盾构施工中常见问题分析及防治措施.docx
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盾构施工中常见问题分析及防治措施
盾构施工中常见问题分析及防治措施
盾构施工过程中，管片上浮、管片错台、管片渗水三类问题是严重影响成型管片的质量与美观。
本文结合施工过程中，对管片错台、管片上浮、管片渗水产生原因加以分析，并提出相应防治措施，以提高盾构隧道的使用效果和延长隧道使用寿命。
一、管片上浮
管片上浮是指管片脱离盾尾后,在受到集中应力后产生向上运动的现象。
《规》规定盾构掘进中线平面位置和高程允许偏差为±50mm。
管片拼装偏差控制为±50mm。
隧道建成后，中线允许偏差为高程和平面为±100mm，且衬砌结构不得侵入建筑限界。
由此推算管片上浮允许值与盾构姿态、管片姿态密切相关，因此均应限制在±30mm以才能保证不侵限，并使管片外侧得到均匀的注浆回填。
1、上浮的原因及分析
结合在轨道交通一号线望湖城至大店盾构区间的施工经验，可从以下四个方面来分析管片上浮的原因。
（1）同步注浆不饱满，从而存在上浮空间
盾构区间圆形隧道（管片）外径6.0m，径5.4m，管片厚度300mm，管片宽度1.5m，分块数为6块（管片由一块封顶块、两块邻接块、三块标准块构成）。
盾构机与管片之间存在着150㎜的建筑空隙，如果同步注浆不饱满，使管片外侧与土层之间的间隙没有及时有效地充填，就必然出现管片上浮的空间。
其次，在同步注浆不饱满时，地层土软硬不同，产生的管片上浮情况也不同。
一般情况下，软地层不容易上浮，而硬地层却有空间导致管片上浮。
这是因为在掘进过程中，对于软地层，上部松软地层土的自稳性差，会因为自重、存在空隙而有相对的下沉，从而使因注浆不饱满造成的管片和土层之间的剩余空隙基本消失。
硬地层由于自稳能力强，完整性好，能很好的控制自身沉降。
使管片有足够的上浮空间和时间，且地层越硬，管片上浮的情况越严重。
（2）过量超挖
盾构机在掘进过程中的隧道轴线与理论轴线有一定的差值，在掘进过程中时时在调整盾构机的姿态，盾构机走的线形是“蛇形”。
当盾构机刀盘处于几种地层交错界面时，盾构机很容易产生“爬坡”和“栽头”现象。
同时，掘进过程中遇到下部地层硬，刀盘受到的阻力大于上部，刀盘转动切削土体过程中，极易造成上部相对软弱的土层过量切削甚至坍方，也会扩大管片与围岩间的建筑空间。
这些过量蛇形和过量超挖形成的空间为管片位移提供了又一可能的条件。
（3）同步浆液凝结时间较长
同步注浆凝结时间较长，使管片有足够的上浮空间和时间。
管片自重：
G=γ×Vc=25×8.05=201.3KN
砂浆浮力：
F=ρ×g×V=1.825×9.8×42.4=758.3KN
式中：
管片混凝土比重为：
25KN/m³,方量为：
8.05m³，一环管片所占空间体积42.4m³。
一环管片在脱出盾尾后受到的力还包括：
相临管环连接螺栓的约束力、推进油缸撑靴提供的竖向摩擦力。
实践表明这两个力不会超过400KN。
由此可以看出，在建筑空隙填充不饱满或浆液还处于液体状态的情况下，管片自重及另外的两个力无法克服砂浆的浮力，这就解释了在管片拼装初期隧道上浮位移发展较快的原因。
另外，盾构机的重量主要集中在前面的盾体，管片脱出盾尾后失去了约束，同时还受到周围围岩的作用，很容易引起管片的上浮。
若浆液凝结时间过长，必然造成管片的连续上浮，使累计上浮量偏大。
（4）盾构机的施工参数控制
①掘进速度
掘进速度的控制也直接影响到管片上浮的程度。
