盾构机最初主要应用于砂层、黏土等软土地层隧道开挖, 可有效控制地表沉降及涌水, 随着盾构机设计不断提升, 相关刀具性能提高, 盾构机也越来越多地应用到硬岩地层掘进中。但在硬岩地层掘进中, 在地下水丰富的岩层易发生管片错台、上浮等问题, 对盾构隧道防水和结构安全都产生了较大的安全质量隐患。

地质因素是造成管片上浮和错台的主要原因, 由于隧道地质的复杂性, 盾构机设计不可能完全兼顾软弱地层和硬岩地层的要求, 盾构机在地质条件发生较大改变时, 可能会出现管片上浮和错台问题。

本工程为平行双洞, 平面轴线由直线段和曲线段组成, 隧洞在取水构筑物后以29.2m线间距直线延伸, 穿过观景平台区域后通过R=400m曲线将线间距调整为47.72m。管片外径6.7m, 管片厚0.35m, 环宽1.5m, 错缝拼装。

根据地勘结果, 本工程场区主要为太古代深层岩, 岩石性状以花岗岩 (r1) 为主, 并夹杂有大量的片麻岩捕虏体 (Ar) 。隧洞洞身范围围岩以IV类强风化围岩为主, 占75.5%, V类中风化围岩占24.5%, 部分地段为软硬不均段。工程区强风化岩体及中等风化带岩体存在较为发育的节理裂隙, 经校核为弱～中等性透水体, 涌水量为14.2～18.54m³/ (d·m) 。

管片接缝位置防水设计为定做的三元乙丙 (EPDM) 橡胶止水带, 管片环向 (即圆弧端面) 位置贴有整块的丁晴软木橡胶板, 以利于管片间缓冲作用力的传力衬垫。

在掘进至强风化、中风化花岗岩分界面时出水量较大, 需先放水再掘进, 掘进时螺旋输送机经常喷涌 (见图1) 。掘进时喷涌造成掘进困难, 出渣不连续, 掘进后需投入大量的人力进行清理, 每环需清理数小时, 不但影响文明施工, 而且易造成管片质量下降。通过对成型隧洞管片的连续人工复测, 拼装完成的管片存在上浮、侧移现象。在65～85环范围, 管片在脱出盾尾后及后续几天内, 会在横向、竖向发生3～5cm的移动、上浮。

通过对隧洞管片拼装前导向系统显示的盾构机盾尾所在中心线与管片拼装后人工复测结果进行比较, 隧洞管片基本都存在上浮情况, 5号隧洞管片上浮超80mm以上数量占55.3%, 6号隧洞管片上浮超80mm以上数量占45.4%, 2条隧洞管片最高上浮量 (拼装完成后1d, 管片衬砌圆心与盾构机导向系统测得盾尾中心之差) 都达到140mm, 如图2所示。

本工程中, 盾构机在掘进至转弯段后, 陆续发现部分管片拼装完成后错台量不断增大, 并有部分错台量超过设计及规范标准 (15mm) 。而在盾构机抵达接收端时, 错台量也明显增大, 具体错台量统计如表1所示。

本工程由于前期设计采用矿山法施工, 平面线形为直线段直接接入半径400m的曲线, 无缓和曲线。后期设计更改为盾构法施工, 但隧道线形无法进行调整, 因此在直线与圆曲线交接位置, 掘进姿态、管片拼装姿态控制难度大。圆曲线里程相对环号45～139环, 由表1亦可看出管片错台超限大部分出现在这段区间内。

盾构管片错台包括衬砌环内错台和环间错台, 即分别对应径向错台和环向错台。衬砌环内错台是指一环管片内, 两相邻管片块接缝处存在的径向相对位移。环间错台是指相邻两环管片之间环向接缝处存在的相对位移。

盾构管片上浮及错台受外界影响因素多, 在特定环境下, 对管片错台量的控制难度较大。从GB50446—2017《盾构法隧道施工与验收规范》中对地铁隧道的管片姿态具体要求是“管片拼装过程中及施工成型隧道的隧道轴线平面位置、轴线高程、环内错台、环间错台、衬砌环椭圆度的允许偏差分别为±50mm, ±50mm, 5mm, 6mm, ±5‰D;±100mm, ±100mm, 10mm, 15mm, ±6‰D;前2个指标为质量主控项目, 合格率要求100%, 后3个为一般控制项目, 合格率要求95%。”由此可见, 规范在制定过程中从实际工程实践出发, 充分考虑到管片错台发生的可能性。值得一提的是, 在GB50446—2017中, 已将衬砌环间错台检验数量由“1点/环”改为“4点/环”。

管片超限的错台量在影响隧道表观质量的同时, 还可能会引发其他严重问题。

盾构管片每块衬砌外侧设计嵌有一圈定做的三元乙丙 (EPDM) 橡胶止水带, 通过相邻两块管片多孔的橡胶止水带相互的接触挤压进行管片接缝防水。而当管片衬砌块之间错台量超过15mm时或者管片缝隙张开值过大, 在较大围岩水压力的情况下, 发生管片间隙渗漏水的可能性将大大增加。

