盾构隧道管片开裂原因及数值仿真

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【摘要】本文主要围绕着盾构隧道的管片开裂问题展开分析，探讨了盾构隧道管片开裂的主要原因，同时，进行了相关的数值仿真，以期可以为盾构隧道的管片施工提供参考。

【关键词】盾构隧道；管片开裂；原因；数值仿真

中图分类号：U455文献标识码： A

一、前言

目前，盾构隧道管片依然存在开裂的情况，针对开裂的原因，一定要深入的分析，只有弄清楚了开裂的原因，才能够确保盾构隧道管片开裂问题得到解决，提高盾构隧道管片的有效性。

二、盾构隧道管片开裂概述

在盾构施工中，盾构管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最外层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。盾构管片质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性能及耐久性能。在盾构施工中，常常会遇到盾构管片结构上浮、隧道轴线偏移和管片错台等问题[1]。此类问题除了会影响隧道走向、净空外，还会引起管片破裂并破坏管片结构，从而给隧道的防水带来隐患。地铁成型隧道管片的上浮和错台以及由其引起的管片破裂一直是困扰盾构隧道施工的技术难题。

三、盾构管片开裂的一般性原因

1、盾构机千斤顶总推力较大：作用于管片上的力是造成管片开裂的最基本因素其中盾构推进过程中总推力过大是致使管片开裂的最直接原因。当总推力过大时，对于养护不好并且配筋小的管片则有可能开裂。

2、管片环面不平整：造成管片环面不平整主要有:管片制作精度误差管片纠偏时贴片不平整；盾构机推进时各区的千斤顶推力大小不等管片之间的环缝压缩量不一致等原因。因管片环面不平整盾构机千斤项作用于管片上将产生较大的劈裂力矩造成管片开裂。

3、千斤顶撑靴损坏或重心偏位：盾构机通过千斤顶作用于管片上向前掘进.在千斤顶与管片接触处设置撑靴以减少管片压力，撑靴损坏后管片局部压力增大造成管片损坏或出现裂缝。在盾构掘进过程中已拼装的管片中心线与盾构机本身的中心线重合为理想状态但在实际施工中两条轴线存在偏差千斤顶的中心没有作用在管片环的中心上，造成管片偏心受压。

4、盾构机姿态控制与线路曲线段不匹配：管片是在盾构机尾部内进行拼装，拼装完成后隧道管片空隙为5cm，盾构机在曲线段掘进时盾构机的姿态变化与管片的姿态变化不一致，盾尾密封刷挤压管片造成开裂。

5、管理不严格

掘进参数控制不当，千斤顶的选择未能兼顾管片走向，技术交底工作未能落实。管片拼装管理不严格，造成错台、管片接触不平顺。拼装前管片检查不充分，管片上存在污物。

四、工程概况

某市盾构地铁在进行巡检时，发现既有线(本文称左线)长达95m区间的多节管片1点钟位置内侧表面出现了不同程度的裂纹，且伴随地下水渗漏。统计表明裂缝隔片出现(图1，图2)，绝大多数沿着隧道轴线方向发展，且多为通长，最大宽度达1．5mm，多处深达100mm，并有个别贯通裂缝。而此时距其6m外的右线刚竣工不久。管片受损段工程地质沿隧道纵向剖面如图3所示。

图1裂缝现场照片

五、开裂原因及数值分析

影响隧道管片产生裂缝的原因很多，本地铁管片的裂缝是在地铁运营后发现的，无法准确确定管片是在施工还是在使用期间开裂的。本文重点从开裂段的地质原因、管片接头刚度、右线施工时对左线管片受力等方面分析其开裂原因，并对部分原因进行数值仿真分析。

图3开裂区间地质断面

1、管片受损段地质特点

的影响

分析管片开裂区域的左线地质剖面图(图4)可以发现，与其他区域相比，受损段地质条件较差，洞身范围为＜5H-2＞花岗岩硬塑土，风化剧烈，遇水易软化，洞底围岩为＜6H＞花岗岩全风化带。管片上方分布有＜5H-1＞、＜4-1＞、＜3-2＞、＜2-2＞等砂质粘土，地层比较软弱。各层地质分层的土性和厚度分别为:＜1＞人工杂填土，厚0．4～2．2m；＜2-1＞淤泥质粉质粘土，厚2．6～4．6m；＜3-2＞陆相冲洪积砂层，厚1．3～5．9m；＜4-1＞冲-洪积土层，厚3．4～4．0m；＜5H-1＞花岗岩残积土，厚8．6～15．2m；＜5H-2＞花岗岩残积土，厚7．0～18．0m；＜6H＞花岗岩全风化层，厚5．0～8．0m。

图4受损管片相邻段地质剖面

受损段隧道地面为某小区1～3号楼。建筑物的基础为15～20m深的锤击贯入桩，地面环境复杂。从地质图可以发现，开裂段隧道顶部1m以上就是＜5H-1＞(花岗岩残积土)土层，花岗岩残积土遇水容易软化，相关研究也表明扰动后强度参数降低明显。地面建筑物、施工时候土层的扰动可能会引起管片受力状态的变化。

