耿亮
（陕西省引汉济渭工程建设有限公司,陕西西安710000）
［摘要］在盾构隧道掘进施工中,管片出现错台是一种普遍存在的质量缺陷,一旦疏忽大意,就可能导致隧道破损、渗漏等严重后果,严重影响隧洞工程的质量。对施工、安全、验收、运营维护造成巨大的经济损失。经过对盾构隧道施工中管片安装方法的深入研究,分析管片错台的根源,制定出有效的控制措施,以确保盾构隧道施工质量达到最佳水平,从而提高施工效率和质量。
1工程概况
在引汉济渭二期工程北干线咸阳塬隧洞段,采用土压平衡盾构掘进技术,隧道长8637.3m,纵坡为1/3500,是一个明流隧洞。为了保证隧道的安全性,采用了C50级别的预制钢筋混凝土管片衬砌结构,其中管片衬砌采用了通用楔形管片环,环宽1.50m,外径5.1m,内径4.4m,厚0.35m。采用六分块方案的管片环,由B1、B2、B3、L1、L2和K组成,每一块都具有独特的功能和用途。
在分块角度方面,封顶块的圆形角为22.5°,而L1块和L2块的圆形角则分别为67.5°,此外,B1块、B2块和B3块的圆形角也分别为67.5°。弯螺栓连接是盾构段管片衬砌的常用方法。
2管片错台原因分析
2.1管片安装过程分析
由于盾构机尾部容易粘结泥浆,为了提高施工效率,在拼装管片时会扩大圆的半径,但这样做会导致管片成型后的圆弧度超出规定的范围。如果在拼装管片时没有按照合理的次序进行,或者螺钉没有及时拧紧,这些都会造成管片安装产品质量不符合要求。因此科学的管片拼装工艺也是保证施工质量的关键,管片安装工序图见图1。
（1）防水条及衬垫黏贴接缝防水材料采用橡胶密封垫、遇水膨胀橡胶圈、聚硫密封胶、手刮聚脲。在预制好的沟槽中,橡皮密封垫被安置在管片上,以挤压耐腐蚀；手孔和吊装孔（注浆孔）则使用遇水膨胀橡胶圈来防止水渗透。管边接缝处的临水侧,应用聚硫密封胶进行嵌缝,并在其上喷涂一级手刮聚脲,以加强隧洞衬砌的防水性能。
（2）管片拼装管片安装顺序为标准块（B2块）、标准块（B1块）、标准块（B3块）、连接块（L1块）、连接块（L2块）、封顶块（K块）。安装管封顶片（K块）之前,先与邻接片搭接好二分之一,然后以纵向方式插入成环每装一次管片,要立即与管片纵环同向连接或用固定枪机进行连接,并将套好的螺帽用动力扳手拧紧。在安放封顶块（K块）的前后,对防水密闭条开始涂肥皂水并做润滑剂处理后,在安放时先径向伸入约三分之二,在调换高度后再慢慢地纵向水平顶推,以免在封顶块顶入时摩擦挤坏保护密闭条。
管片环组装完成后,尽快取出适当位置的驱动汽缸以顶牢管片块,其顶拉力应当超出紧固管片块所需力,而后才可进入中间的管片组装机。安装管片后顶上推进的油缸,拧紧连接的固定螺钉。
2.2地质情况分析
由于地层较软且含水量较高,管片容易上浮,而注浆后的浆液也会因此受到影响,从而导致初凝时间的不当控制,从而使得管片的稳定性受到严重的影响。当地下水汇聚时,它会产生巨大的上浮力,如果不能及时采取措施阻止它的上升,就会导致错台现象。盾构机尾部严重下沉。盾尾变形后导致了管片安装后不能成圆,且间隙也不均匀,提高了管片的安装困难,而且如果发生了轴线的偏移则极容易导致管片误道。
2.3盾尾间隙
管片安装后,由于施工人员没有技术经验而造成了管片的型号错误的现象。在管片安装中由于管片未能准确完成旋转,从而造成了盾构机的姿态控制与管片对接不准确,导致了盾构机轴向与管片之间的轴线无法对中,从而产生了相对位置的误差,同时盾尾间距过小,导致在后续挖掘的阶段时盾尾与管片之间摩擦力加大,从而造成了管片错台。
2.4盾构纠偏分析