在盾构施工过程中, 管片衬砌出现较大错台的同时, 造成管片相邻衬砌块间出现较大的集中应力, 可能会伴有管片衬砌破损, 如管片衬砌块边缘开裂、崩角等情况。

由于盾构机盾尾注浆、油脂管路及加肋钢条, 盾构机盾体与管片会形成1道140mm的建筑间隙 (部分外露注浆管的日式盾构略小于此值) , 另外在硬岩地层中, 刀盘刀具往往会额外放大一些, 综合考虑建筑间隙可能会有所增加, 此建筑间隙即管片上浮产生的根本原因。而管片间的不均匀位移, 即形成了管片环与环之间的错台。

盾构隧道管片产生上浮需具备3个条件:①管片外围有产生浮力的液体;②上部要有浮动或可压缩空间;③外周产生的浮力要大于管片或盾构机的自重。如果管片拖出盾尾后产生错台, 还需要管片环与环之间存在剪切力 (上下错动的剪力差) 及摩擦力不能克服此剪切力。

1) 地下水、注浆浆液的浮力大于管片自重。如管片外介质以水计算, 外径6.7m的管片每延米受到的浮力为352kN, 而0.35m厚的管片自重为174kN, 浮力与自重差值为178kN;而如果管片外介质以重度为15kN/m³的砂浆计算, 则浮力更大。

2) 注浆浆液指标不满足施工要求。

3) 注浆不均匀及刀盘开挖面要比盾体大, 同步注浆就容易沿盾体往土仓蹿, 也影响顶部注浆效果。

1) 围岩与管片存在间隙, 在注浆浆液未凝结前, 无法形成约束;管片顶部未被同步砂浆填满, 存在空隙。

2) 管片螺栓杆与螺栓套管之间存在5～10mm的间隙, 有学者认为, 一般斜螺栓比弯螺栓抗剪性更好, 但直螺栓有缺陷之处在于, 拼装完成脱出盾尾后椭圆度发生改变, 容易造成螺栓松动, 直螺栓一端是硬橡胶螺纹, 直螺栓与它成一定夹角后就不容易再打进去。这种情况弯螺栓就很少发生, 弯螺栓两头都是螺母, 两边都能复紧。

1) 较小的转弯曲线及不合理的过渡曲线位置, 既对管片拼装质量产生很大的影响, 又增大掘进姿态控制难度, 大大增加了管片发生错台的可能性。

2) 在掘进过程中, 刀盘、前盾质量较大, 如表2所示, 盾构易产生栽头, 需要通过上下油缸组压力差和行程差来调整盾构姿态, 但压力差使得管片受到偏心反力, 对管片产生弯矩, 导致部分管片上浮。

3) 盾构机的铰接形式及拼装机形式, 直接影响掘进姿态控制及管片拼装质量。相比常见的被动铰接, 主动铰接油缸拉力更大, 但掘进姿态调整难度也大大增加。

管片拼装过程中, 先期拼装的块体定位不到位, 造成衬砌圆过大或过小, 后续封顶块拼装时无法顺利插入, 甚至产生错台。

在以往盾构工程中, 经常发现管片错台较大的位置其螺栓未完全打紧, 这是因为管片拼装过程中推进油缸为拼装模式, 油缸与管片间的作用力较小, 橡胶传力垫未完全压缩, 而拼装完成、盾构机继续掘进后, 传力垫再度压缩, 管片螺栓发生松动;另外, 管片在脱出盾尾后, 与外界地下水及同步砂浆接触, 受力平衡发生改变, 管片位移, 螺栓可能再次产生松动, 如不及时复紧螺栓, 管片发生错台的可能性会大大增加。

通过上文论述, 可知管片处理较大的错台后, 最直接的影响主要有:①造成橡胶止水带有效性降低甚至出现渗漏水;②表观质量。

首先要做好管片错台位置的防水堵漏工作, 减小隧道后期运行时出现渗漏水的可能性。而现有地铁工程中, 管片错台表观质量及结构损伤的处理措施主要分为以下几类。

一般将棱角适当打磨, 清理干净后, 采用环氧树脂或聚硫密封胶进行填补。

一般为内外2层修补工艺, 即内层采用高强水泥砂浆+钢丝网片;外层为防止地铁运营期间长期振动造成管片修补材料疲劳脱落, 采用外贴芳纶纤维 (全称为聚对苯二甲酰对苯二胺, 是一种合成纤维, 具有耐酸碱、耐高温、高强度、高模量、质量轻等性能) 。