一般情况下在粘土层等较软的地层中掘进时，推进速度很快，同步注浆浆液就跟不上推进的步伐，造成管片外的建筑空隙充填不密实。
浆液也不能及时的提供一定的强度限制管片位移。
②各区千斤顶的油压
盾构机在掘进过程中，特别是下坡段时，下部千斤顶推力大于上部千斤顶推力时，会出现向上的分力，该分力对管片上浮有很大的影响。
2、上浮的控制措施
（1）及时优化同步注浆及二次注浆
①浆体的要求
a、具有能充分填满间隙的流动性；
b、注入后必须在规定的时间硬化，一般在硬土地层凝固时间控制在3～4小时为好；
c、保证管片与周围土体的共同作用，减少地层扰动；
d、具有一定的强度，浆体28天抗压强度在2～2.5Mpa以上；
②注浆一定要及时、足量。
③及时二次注浆。
双液浆的凝固时间小于30～40s最佳。
（2）合理控制好盾构姿态
①各区油压的控制：
在上坡段掘进时，适当增大盾构机下部油缸的推力；在下坡段掘进时，适当增大盾构机上部油缸的推力；在左转弯曲线段掘进时，适当增大盾构机右部油缸的推力；在右转弯曲线段掘进时，适当增大盾构机左部油缸的推力；在直线段掘进时，尽量消除各组千斤顶的推力差。
②掘进速度:
一般以缓慢推进为宜，推进速度不大于50mm/min。
以确保管片在脱出盾尾后不会因浆液的问题而产生不稳定的位移。
③高程:
通过和隧道设计轴线的比较，发现管片上浮较严重时及时的将盾构掘进高程降至设计轴线以下50mm，以此来抵消后续掘进的管片上浮值，使隧道轴线最大程度的接近设计轴线。
（3）螺栓及时进行二次复紧，提高管片整体抗拉浮能力。
（4）及时测量，做到早发现，早处理。
二、管片错台
管片错台是指管片拼装后同一环相邻管片或者相邻环管片之间弧面不平整的现象，前者称为环向错台，后者称为径向错台。
《规》中要求成型管片环向错台不能超过15mm；径向错台不能超过10mm。
管片错台不仅影响隧道的外观质量，而且会导致以管片破损、隧道渗漏、盾尾刷损坏等一系列严重问题。
1、管片错台的成因分析
（1）管片拼装不规
管片拼装过程是控制管片错台至关重要的环节，管片拼装工人的操作熟练程度及责任心直接影响管片拼装完的成型质量。
例如：
管片拼装前盾尾的杂物没有彻底清除；管片拼装顺序没有按照由下至上左右交叉的顺序；管片拼装没有均匀摆布，螺栓难以插入；管片拼装完成及管片脱出盾尾后没有及时将螺栓拧紧；K块强行插入；管片翻外翻等不规的管片拼装作业，是导致管片错台不可忽视的直接因素。
（2）管片上浮
管片上浮有时可造成管片连续错台，尤其在地质软弱地层中。
由于地层较软，有经验的盾构司机会加快掘进速度以帮助姿态控制，而壁后浆液往往因为初凝时间较长而产生大于管片自重的上浮力，此时如果没有立即采取防止隧道管片上浮的措施，隧道管片的上部就会发生连续的“叠瓦式”错台。
（3）盾构机姿态控制不佳
盾构机的掘进姿态控制是盾构施工技术的重点，盾构机的姿态变化直接影响到盾尾间隙的变化。
实际掘进时盾构机围绕设计轴线呈蛇形前进，如果盾构机的姿态控制不好，盾构机的运动轨迹波动幅度过大，盾尾因急纠、猛纠而产生较大的径向位移，而在连接螺栓的作用力下管片的空间形态已基本由上环管片所决定，这就必然导致管片与盾尾之间的间隙不均匀，甚至某个方向无间隙。
若盾尾间隙过小，盾尾的径向运动趋势将以力的形式通过盾尾刷传递给管片，从而导致盾尾前后的管片产生错台，甚至导致管片迎水面被盾尾刷挤压刮坏、盾尾刷磨损变形等问题，进而产生管片渗漏水，盾尾漏浆的等一系列质量问题。
（4）管片法面与盾构掘进方向不垂直
在区间小半径曲线段掘进或盾构急纠转弯时，若管片楔形量不能满足管片转弯需求，通用管片全错缝拼装施工中K块选点错误，通缝、半错缝拼装施工中转弯环排版错误等，均会造成管片法面与盾构掘进方向不垂直。
