1 工程概况

　　杭州地铁7号线一工区奥体站—建设四路站区间起终点里程为:YDK8+818.307—YDK10+159.505，右线长1 299.486m，左线长1 317.619m。该区间有2组曲线半径(R=800m和R=700m),2个通信通道(1号通信通道设置于YDK9+390.000处，2号通信通道和泵房设置于YDK9+598.668处)。区间下穿解放河(河宽25m、水深1～2m)、文明路、丰西路、机场高架桥(右线盾构隧道边距桥桩6m)、七甲河(河宽20m、水深1～2m)，隧道埋深10.400～18.000m。线路最大纵坡为2.4%，区间地理位置如图1所示。

　　

　　图1 区间地理位置  

　　 

　　根据本工程项目施工组织设计^[1]，采用2台土压平衡盾构左线右线同时施工，5号土压平衡盾构在右线起点处始发井始发;6号土压平衡盾构在左线起点处始发井始发，掘进至左线终点处解体，设备吊出。该项目衬砌外表面直径为3 100mm，内表面直径为2 750mm，管片衬砌厚度为350mm，衬砌宽约1 220.6mm，膨胀螺栓16个，相邻膨胀螺栓(组)间的夹角约为22.500°。每环由3种不同类型的管片环组成:(1)顶部封顶块(F)，弧度为20°;(2)2个相邻块(L1,L2)，弧度为68.75°;(3)3个标准块(B1,B2,B3)，弧度为67.5°。环向管片间由斜螺栓连接而成且混凝土强度等级≥C50，混凝土抗渗等级为P12，如图2所示^[2]。

　　

　　图2 榫卯型管片  

　　 

　　2 管片破损原因分析

　　管片衬砌在生产、施工、运营环境下，因各种原因，会造成不同程度的外观质量缺陷。常见破损现象，如崩角、崩边和整体裂纹，如图3所示。

　　

　　图3 管片破损类型  

　　 

　　2.1 管片生产过程中破损

　　地铁隧道管片衬砌的形成有3个阶段:管片衬砌生产、运输及组装。目前，大部分地铁隧道均采用预制管片，由预制厂制造成品，导致管片破损的主要影响因素为生产配合比、生产环境，管片的施工工艺、配筋和构造设计^[3]。

　　2.1.1 环境及配合比的影响

　　混凝土的抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性，结构的强度设计值，预制管片衬砌所需的配合比及和易性等均会产生影响。管片衬砌的水化热也是影响因素之一，外界处于低温条件时，在蒸养前，管片衬砌内外会出现较大温差，一旦表面抗拉强度达到极限，就会出现大范围的裂纹。即使不影响管片衬砌的正常使用，也将对项目的耐久性产生很大影响。管片衬砌的配合比不仅与设计指标有关(强度和抗渗性)，而且影响外观质量。选择时应结合浙江杭州地区区域气候的影响。杭州年平均温度15～23℃，夏季炎热而冬季温度适宜，在夏季和冬季因时制宜。各个季节采用不同的施工配合比可以减少管片破损情况发生。

　　2.1.2 管片施工工艺的影响

　　1)振捣技术管片衬砌外表面开裂是由振捣后浮浆层收缩引起。振捣不当导致混凝土离析及振捣不密实。采用控制振捣时间和分次振捣，并在表层浇筑补偿性混凝土，能有效控制裂纹的产生。

　　2)蒸养技术管片衬砌生产中存在2个主要温差:(1)管片衬砌内部混凝土水化热和外部表面的温差;(2)蒸养时设置的温度与室内实际温度之间的温差。如果温度变化率无法控制，管片易破裂，特别是在冬季施工期间。蒸养时温度以45℃左右为宜。