根据文献资料, 此类修复采用管片内侧焊接全圆钢板, 并辅以钢肋板进行加固。

管片开孔放水是盾构掘进施工过程中常用的一种被动措施, 旨在降低管片外周的水压力, 同时改善同步注浆浆液在管片外周的填充效果, 减小同步注浆浆液被地下水稀释的可能性。同时, 可减小管片在第一时间脱出盾尾后的浮力, 减小管片上浮的外在因素。管片上浮情况一般出现在硬岩地区, 因此管片开孔放水一般不会产生因地形水位变化而带来的地表沉降影响。但是, 管片开孔放水, 仅能作为施工过程中的辅助措施, 并不能有效地解决管片上浮问题, 要彻底解决或减小管片上浮影响, 还需要从解决管片外周间隙的角度入手。

同步砂浆的质量直接影响到注浆效果及早期的管片上浮, 快硬、早强、抗离析是同步砂浆的优化目标, 可在同步砂浆中添加速凝剂或水玻璃, 但同时应注意防止堵塞注浆管路。

豆砾石灌浆工艺在以往TBM隧道施工过程中应用较多, 在盾构隧道施工应用较少。豆砾石的粒径一般为5～10mm, 较盾构同步注浆常用的中砂直径大很多。借鉴豆砾石回填灌浆工艺在盾构机过空推段的应用, 可通过对盾构机壳体进行改造, 加设豆砾石管路, 或者通过已有的盾壳膨润土注入口, 以及将已经拼装完成的管片衬砌吊装孔 (注浆孔) , 注入豆砾石, 占据浆液或地下水的空间, 消除管片上浮的空间条件。而豆砾石灌入盾尾空隙后是否会首先滑落到盾构管片下部, 需要通过进行浆液配制试验确定合适的浆液及豆砾石参数。

盾构掘进过程中, 进行二次注浆可有效填充同步注浆未填满的部分, 同时还能起到快速凝固填充管片背后间隙的作用。施工过程中, 一般是优先打穿管片衬砌顶部的二次注浆孔, 利用盾构机1号台车处平台或在管片拼装机平台后面的位置, 对管片进行二次注浆及环箍注浆, 注浆材料一般为水泥水玻璃二次浆液, 或者注入水玻璃浆液与未凝固的同步注浆浆液混合, 加速同步注浆浆液的凝固时间, 从而快速形成止水环箍, 沿隧道纵向阻止后部水源向盾尾处流窜。

在盾构隧道施工过程中, 尤其是在硬岩地层掘进时, 为避免盾体被围岩卡死, 刀盘开挖直径一般较盾构机盾体大3～5cm, 甚至差值更大, 因此, 在盾构机盾体外周与围岩之间形成了一道通路, 而同步注浆在注浆压力的作用下, 可能会从盾尾窜至刀盘仓。

为了阻止注浆浆液流向刀盘仓, 可在尾盾处焊接止浆板 (见图3) , 在围岩与盾壳之间形成一道止浆环来阻挡注浆液向刀盘仓流动。但由于止浆板的寿命有限, 无法保证其有效, 可考虑在盾壳外部焊接1～2道报废的盾尾刷, 起到一定的止浆作用。

部分盾构工程在管片端面设计有混凝土剪力凹槽或其他材料的定位销、剪力销, 一般为金属或硬质尼龙产品。混凝土剪力凹槽在管片衬砌块一端设有凸起的混凝土、另一端设有凹槽, 在管片拼装后使之形成咬合, 增加管片衬砌间的抗剪力。不管是管片混凝土剪力凹槽, 还是剪力销等结构, 既可用于拼装时定位, 又可为环与环间提供剪切力, 降低螺栓的剪应力, 合理设置销体位置及材质, 使得所有销体受力均匀, 不至于受剪破坏, 这样可降低管片错台发生的可能性。

现有的传力垫有丁晴软木橡胶材料、石棉材料, 传力垫有设计为整块或三段式, 传力衬垫设置的必要性和弊端在行业内并没有统一的观点, 而如何有效发挥传力衬垫改善受力的优点、消除摩擦力降低的缺点, 是否取消传力衬垫, 应是亟待进行研究确定的。

安装管片时, 必须严格执行操作规范, 螺栓紧固严格执行“三次紧固”的原则:管片拼装中第1次紧固, 扭矩大小为设计的50%;管片拼装结束第2次紧固, 扭矩大小为设计的75%;管片出盾尾位置后第3次紧固, 扭矩大小为设计的100%。

拼装完成的管片应及时按设计要求将螺栓打紧, 并在脱出盾尾期间及脱出后2～3环进行复紧, 每环需勤检查, 必要时使用扭矩扳手进行检查。

根据本工程施工过程中出现的管片上浮、错台 情况, 分析硬岩地层盾构管片上浮、错台产生的条件及因素, 其根本原因是管片外部位移约束不满足管片变形。而管片错台带来的直接影响是降低了管片间橡胶止水带的可靠性, 增加管片间渗漏水的可能性, 虽然聚硫密封胶、环氧树脂填补或高强砂浆+芳纶纤维等修补方式在一定程度上解决了管片错台、破损问题, 但是如何做好管片错台预防措施, 尽可能从根本上减小管片上浮、错台发生的可能性, 是盾构工程师应该充分思考和注意的。