盾构机向前掘进的推力是通过千斤顶作用在刚拼好的管片衬砌横断面上，如果盾构掘进方向与管片法面之间不垂直，则其作用于管片上的巨大反推力可分解为纵向和径向两个分力（如图1），纵向分力可通过管片衬砌横断面不断传递直至消散，而纵向分力大于管片间摩阻力、壁后浆液与地层作用等阻力时，将必然造成管片环缝错台。
图1盾构掘进推力分解示意图
（5）盾尾未及时清理干净、螺栓未及时复紧
管片安装时，在盾尾残留的渣土未清理干净，尤其是底部，有时是盾尾漏泥沙，清理困难，在此位置的某片管片很难就位，甚至螺栓难以插入，造成错台。
由于采用人工操作机械安装，安装时不按照规要求，未调整好管片环面平整度，引起错台。
管片安装完毕后，未采用保圆装置，以及管片螺栓未按照要求复紧造成错台。
2、管片错台的防治措施
（1）规管片拼装程序
（2）有效控制管片上浮
（3）盾构姿态平稳控制
实际掘进时盾构机围绕设计轴线呈蛇形前进，姿态控制应做到，勤纠、缓纠，通过千斤顶分组控制、仿形刀适量超挖及铰接灵活运用等方式，在隧道轴线控制在设计允许偏差围前提下，尽量使盾构机掘进轨迹保持平顺，避免盾构机姿态突变。
盾构机掘进姿态调整与纠偏应掌握下面几个原则：
a、盾尾间隙控制为主，线型控制为辅；b、掘进过程中一次纠偏量不能过大，即油缸行程差不能过大，应控制在60mm以；c、掘进过程中，各区力差不能过大，应控制在总推力的5%以。
（4）保持管片法面与盾构掘进方向垂直
在盾构施工过程中，应特别注意管片法面的调整，每环掘进完成后应及时量测管片法面并调整。
盾构机姿态、管片姿态与隧道设计轴线相重合在实际施工中几乎不可能，要保持管片法面与盾构掘进方向垂直同样几乎不可能，但及时对管片法面不断进行调整，就能使盾构机推力反作用于管片上的径向分力尽可能减小，进而有效减少、减小管片环缝错台。
（5）及时清理盾尾、复紧螺栓
掘进一环过后，立即将盾尾的泡沫、浆液、水等杂物清理干净；
管片拼装螺栓分三次紧固：
第一次拼装过程时紧固；第二次拼装完成后紧固（未复紧不能进行下一环的掘进）；第三次管片脱离盾尾复紧一次。
三、管片渗水
目前，在建和投入运营的轨道交通隧道结构均普遍出现管片渗漏水病害。
通过调查发现，渗漏水主要集中在管片的环、纵拼接缝及手孔螺栓处。
在建设过程中若出现下列施工质量问题，则管片会出现不规则裂缝，地下水通过止水带间隙从管片接缝及手孔处流出。
1、管片渗水的原因分析
（1）管片自身质量缺陷
在管片生产过程中，设置密封垫的沟槽部位混凝土不密实有水泡、气泡等缺陷，管片拼装完成后，水从绕过密封垫，从水泡、气泡孔处渗漏进来。
（2）管片止水条脱落
在拼装过程中，管片发生了碰撞，使止水条脱落或断裂，使密封垫没有形成闭合的防水圈。
（3）管片衬背注浆不饱满
管片衬背注浆不饱满，若管片密封条贴合不密实，管片顶部积水，使密封垫压实比较薄弱的地方产生渗漏。
（4）盾构与管片的姿态不好
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；
（5）掘进过程中推力不均匀
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。
（6）管片拼装质量控制不严格
管片存在泥土等杂物未清理导致拼装出现空隙形成漏水；拼装K块时，K块密封条损坏，造成渗漏水；管片螺栓紧固不到位，造成管片防水没有压实造成渗水，或管片螺栓紧固过早，导致管片整体未压实。
（7）转弯处转弯环选型不准确