　　3)吊装技术不合适的吊装方法可能会导致早期强度低的部分出现裂纹。单点吊装会产生集中应力，采用真空吸盘和帆布袋按照操作规程吊装，可在一定程度上降低集中应力。

　　2.1.3 配筋和构造设计

　　对于吊装时螺栓孔应力集中现象，可在构造上采取措施，采用多道设防的方法予以加强^[4]。

　　2.2 管片施工过程中破损

　　2.2.1 运输过程中破损

　　在水平和垂直运输及存放过程中产生磕碰破裂，主要由操作管理不当造成。

　　2.2.2 拼装过程中破损

　　1)管片接触面不平整

　　管片环面接触面不平整，拼装时易造成应力集中从而使管片破损;环与环之间的接触面不平整及错位，拼装过程中会产生错台现象;而圆拱底部出现裂纹大多是由于错缝拼装时盾构推进推力过大造成。

　　2)管片失圆

　　在安装拱顶时，预先安装的管片圆度不够，且装配间隙太小，如果将拱顶管片强制放入拱顶部位，则拱顶管片和相邻管片之间的连接处将被破坏，在管片衬砌拼装完成后，管片衬砌的横纵向直径会与设计不同。

　　3)盾构机姿态控制与线路不匹配

　　在盾构推进过程中，盾构机姿态与管片不在同一轴线，管片在合力方向上容易破坏。

　　此时纠偏易造成“卡壳”(两管片碰在一起)现象。一旦盾构机前进，接触的某个部分将被破坏。

　　4)千斤顶总推力过大

　　适宜的盾构推力是保护管片不受破坏的重要因素。富水砂质粉土及淤泥质黏土进入土仓后易形成“泥饼”，“泥饼”增加会导致盾构推力过大，产生前后纵向裂缝。

　　5)二次注浆压力过大

　　二次注浆一般适用于地面大荷载，需要控制地层沉降时。注浆后注浆管片中部受弯，导致管片开裂。注浆压力未调整好会产生全裂纹，甚至会发生螺栓损坏、局部漏水等事故。

　　2.3 管片运营过程中破损

　　运营期间外界条件造成管片内力增加而开裂，有以下3种情况。

　　1)隧道周围土体沉降不均匀。主要原因可能是周围土壤本身存在差异。在运营期间，周围的建筑施工会干扰隧道上方的土壤，并导致隧道两侧的土壤沉降不均匀。

　　2)超重车辆经常经过隧道上方，管片内力增加。

　　3)隧道周围产生新的荷载。管片衬砌周围涌水使土壤流失，造成局部空隙后，对该段进行堵漏和灌浆，产生新的荷载，从而导致大量裂缝和损坏。

　　2.4 本工程破损情况

　　在整条隧道盾构施工过程中，奥体站—建设四路站盾构区间左线57～85环管片破损率可控，从86环开始管片破损增多，经研究分析初步判断主要原因是盾构机在掘进该段范围时，垂直姿态较差，盾尾垂直姿态在90mm，为防止成型隧道超限，盾构机压头掘进，导致首尾垂直趋势过大，管片受力不均且管片上浮，导致破损较多，在姿态调整过程中采取了加强管片拼装质量、及时二次注浆、加强管片选型管理等措施。至138环时垂直姿态为前-65mm、后70mm，后续掘进过程中继续进行姿态调整，将盾尾垂直姿态降至设计轴线下部，并做好相应的辅助措施。奥体站—建设四路站左线破损情况如表1所示。

　　3 管片破损处理施工工艺

　　3.1 材料

　　1)常用工具小锤、泥刀、刮刀、钢丝刷、凿子、电钻、打磨机、灌浆泵、注浆管。

　　2)注浆止水注浆头、环氧树脂灌浆材料。

　　3)壁后注浆二次注浆机、水泥-水玻璃灌浆材料(水泥宜选用普通硅酸盐水泥配制浆液，水灰比宜为0.6～1.0;水玻璃模数宜为2.4～3.2，浓度不宜低于30°Bé;水泥浆与水玻璃溶液的体积比为1∶0.1～1∶1)。

　　  

　　表1 奥体站—建设四路站左线破损情况 

　　 

