复杂地质条件下盾构管片错台控制施工技术研究

复杂地质条件下盾构管片错台控制施工技术研究

蔡红波1；杨德金2

中交中南工程局有限公司，湖南长沙 410000

摘要：随着我国城市化进程的持续推进，轨道交通工程项目也越来越多，盾构掘进施工工艺在轨道交通工程中逐步发展成熟，隧道施工质量也越来越受到参于建设各单位的关注。当下，盾构施工存在的一系列问题仍然处于高发频发的状态，比如管片错台不仅影响这隧道的外观质量，同时也会使隧道发生渗漏水问题，影响隧道安全及耐久性。 近年来，各单位在如何减少管片错台上做了大量研究与试验，但在不同地质条件下，管片错台原因也不尽相同，本文以广州供电局凰岗停车场输电线路迁改项目盾构隧道为背景，对复杂地质条件下盾构管片错台原因进行研究，并总结一系列控制措施，为今后类似地层盾构掘进提供参考。

关键词：轨道交通；复杂地质；管片错台

作者简介：王荣帅，男，1994年8月，大学本科，工程师，E-mail：827410056@qq.com。

1 引言

随着城市地下空间的开发利用，盾构法施工在地铁、水利、管道等领域得到了广泛应用。盾构管片是盾构施工中的重要组成部分，其质量直接影响到工程的稳定性和安全性。然而，在复杂地质条件下，盾构管片容易发生错台现象，严重影响工程质量。因此，开展复杂地质条件下盾构管片错台控制施工技术研究具有重要的现实意义和理论价值。本文结合广州供电局凰岗停车场输电线路迁改项目隧道盾构施工，对复杂地质条件下盾构管片错台控制施工技术进行研究。

2 工程背景

广州供电局凰岗停车场输电线路迁改工程项目位处广州市白云区，区间隧道采用盾构法施工，隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片，管片结构内轮廓宽3.6m，外轮廓4.1m，管片厚度250mm，环宽1.2m，每一环由6块组成，采用错缝拼装。

盾构区间地质条件复杂，根据地勘资料显示，隧道主要穿越粉质粘土层、淤泥质粉细砂层、中粗砂层、全风化炭质灰岩、强风化炭质灰岩、中风化炭质灰岩、微风化炭质灰岩等，部分区段存在上部为粘土、砂层，下部为灰岩的上软下硬地层。

强风化、中风化炭质灰岩地层中基岩风化裂隙水主要分布在强风化、中风化风化裂隙中，属承压水，透水性、富水性不均，一般透水性弱，富水性弱，在裂隙发育强烈地段容易形成集水带，水量稍丰富。

由于地质变化大，小直径盾构管片经常出现错台现象，严重影响了隧道的施工质量。为解决这一问题，项目组开展了盾构管片错台控制的研究。

3 管片错台危害及影响因素分析

盾构管片错台分为环向错台与纵向错台两种，错台问题不仅影响隧道质量，还会导致管片出现挤压破损、隧道渗漏等质量问题，刚拼装完成的管片出现环向错台，导致盾尾间隙过小，加速盾尾刷的损坏速度。给工程施工质量造成较多隐患。

对管片错台原因的分析主要内容是针对复杂地质条件下的盾构管片错台现象，通过理论分析、数值模拟和现场试验等方法，得到现场管片错台出现的各种可能的因素。

3.1 地质条件的影响分析

3.1.1 地层岩性

盾构隧道一部分穿越粉质粘土层、淤泥质粉细砂层、中粗砂层，且地下水丰富，总体地质软弱。处于这样的地质基础上，盾构机“头重脚轻”， 盾构自身具有“低头”的倾向。特别是在粉砂粘土地质下“低头”现象尤其严重（比如凰岗项目3-5区间120-140环），而且不易纠偏。只依赖掘进推力与工作面的摩擦力，不足以维持盾构的姿态。

图3.1-1 盾构区间软弱地质剖面图

另一方面，盾构在上软下硬的地层中进行掘进时，盾构刀盘与下部岩体不断发生碰撞，推力和扭矩变化幅度很大，盾构有着向软土层偏移的惯性，使得掘进方向很容易出现偏差，出现“抬头线型”，进而导致盾构姿态控制困难，地面沉降难以控制，引起千斤顶受力不均、管片错台等一系列问题。