2、塌落拱高度增加的影响

根据上一节可知，和其他段隧道区域的地质条件相比，开裂段的地质条件发生了变化。隧道洞身及洞顶主要为＜5H-1＞、＜5H-2＞砾质粘性土，该类土层透水性较强，天然状态下具有较好的力学性质，但遇水后极易软化，强度急剧降低，尤其在具有临空面的浸水条件下，花岗岩残积土会因软化崩解而坍塌。同时隧道上方靠近地面分布有较大范围的＜4-1＞冲-洪积土层，地层的特点决定了其对盾构掘进产生的扰动十分敏感。分析设计资料可知，盾构机在通过该段时，地面的某小区1～3楼发生了沉降，截止2008年4月地面最大沉降已经达129．6mm，地面沉降可能已经引起隧道顶岩土体的扰动，应力发生了重分布，并可能使得拱顶塌落拱高度增加。塌落拱高度增加会使得隧道管片竖向荷载和水平荷载增加，随着塌落拱高度的增加，当管片内力超过其开裂荷载时，管片就会在拉应力最大位置出现裂缝。松弛土压力的计算方法―般采用太沙基(Terzaghi)公式，换算土压力计算高度h0的计算公式为:

式中，B1为根据太沙基公式计算的隧道拱顶松弛

宽度的一半；K0为水平土压力与垂直土压力之比；φ为土的内摩擦角；p0为上覆荷载；γ为土的重度。根据公式(1)可知，如果土体强度降低，隧道管片顶部土压力增大，使得管片内力也增大。

2．3管片接头刚度的影响

开裂区间管片是错缝安装，开裂发生在1662～1724环管片上，所有裂缝均出现在偶数环上(隔环产生)的连接块上，如图2所示。裂缝两端对应管片的封顶块接头，封顶块接头处的刚度小于管片的弯曲刚度，封顶块所承受的弯矩比毗邻的管片所受的小。如果开裂区域的隧道围压出现局部增加，由于连接块刚度比封顶块接缝处的刚度大，所以连接块分担的荷载多些。

用ANSYS软件，通过荷载-结构法建立了管片接头实体模型，模型中管片纵缝和管片环缝均采用等效刚度的弹簧单元建立联系，对模拟螺栓的单元施加初始应变，以模拟施工中对螺栓施加的300N・m预紧扭矩，地基反力也采用弹簧单元。建立的管片接头实体模型见图5和图6。

图5、6错缝拼装模型

考虑管片接头刚度效应和错缝拼装的既有隧道整体变形如图7，可见在一定围压作用下，管片在11点钟方向连接块的变形比封顶块的大，进一步说明外荷载增加时，连接块会承担更多的荷载，如果超过其开裂荷载就会产生裂缝。

图7整体管片11点钟位置的位移放大

六、结论

隧道管片在使用过程中的开裂主要原因是管片围压发生改变，而引起该段管片围压改变的可能原因有:管片受损段的地质特点；土体扰动引起隧道拱顶塌落拱高度增加；管片背后注浆密实程度；管片开裂位置的结构受力特点以及右线施工期间对左线岩土体的扰动。原有应力及相邻线路盾构施工引起的附加应力的综合结果见表1，可见1点处管片内侧的综合拉应力最大，达2．72MPa，已超出C50混凝土的抗拉强度标准值2．65MPa。再加上后期线路施工产生的如图15的效应，以及开裂段花岗岩全风化＜6H＞软弱下卧层较厚(图4)，这些因素作用在一起就直接导致裂缝隔片出现于连接块上1点附近。

表1管片综合内力计算结果

计算分析发现，后施工隧道所产生的塌落拱拱脚作用在临近的既有隧道斜上方；后线单施工步引起既有线目标片最大内侧环向拉应力产生于靠近后施工线路的右上1点钟位置，而11点钟位置(即背向后施工线路一侧)所受影响较小。当地下空间允许时，建议适当加大两条线路的水平距离，使之相隔1．5倍隧道直径以上，以避开对方的塌落拱拱脚。同时先施工的隧道应重点对靠近后施工线路一侧的斜上方土体进行加固以应对未来的附加应力及相应的变位。错缝形式可改纵向的两片一循环为多片一循环，以减小相邻片之间错缝角度，减轻相邻管片在顶部的刚度不连续性，改善受力状态。

七、结束语

综上所述，盾构隧道管片开裂的原因多种多样，因此，一定要考虑到原因的复杂性，针对本文分析的一些主要原因，今后要做好相关的预防和应对措施，确保盾构隧道管片的有效性。

【参考文献】

[1]徐军.盾构管片开裂原因分析及应对措旋[J].交通标准化，2009.12

[2]竺维彬，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M].北京：中国科学技术出版杜，2012.56

[3]周文波.后构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.23