　　 

　　

　　表1 奥体站—建设四路站左线破损情况

　　4)填充环氧树脂砂浆、膨胀螺栓M10×80、1钢丝网片间距1cm×1cm。

　　3.2 处理流程

　　3.2.1 涂抹封闭(管片裂缝<0.2mm)

　　1)基层处理处理管片衬砌内外表面杂物，用压缩空气吹净孔洞杂物;施工部位底部需要预先湿润，且无明水。

　　2)搅拌按操作规程调和涂料。在涂刷前应先将液体倒入容器再倒入粉料，搅拌均匀后再使用，边使用边搅拌，以防沉淀产生。

　　3)涂刷将调配好的浆料涂刷在底部，使其与水泥完全接触，无空隙。分2遍涂刷，第1遍不能过厚，在第1遍涂料未完全干燥前涂刷第2遍涂料，保持第1遍与第2遍之间的黏结力。当第1遍涂料干燥后可用水润湿再刷第2遍涂料。第1遍涂刷养护24h后再进行第2遍涂刷，第2遍涂刷方向与第1遍垂直，以保证每个部位涂刷均匀。涂刷完毕后养护24h，完全干燥后方可进行施工。

　　3.2.2 灌浆法(管片裂缝0.2～1.0mm)

　　1)基层清理(管片裂缝0.2～0.5mm)在裂缝周围用钢丝刷仔细清理并用压缩空气清理杂物，如图4所示。确保裂缝表面、裂缝内干净，提高黏结力。

　　

　　图4 基层清理  

　　 

　　2)开凿V形槽(管片裂缝>0.5mm)在裂缝处开凿V形槽且最小深度20mm，用压缩空气清理干净杂物，如图5所示。

　　

　　图5 开凿V形槽  

　　 

　　3)骑缝粘埋灌浆嘴骑缝灌浆嘴间距200～300mm，灌浆嘴设置在方便施工处，如图6所示，确保灌浆深度。

　　

　　图6 骑缝粘埋灌浆嘴  

　　 

　　4)封缝环氧胶泥封缝厚度1mm，宽25mm;脱蜡玻璃丝布封缝2层，并用环氧树脂粘贴，宽90mm，如图7所示。

　　

　　图7 封缝  

　　 

　　5)密封检查封缝结束后待材料固化，涂1层肥皂水在裂缝处，用灌浆嘴向缝中通入空气，若肥皂水有气泡产生^[5]，则密封不严密，需重新修补。

　　6)灌浆先用压缩空气清理杂物，竖缝灌浆采用灌浆泵自下而上，灌浆压力约为0.3MPa^[6]，压力增长速率应均匀，杜绝突然增加而扩大裂缝。灌浆至邻近贴嘴冒浆，用木塞塞紧，压力保持不变继续灌浆，当吸浆率<0.1L/min时，持续约8min后停止灌浆^[7]。

　　7)封口抹平灌浆初凝完成后摘除灌浆嘴，并在表面涂刚性环氧砂浆封闭。

　　8)注意事项裂缝修补应在基面干燥或仅有湿渍的条件下进行;注浆材料不宜选用发泡类浆液;灌浆以渗漏水接缝为中心，适当向两侧延伸;水平和竖向裂缝分别为从一侧注浆和自下而上注浆;灌浆材料需耐久可靠，尤其拱顶需防止掉落。

　　3.2.3 填充法(管片裂缝≥1.0mm)

　　填充法处理流程与灌浆法类似，沿裂缝将混凝土开凿成U形或V形槽，然后嵌填修补材料，达到恢复防水性、耐久性和结构承载能力的目的^[8]。对于锈蚀裂缝，应先展宽加深凿槽，直至完全露出钢筋生锈部位，彻底进行钢筋除锈，然后涂上防锈涂料，再填充环氧砂浆。为增强界面黏结力，嵌填时应于槽面涂1层环氧树脂浆液;凿槽时应注意对钢筋的保护;填充法修补裂缝也应埋设灌浆嘴，填充完后进行灌浆以防填充不密实，如图8所示。