在盾构机建设中,为了确保设备状态的正确控制,必须尽快修正偏离,以免实际工作轨道与按照工艺施工设计的主轴位置发生偏离,并且要求盾尾在急纠工作过程中保持径向位移,以免管片与盾尾中间的缝隙不均匀分布,从而造成盾尾上下管片错台。
2.5注浆质量原因分析
在注浆施工过程中,由于浆液凝固时间过长,加上注浆压力调节不合理,导致管片出现浮动,从而导致错台。
3防止管片错台的控制方法
3.1盾构掘进控制
（1）滚动纠偏通过调整盾构刀盘的旋转方向,可以有效纠正滚动偏差,其允许偏差值不超过≤1.5°,若超出1.5°,则会发出报警,盾构司机需要立即切换刀盘,以确保滚动偏差的有效控制。
（2）竖直方向纠偏限制盾构机走向的关键因素是千斤顶的单侧推动力,它与盾构机姿态变化量之间存在着密切的联系,需要操作人员凭借经验来精准控制。当盾构机发生下俯时,应当增加下端千斤顶的推动力,而当盾构机发生上仰时,则应当增加上端千斤项的推动力,以确保其正确的位置。
（3）特殊地层下的姿态控制在复杂的地层条件下,依据掌子面的地质特征,采取分区作业来确保液压推进油缸的正常运行。具体方案见图2。
通过使用一套电液比例调压泵,将整个推动气缸分成A、B、C、D四大分区,各个分区的气缸编号为一套,并配备一套电磁对比减压阀,以调整该组推动气缸的工作,从而限制或修正盾构掘进机的推动角度,最高可达35MPa。每组推进油缸中都配备了位移传感器,用于监测该区段的行为,以便及时发现盾构机的推动状态。例如,当盾构机出现上仰偏斜时,就可通过调整A区和C区油缸的气压,即使A区油缸的压力升高,C区的压力降低,同样观测A区和C区的行为变化,以实现调整推进方向的目的。
（4）纠偏注意事项在调节刀盘旋转角度时,应保持合适的间隔,并且转换速率不能过快。如果出现偏差,应依据掌子面地层状况及时调整掘进参数和方位,以防止造成更大的误差。蛇行修复应遵循长距离缓慢修复的原则上,如果修复过快可能会损坏设备。
在施工过程中,首先应调整盾构机姿势,并逐渐拟合管片姿势,以避免纠偏过急。同时,应充分了解后续掘进地质技术状况,加强对盾构机姿势的掌握,尽可能缩小纠偏量。每环纠偏量不得超过5mm,严禁发生单环盾构机纠偏量过大的情形。此外,应依据盾构机姿态、工程设计线路和管片点位,制订详尽的纠偏规划,为施工提出数据支持。
3.2管片拼装控制
为了提高管片拼装质量,避免出现错台现象,应当认真选择管片点,并及时调整管片楔形量,以减少油缸行程差,在正常掘进时,严格控制每环行程差在20mm以内。在纠偏过程中,行程差应控制在30mm以内,如果行程差超过40mm,必须及时调整,以防止管片姿态不能完全拟合盾构机姿态,从而导致管片开裂的发生。在工程设计管线变化时,应该及时根据盾构机的前进状态,制订详尽的方案,并进行模拟,以确保在掘进过程中,不会因为管线变化而导致盾构机自身状态、管片状态与路径线形不能完美匹配。在盾构机前进流程中,应依据实际情况调整油缸分区油压,以增大A区的推动力,从而确保盾构掘进机能够有效地向下倾斜。下部分区（C区）千斤顶推力一般不低于100t,防止下部管片因推力过小,管片失稳,出现管片拉出现象,影响超前量控制。在盾构机姿态趋于好转时逐步降低千斤顶上下力差；为了提升管片的抗剪性能,采用凹槽处安装抗剪钢筋的管片,有效防止管片出现开裂现象；为了提高隧道防水质量,将原有的1.5mm丁腈软木橡胶垫片提高到3mm,以增强管片凹凸榫槽部位的缓冲,防止管片开裂。如果姿态不佳,可以在2~3环之间加上6mm丁腈软木橡胶垫片,并按照变形缝防水标准,再加第一层遇水膨胀橡胶皮。