在水平方向上存在曲线的路线上，曲线径与外径所存在的长度差即是管片左右侧存在的楔形总量，如果转弯环拼装数量不足或过多，造成管片楔形总量少于或超过曲线外径实际差值，就会造成管片间隙，使相邻管片止水带不能正常吻合压紧，从而引起漏水。
（8）管片上浮或侧移，管片与隧道初支间空隙较大且不均匀，注浆时操作难度大，而且填充效果差，从而导致顶部回填注浆难以密实，极易发生管片上浮或侧移，造成管片破损，引起管片渗漏。
2、管片渗水的预防措施
（1）针对管片存在的水泡、气泡等缺陷问题，加强生产控制、出场验收和进场验收。
管片生产过程中安排专人驻厂质量把关，把缺陷控制在源头；出厂时对管片再次验收，及时对存在的不可避免的缺陷进行修复，同时注意吊装过程中对管片的损伤。
进场管片严格把关，同时会同监理共同验收，实现管片“零缺陷”。
（2）管片拼装前对拼装工人进行交底，过程中加强对管片的精细操作避免管片碰撞，管片在转运过程中必须垫方木，避免管片在下方时碰角，一旦发现止水条断裂或脱落及时更换，保证拼装管片的质量符合防水的要求。
（3）加强同步注浆控制
（4）盾构机姿态控制措施
盾构隧道线形管理原理是通过一套测量系统，随时掌握正在掘进中盾构机的位置和姿态，并通过计算机将盾构机的实际位置和姿态与设计轴线进行比较，找出偏差数值后调整盾构机千斤顶的模式，使盾构机前进曲线和设计轴线尽可能接近。
①盾构管片结构的特点使其安装具有一定的惯性，如果盾构机掘进轨迹曲度过大，那么盾尾轨迹就会与管片轨迹相交，从而造成了以下两个严重问题：
a.管片无法顺利地安装，只能放松管片间的连接螺栓或加垫片来解决问题，从而增加了错台和漏水的可能；b.管片迎水面在脱出盾尾时被盾壳挤压，使得管片环向变形和前后错台，更为严重的是盾尾被破坏而失去防水功能。
②因此纠偏过程中应尽量保持盾构机姿态不会有突变，运动轨迹应尽量平顺。
盾构机掘进姿态调整与纠偏应掌握下面几个原则：
盾尾间隙控制为主，趋势控制为次，线形控制为辅；在掘进过程中一次纠偏量不能过大。
（5）规化管片拼装，严格控制质量
（6）有效地控制管片上浮
3、渗水堵漏措施
（1）二次补浆
对存在漏水的管片首先进行二次补浆，二次补浆能够在根本上堵住渗水通道二次补浆首先采用单液浆，注浆压力控制在一定围，注浆量以能注入为准。
观察堵漏效果，效果不明显后注双液浆，注浆压力可以稍微提高。
（2）环纵缝注浆堵漏
①环纵缝漏水处理
当二次补浆后环纵缝仍然存在漏水时，采用注浆进行封堵。
注浆措施如下：
对环向缝和纵向缝全部采用快干高强度砂浆（含环氧类成分）封闭，为后面灌浆做准备，封闭的时候向凹进去1-2厘米深的弧形；再在漏水缝上垂直钻孔到止水条处，钻孔间距每米2-3个，同时装上专用注浆嘴，用高压灌浆设备向接缝灌浆，浆料优先采用环氧树脂，灌浆压力控制在一定围，以压满整个接缝为准。
②管片紧固螺丝孔渗漏
清理干净螺丝孔表面的污染物，找出渗漏的位置，用电钻斜向钻孔，确保钻孔和螺丝孔相通，用快干高强砂浆封闭螺丝孔的根部，钻孔处装上专用注浆嘴，用高压灌浆设备向钻孔灌浆，浆料优先采用环氧树脂，灌浆压力控制在一定围，以压满整个螺栓孔为准。
注浆起到堵漏作用的同时又对螺丝有锚固和防腐作用。
四、结束语
管片上浮、管片错台、管片渗水是成型管片的三类主要质量问题，我们必须依靠有效的技术措施和良好的管理制度完全可以克服此三类质量问题。
经过对盾构施工全过程的动态监控与督促落实，这个三类主要问题得到根本的扭转，盾构隧道施工质量得到了有效的保证。
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