　　

　　图8 填充法处理裂缝 

　　 

　　3.2.4 无筋嵌填修补

　　1)表面清理连接渗漏病害修复(纵环缝湿渍、渗漏水、滴水等病害)时，将破损(崩角)、掉块处的残余混凝土或有裂缝的混凝土清理干净，崩角边缘地带尽量清理顺直，管片上的破损面用钢丝刷清理，并用清水冲洗干净^[9]。

　　2)涂刷界面剂在混凝土基面涂刷界面剂。

　　3)分层填补砂浆(只针对非拱顶位置)分层抹环氧树脂砂浆，最后用抹刀找平、收光。每次填补≤2cm，必要时立靠模。对于非拱顶位置病害，清除不牢固体后采用环氧砂浆填充补强;对于拱顶部位，仅采用“清除不牢固体+界面剂封闭”。

　　4)注意事项修复碎裂、掉块管片先凿除松动、起壳的混凝土，将基面清理干净，在基面上涂界面处理剂^[10];环氧砂浆要求在短时间内达到较高强度，其性能指标参照规范;应保证环氧砂浆黏结牢固持久，不得脱落。

　　3.2.5 有筋嵌填修补

　　1)表面清理。

　　2)钻孔植入膨胀螺栓(适用于较严重的掉块)

　　用钻头在管片碎裂处沿约30°角向上钻孔，钻孔深度为5～6cm。一方面确保植入螺栓的有效深度，另一方面尽量避免碰到管片钢筋，孔距为10～15cm;钻孔后进行碎裂处表面清理，最后将膨胀螺栓植入打好的孔中，如图9所示。

　　3)涂刷界面剂在混凝土基面涂刷界面剂;待膨胀螺栓固定好后，分层涂抹第1次环氧树脂砂浆修补。

　　

　　图9 钻孔植入膨胀螺栓  

　　 

　　4)挂钢丝网片(适用于较严重的掉块)隧道内管片破损深度3cm以上且破损位置在4～12点位以上的须挂钢丝网片修补处理。必须用扎丝将膨胀螺栓与网片连接，如图10所示。

　　

　　图1 0 挂钢丝网片  

　　 

　　5)分层填补砂浆分层抹第2次环氧树脂砂浆，最后用抹刀找平、收光。

　　4 管片破损预防措施

　　4.1 外弧面破裂

　　提高管片生产质量，减少外弧面浮浆厚度;增加环向管片间软木衬垫厚度;提高管片拼装质量。

　　4.2 边角崩裂

　　提高管片拼装质量，按设计要求在边角设置自黏性橡胶片。

　　4.3 环向螺栓孔处混凝土崩裂

　　提高拼装质量，控制错台;严格控制同步注浆量，确保充填率。

　　4.4 吊装孔处混凝土开裂

　　固定管片生产中预埋件;拼装前进行管片检查，管片吊装孔在拼装前进行清洁;吊装法兰位置增加弹性垫。

　　5 结语

　　针对盾构管片在不同时段的破损，以杭州地铁7号线一工区奥体站—建设四路站区间盾构隧道为工程实例，研究原因及控制技术，得出以下结论。

　　1)在生产过程中应尽量调控环境及配合比影响、管片施工工艺的影响、配筋和构造设计影响;施工过程中管片保持平整，盾构机姿态应稳定，推进速度应与局部压力相适应，当拼装管片时，纵向接缝应平顺，环向接缝应光滑，应根据地质情况和监控、测量数据及时调整注浆量，并确保注浆压力和注浆量与推进速度相适应;减少土体不均匀沉降。

　　2)管片破损治理时，修补材料性能、修补质量、工艺可靠性等对后期行车安全尤为重要。

　　3)本文工程实例中该区段隧道存在相应管片破损，而引起管片破损的原因是综合性的，施工时应予以足够重视。