在纠偏过程中,为了确保盾构机能够有效地向下移动,应该依据现场掘进条件调整铰接夹角。如果工程设计路径变化,应及时参照盾构机的前进状态,制订详尽的方案,模拟后续的掘进,以确保不会因为工程设计路径的变化而导致盾构机的状态、管片状态与线路线形无法完美匹配；使用2600kN·m风镐在盾尾内拼装完成后,应首先进行初次拧紧,然后在推进下一环管片至1m（即将脱出盾尾时）时,再次进行复紧,以防止管片因脱出盾尾而自身上浮,从而导致管片环与环之间出现错动,从而造成管片损坏的情况发生。
3.3同步注浆控制措施
3.3.1注浆材料的要求
同步注浆是确保管片安装工程质量的关键,它可以有效控制隧洞变化,避免管片上升,进一步提高构件的抗渗性能。优质的浆液性能表现在：充填性良好；粘度和流动性均较好；初凝持续时间适宜,早期强度较高,硬化后体积收缩率较小；稠度适中,不会被地下水过分稀释。依据岩层土质情况,决定使用水泥砂浆来进行同步注浆。
3.3.2注浆压力
为了有效地填充管片外侧的空隙,必须以适当的压力进行注入。通常,注入压力的大小取决于土层的阻力强度和掘削条件,一般在0.1MPa~0.2MPa之间。根据当地的土壤条件,我们初步决定将注浆压力设定为0.19MPa。在实际应用中,2.5Bar~3Bar的压力是比较合适的。
3.3.3注浆量
理论上,同步注浆是一种填补施工空隙的方法,可以计算出注浆量。
Q=Va
式中：Q为注浆量；V为理论填充空隙；a为注入率。
根据设计图纸的规定,同步灌浆的投入率应在180%以上,但根据建筑施工实践,软土地层的灌注率应在135%~154%之间,即3.5m³~4m³；而硬岩地层的灌注率则应在115%~135%之间,即3m³~3.5m³。理论注入量：V=1.2 xη ×（5400/2）2-1.2 xη（5100/2）2=4.5m³。
由于地质条件、灌浆水压和超挖量的不同,灌浆量也会有所变化。当地层裂隙较多,浆液渗入距离较远,或者存在溶洞时,注浆量会显著增加；而当注入压强过大时,浆液会受到高压作用而向岩体压密,从而增加用浆量；此外,在曲线段推进时,由于纠集或调整姿态而导致超挖,也必须采取灌浆的方式来填补岩体间的空隙。确定灌浆压强时,应考虑管片在生产过程中设定的最大抗压值为0.4MPa,以确保灌浆压强不超过这个限度,否则可能会导致管片破裂。
3.3.4注浆流量
在同步注浆过程中,流量与盾构推进之间的关系至关重要。一旦流量超出了盾构推进的速率,浆液就会溢出,流入盾构机内部,污染工作面；反之,一旦流量低于盾构前行的速率,就会导致盾尾脱出部位产生沉降现象。根据盾构推进速率20mm/min的测算,注浆流量达到54L/min。
3.3.5注浆时注意事项
采用先进的搅拌设备,确保浆液在运输过程中不会出现分离现象；定期检查从注入孔到泵的输浆管路,确保其畅通无阻；确保阀门和泵的正常运行,并密切关注注入压力和注入量的变化情况；在灌注完毕时,应按照从封闭灌注孔阀口到移动输浆管的顺序进行操作；取下灌注孔阀口时,应当将柱塞安装牢固；在管片出现破损或上浮等情况时,应先采取堵塞措施,然后再进行注浆；如果浆液从管片外溢出,应立即停止注浆,等待采取适当措施后再重新注入；应及时采用排污泵将废浆液从污水管道中抽取出来,运输至地面；完成作业后,作业员必须彻底清洗制浆设备和泵,以确保其正常运行。
4结语
综上所述,在盾构隧洞建设中,管片错台不但会对隧洞的外形造成影响,同时还会造成管片破损、盾尾破裂、隧洞泄漏等问题,对隧洞施工质量造成很大危害。了解管片拼装工艺后,从分析管片错台的成因,从盾构机械操作、注浆施工、管片拼装等方面进行控制,保证盾构隧道施工质量。
转载文献来源：中国知网-陕西水利
