构推进,管片环脱出盾尾后,立刻受到浆液或地下水浮力的作用要上浮,而位于盾尾内刚拼装的管片则受到盾尾约束,使管状的隧道结构相当于悬臂梁,在盾尾附近的管片受到的弯矩最大,故管片的开裂往往在脱出盾尾后2环~3环处出现的概率最大。

（4）管片环椭变造成裂缝管片环椭变可由于自重作用、浮力作用、注浆偏压等原因造成。硬岩段管片环椭变往往表现为“横鸭蛋”式,即管片环上下发生变形。发生椭变后,管片环腰部受到负弯矩作用,管片内弧面受压,腰部纵缝相互挤压而易出现崩角、崩边以及螺栓孔拉裂等损坏;而管片底部、拱部受到正弯矩作用,管片内弧面受拉,顶部、底部纵缝张开,接缝外侧相互挤压而易出现崩角、崩边等损坏。由于顶部、底部接缝崩裂往往出现在接缝外侧,在隧道内难以发现,但此类裂缝对管片止水效果影响大,易产生漏水。

（5）管片扭转管片扭转后,会导致管片端部(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崩角破坏

3．管片渗漏水原因分析

(1)管片本身质量原因

管片制作和养护过程中出现的质量问题。

(2)管片壁后注浆防水

壁后注浆实施的好与坏直接影响到隧道的施工质量,注浆的好坏不仅影响地面沉降控制，事实上,注浆也是隧道的第一道防水防线,注浆不足,直接致使接缝防水和管片防水。

(3)施工原因

盾构与管片的姿态不好,影响到管片的拼装质量,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;掘进过程中推力不均匀造成管片受力不均匀而产生裂纹、贯穿性断裂等而渗漏水;在掘进困难时推力过大也会造成管片产生裂纹而渗漏水;由于盾尾间隙不均匀,管片选型不当,造成间隙过小,使得在掘进过程中造成管片外壁被损坏导致止水条漏水。由于掘进行程不足或拼装不当,导致封顶块插入困难时止水条破坏而漏水;千斤顶撑靴在顶至管片时摆放不正,使得止水带损坏而漏水,管片损坏、崩缺漏水。

三、盾构施工衬砌管片拼装质量问题控制方法

盾构施工中衬砌管片拼装的质量一定要高标准，确保万无一失，盾构的种类很多，配套使用的管片也不尽相同，但其掘进时姿态的控制和管片拟合选型的原理是基本相同的。其常见的控制方法有盾构姿态控制、管片选型控制、注浆控制方法和其他控制方法。

(一)盾构机姿态的控制

盾构隧道施工中盾构机的姿态控制包括机体滚转控制和前进方向的控制, 在掘进过程中, 盾构机操作人员根据激光自动导向系统在电脑屏幕上显示的数据,通过合理选择各分区千斤顶及刀盘转向等来调整盾构机的姿态。

盾构机姿态控制操作原则有两条:机体滚角值应适宜, 盾构机滚角值太大, 盾构机不能保持正确的姿态, 影响管片的拼装质量, 此时, 可以通过反转刀盘来减少滚角值。盾构机的前进方向水平向右偏, 则需要提高右侧千斤顶分区的推力; 反之, 则需要提高左侧千斤顶分区的推力。如果盾构机机头向下偏, 则需要提高下部千斤顶分区的推力; 反之亦然。

VMT中SLS-T使用的三种不同的坐标系统：

(1)总/全局坐标系统：此系统用于计算所有固定点的三维坐标，此系统所需的资料由地面传给SLS-T，DTA包括数据、全站仪和参考点的坐标等。

(2)主机坐标系统：此系统计算主机传感器和棱镜的设置尺寸、主机内控制点和参考点。这些数据已有VMT在制造主机时精确测定。

(3)DTA坐标系统：此系统将显示主机的里程和前后参考点的偏差。此系统中主机坐标的确定是SLS-T的主要目的。

对掘进控制而言我们最关心的是盾构主机相对DTA的偏离位置，因而最多的应用到DTA坐标系统。DTA坐标系统以垂直于DTA的水平方向为横轴，以竖直方向为竖轴，以沿DTA的方向为纵轴，描述主机前后参考点的位置。

1．盾构机姿态控制的一般细则

一般情况下, 盾构机的方向纠偏应控制在±20mm 以内, 在缓和曲线及圆曲线段, 盾构机的方向纠偏应控制在±30mm 以内。尽量保持盾构机轴线与隧道设计轴线平行, 否则, 可能会因为姿态不好而造成盾尾间隙过小和管片错台裂缝。

当开挖面土体较均匀时, 盾构机姿态控制比较容易, 一般情况下方向偏角控制在±5mm以内。当开挖面内的地层左、右软硬不均而且又是处在曲线段时,盾构机姿态控制比较困难。此时, 可降低掘进速度, 合理调节各分区的千斤顶推力, 有必要时可考虑在硬岩区使用超挖刀(备有超挖刀的盾构机) 进行超挖。当盾构机遇到上软下硬土层时, 为防止盾构机“抬头”, 要保持下俯姿态; 反之, 则要保持上仰姿态。掘进时要注意上下两端和左右两侧的千斤顶行程差不能相差太大, 一般控制在±20mm 以内。在曲线段掘进时, 一般情况下根据曲线半径的不同让盾构机向曲线内侧偏移一定量, 偏移量一般取10～ 30mm。在盾构机姿态控制中, 推进油缸的行程控制是重点。对于1.5m宽的管片, 原则上行程控制在1700～ 1800mm 之间, 行程差控制在0～ 40mm 内, 行程过大, 则盾尾刷容易露出, 管片脱离盾尾较多, 变形较大; 行程差过大, 易使盾体与管片之间的夹角增大, 易造成管片的破损、错台。