图3.1-2 盾构区间上软下硬地质剖面图

3.1.2 地下水条件

地下水条件对管片错台的影响主要表现在两个方面。一方面，地下水的活动会改变地层的稳定性，尤其是在复杂地层中，地下水的活动会导致地层变形，进而影响管片错台。另一方面，地下水的压力也会对管片产生影响，当地下水压力较大时及软弱地层中，管片上浮导致出现连续错台。

3.1.3 地质构造

地质构造对管片错台的影响主要表现在断层、节理等地质构造因素上。这些因素会导致地层的不连续性，影响管片的拼装效果，进而导致管片错台。

3.2 施工工艺影响分析

3.2.1 盾构机姿态控制

盾构机在掘进过程中，如果姿态控制不到位，使纠偏过度，导致管片姿态调整跟不上盾构机姿态变化，管片环面与盾构掘进方向不垂直，千斤顶作用在管片上的力会形成纵向及横向的分力，横向分力大于管片间摩擦力、同步浆液阻力时，必然造成管片错台现象的出现，还会产生管片较多的破损。

另一方面提高盾构机掘进速度，相应的刀盘扭矩就会增加，掘进速度未控制在合理的范围内，使刀盘扭矩异常增加，从而使盾体出现较大幅度的震动，使未完全固定的管片改变位置，出现错台。

3.2.2 管片拼装点位选取不当

管片的拼装前，应根据盾尾间隙情况进行管片选型，选择楔形量较大的拼装至盾尾间隙较小的一侧，来调整楔形量，若管片选型不当，拼装点位选取错误，导致管片姿态向着相反方向调整，使管片间相互挤压，引起两环管片之间出现错台现象。

另一方面，管片拼装完成后，随着盾构掘进，紧固件松动，未及时对螺栓进行复紧，导致衬砌环整体变形，产生错台现象。

图3.2-1 管片螺栓未紧固

3.2.3 管片拼装精度控制

管片拼装过程中的精度控制对管片错台的影响较大。管片拼装时，未按照标准要求拼装、操作失误或测量误差，使环面的不平整度超过2mm，或相邻管片高差较大，直接导致管片错台。

3.2.4 同步注浆

正常管片的外径会比刀盘开挖直径小，盾构管片拼装完成后，管片外表面与刀盘开挖土体之间就会出现缝隙，在盾构推进的同时，进行注浆作业，从而为后续工程顺利开展提供必要保障。浆液一般都需要花费一些时间才能够凝固，在浆液浮力的作用下，使管片的位置发生改变，这也是造成管片错台的原因之一。

在进行同步注浆操作时，注浆压力超过了一定范围，对管片产生的挤压力增大，螺栓未完全紧固是，就会导致管片错台。

3.3 设备及材料影响分析

3.3.1 盾构机拼装机性能

若管片拼装机出现故障或性能状态不佳，不能进行微调，在进行管片拼装时，管片拼装不能按照标准或者要求拼装到位，致使管片拼装困难，较大可能出现错台现象。

3.3.2 管片材料

管片材料的质量也会对管片错台造成一定影响，如果管片材料的强度、刚度不足、尺寸不符合要求等，均会导致管片错台。

3.4 现场操作的影响分析

3.4.1 现场施工组织

如果施工组织不合理，如人员配备不足、物资保障不到位等，使管片拼装过程出现各种问题，只是不能够有效的保证拼装精度，使管片出现错台。

3.4.2 现场操作人员素质

现场操作人员的素质对管片错台的影响较大。如果操作人员技能水平不足或责任心不强，管片拼装作业时随意操作，未按照要求进行控制，或者未按照交底要求进行拼装，均可能会是造成错台的因素。

3.4.3 天气及环境因素

天气及环境因素对管片错台的影响也不能忽视。例如，在雨季施工时，地下水位较高，管片上浮使管片改变原来位置，致管片错台。此外，地震等自然灾害也可能会对管片错台产生影响。

4 错台预防措施

4.1 稳定地层

一般来说，多以控制掘进参数方式来避免复杂地层的过大沉降，同时在盾构推进过程中，因严格控制出土量，避免超挖或欠挖现象。

特殊地段，为了确保管片在复杂地层交界处，采取提前加固地层的措施，可通过地面加固注浆方式等施工方法，确保盾构推进过程中地层稳定的，但因施工不仅需要花费较大成本还需协调施工借地，程序繁琐，此方式仅适用于上部含重要管线或重要建筑物时。

图4.1-1 地面加固注浆

4.2 控制掘进参数

加强施工现场的测量和监控工作，通过姿态测量和控制系统，及时调整掘进参数，控制好掘进速度，严禁纠偏过急，纠偏应遵循勤纠少纠原则，一般来说纠偏量不得大于3mm/环，将掘进轴线与设计轴线偏差控制在规范范围内，确保施工精度满足设计要求。