2．不同地质环境中盾构机掘进姿态的控制技术

（1）淤泥质土层中盾构机掘进姿态的控制盾构机在软弱土层中掘进时, 由于地层自稳性能极差, 为控制盾构机水平和垂直偏差在允许范围内, 避免盾构机蛇形量过大造成对地层的过量扰动, 宜将盾构机掘进速度控制在30～40mm/min 之间, 刀盘转速控制在1. 5r/min 左右。在该段地层中掘进时, 四组千斤顶推力应较为均衡, 避免掘进过程中千斤顶行程差过大, 否则, 可能会造成推力轴线与管片中心轴线不在同一直线上。在掘进过程中应根据实际情况加注一定量的添加剂,以保持出土顺畅, 尽量保持盾构机的连续掘进, 同时, 要严格控制同步注浆量, 以保证管背间隙被有效填充。

（2）砂层中盾构机掘进姿态的控制盾构机在全断面富水砂层中掘进, 由于含水砂层的自稳性极差, 含水量大, 极易出现盾构机“磕头”现象, 同时, 在含水砂层中盾构机也易出现上浮现象。为避免盾构机在含水砂层中掘进出现“磕头”现象, 在推进过程中盾构机应保持向上抬头的趋势, 如果发现有“磕头”趋势,应立即调节上下部压力, 维持盾构机向上的趋势。为避免盾构机在含水砂层中掘进出现上浮现象, 在盾构机掘进时应减小刀盘转速, 减小对周围砂层的扰动。若隧道埋深小于2/3 倍的盾构机硐体直径, 应对含水砂层进行地质改良、地面堆载等措施。

（3）岩层层面起伏大的地层中盾构机掘进姿态的控制岩层层面起伏大会导致隧道开挖面内的岩层出现软硬不均。盾构机在这种地层中掘进, 其盾构机的姿态控制难度大, 易产生盾构机垂直方向上的过量蛇行, 造成管片错台及开裂。以上软下硬地层为例, 在这类地质条件下掘进, 盾构机刀盘受力不均, 掘进速度不均衡, 这就要求在掘进过程中, 必须时刻观察测量系统提供的盾构机姿态数据, 结合推进千斤顶和铰接千斤顶的行程差值, 不断地调整各分区千斤顶的推力及总推力, 以保持盾构机姿态的平稳。如果不注意调整推进千斤顶的行程差, 就会造成管片选型变化大, 甚至造成过小的盾尾间隙使管片不能顺利脱出盾尾。因此, 在推进过程中不能单一的只注意测量系统所提供的盾构机姿态来指导掘进, 还应兼顾各分区千斤顶的行程差。

（4）全断面硬岩地层中盾构机掘进姿态的控制全断面硬岩地层属于均一岩层, 盾构机在该类地层中掘进,其轴线姿态能较好地控制, 在掘进时保持各分区千斤顶推力均匀, 总推力和掘进速度均匀, 即可保持盾构机较好的姿态。

（5）开挖面地层的软硬不均盾构主机有着向地层硬的部分偏移的特性，如果开挖面右侧地层比较坚硬，则在掘进时盾构主机会向右侧偏移，这种现象超乎人的意料，但在施工中是确实存在的。只有当右侧油缸的推力加大到一定程度时这种偏移才能纠正。

盾构主机有着一个复杂的庞大的控制系统，涉及到机械、电子电气、液压等很多学科，因此在掘进时如果没有摸清主机的“脾气” ，则控制起来会很困难。例如，各组推进油缸的推进压力调节即使在软硬均匀的地层中掘进也是不同的，而且调节起来有的很敏感，有的很迟钝，施工稍有疏忽主机便会跑偏，只有在充分熟悉机器的情况下才能达到较好的控制效果。

（二）管片选型的控制方法

1．管片选型的原则

管片选型的原则有两个，第一：管片选型要适合隧道设计线路；第二：管片选型要适应盾构机的姿态。这两者相辅相成。

(1)管片选型要适合隧道设计线路

当一个盾构工程开工之前，就要根据设计线路对管片作一个统筹安排，通常把这一步骤叫管片排版。通过管片排版，就基本了解了这段线路需要多少转弯环（包括左转弯、右转弯），多少标准环，曲线段上标准环与转弯环的布置方式。现根据广州地铁四号线琶大区间的情况简要介绍一下管片排版。

五、参考文献：

1．钟志全，《盾构管片错台分析及措施》，建筑机械化，2006年9月。

2.邹振辉，《结合广州地铁谈盾构隧道质量控制》，山西建筑，2007年11月。

3.金磊，《地铁盾构法隧道施工质量监控重点及对策》，中国论文下载中心，2008年12月。

4.孙城，张昌明，《地铁盾构施工技术浅析》，机械管理开发，2012年01期。

5.张军，李宗梅，马玉凤，任月明，张入峰，《深圳地铁5号线BT项目防水技术》，中国建筑防水，2011年16期。

6. 陈孟乔，杨广武，《新建地铁车站近距离穿越既有地铁隧道的变形控制》，中国铁道科学，2011年04期