图4.2-1 实时监控掘进参数调整

4.3 做好管片选型

管片拼装前，根据盾尾间隙、盾构姿态、管片姿态以及设计轴线等方面综合考虑，选取合适的管片类型及拼装点位，做好管片选型工作，确保相邻管片之间的位置精度和密封性符合标准。特别是对于带楔形量的管片，要确保其选型正确，以避免盾尾间隙过小、推进油缸和铰接油缸行程差过大、隧道轴线与设计轴线不匹配等问题，从而减少管片错台的发生。

图4.3-1 盾尾间隙测量

4.4 做好拼装机维修保养及管片进场验收

定期对盾构机进行维保，控制管片拼装质量就尤其要做好管片拼装机的维保工作，盾构仓库储备拼装机易损零部件，保证拼装机精度。同时要加强拼装过程中的质量检测和验收，检查管片型号是否符合，防止不合格的管片进入工程现场。

图4.4-1 管片进场验收

4.5 加强人员管理

管片拼装主要是有人员操作拼装机进行拼装，因此加强拼装操作手的技能以及责任心培训极为重要，使大家熟练掌握相关验收规范、施工操作规程等，按照标准要求操作，能够使管片最大可能拼装到位，保证环面平整度及精度。

图4.4-1 管片拼装作业培训

4.6 加强拼装质量监督检查

加强质量监督，技术人员要全程旁站，在衬砌环拼装过程中严格遵守操作规程确保管片拼装顺序正确以及紧固件紧固到位，避免衬砌环整体变形，对于拼装不到位或未按要求进行拼装时，应第一时间提出整改要求调整，保证环间错台误差满足规范要求。

4.7 规范管片拼装程序

管片拼装应按照由下至上，左右交叉的顺序进行管片拼装，同时还要遵循“先调整环缝，后调整纵缝”的原则，保证块与块之间，环与环之间表面平整，螺栓便于插入为宜。拼装时，千斤顶应缓慢顶推待拼装管片，避免扰动其他已定位管片。管片脱出盾尾后及时进行复紧。

4.8 跟进注浆工作

选择适当的同步注浆浆液，在避免频繁堵管的前提下，浆液初凝越快，对管片上浮危害的抑制越早。在掘进过程中，应根据不同地质情况及盾构掘进速度，调整浆液初凝时间。同时，还要控制好注浆压力，避免注浆压力的过大，造成管片错台。

另一方面，在复杂地层中掘进，由于地层扩散、漏浆及注浆量不足时，还需及时进行二次注浆，保证管片与开挖土体间缝隙充填饱满，减少地层沉降和变形，达到有效抑制错台的发生。

4.9 建立完善质量保证体系

建立完善的施工质量管理体系根据具体的工程特点制定相应的质量管理办法并严格执行，以确保施工过程中的质量问题得到及时发现和解决，管片拼装作业落实质量责任制、奖惩制度，严格落实，以进一步提高全体施工人员的质量意识和责任心。

5 结论与展望

本文以广州供电局凰岗停车场输电线路迁改项目为背景，通过对复杂地质条件小直径盾构管片错台现象进行研究与分析，得到以下结论：

（1）复杂地质条件对小直径盾构管片错台具有显著影响，需要特别关注软土地层和复合地层中的施工问题。

（2）材料性能不均、生产工艺不当和施工操作错误是导致管片错台的主要原因之一，需要加强这些环节的控制和管理。

本研究提出了一系列控制措施和建议，包括加强人员及监督管理、优化生产工艺、规范施工操作等，可以为工程实践提供指导和借鉴。

展望未来，将继续深入复杂地质条件下研究盾构管片错台控制施工技术，探索更加有效的方法和技术，为提高工程质量、保障施工安全做出更大的贡献。同时，随着工程实践的深入开展，将不断积累经验和完善技术标准，为我国地下工程建设事业的发展提供有力支持。

参考文献

[1]常喜军. "地铁盾构隧道施工中管片错台控制技术研究." 现代城市轨道交通 4(2020):4.

[2]张亚洲, 温竹茵, 由广明, & 刘念. (2019). 上软下硬复合地层盾构隧道设计施工难点及对策研究. 隧道建设（中英文）, 39(4), 8.

[3]钱佳亘. "浅谈复杂地质条件下盾构小半径曲线掘进管片错台控制." 祖国：建设版 9(2013):2.