某区间管片错台加固修复技术研究

某区间管片错台加固修复技术研究

陈晓龙

（城盾隧安地下工程有限公司，上海 200040）

摘要：随着地铁建设的快速推进，施工过程中遇到的问题日益复杂多样。在某区间盾构推进过程中，由于外部原因，导致管片封顶块出现错台，盾构机停机影响施工进度。通过现场调查和结构现状分析，采用临时加固复推和永久修复相结合的方法，有效解决了封顶掉块问题，确保了盾构机的正常推进以及隧道的结构的永久修复。研究结果表明，该处理措施为后续类似工程提供了宝贵的技术支持和经验借鉴，具有重要的实际应用价值。

关键词：盾构隧道；管片加固；结构变形；施工技术

引言：管片错台是盾构推进过程中较为常见的现象，受地层变化、姿态控制不当、拼装误差等多方面因素影响[1]，其中外部环境的不确定性和盾构机姿态控制不当是导致隧道管片错台的主要原因[2]，直接影响隧道整体稳定性，增加结构变形的风险，引发渗漏水、管片开裂等多种病害[3-5]。在应对错台情况时，往往采用控制盾构姿态及同步注浆来减少相关影响[6]，李芳[7]等通过设置剪力销构件以增强管片的抗浮性能，从而降低错台发生率；巫敏[8]为应对双护盾TBM管片施工设计改造了管片撑紧系统及换步背压功能液压系统，便于管片姿态稳定；宋卿[9]等针对六边形管片的特点，研发了一种管片防倾装置以限制管片位移，达到控制管片错台效果。目前的研究主要集中于管片错台成因分析和预防措施，对于推进过程中较大错台的临时处置及永久修复技术的研究较少且针对性不强。为此本文详细分析了施工过程中遇到的挑战和难点，提出了一套系统的永久修复方案，并对其实施效果进行了全面评估。通过此次研究，旨在为类似工程问题的解决提供技术支持和经验借鉴。

1 工程概况

该区间盾构隧道穿越地层为：③5砂质粉土、③6粉砂、③7砂质粉土夹淤泥质土、⑥1淤泥质粉质粘土、⑨1粉质粘土，始发端盾构所在地层为③6粉砂、③7砂质粉土夹淤泥质土，下部少量⑥1淤泥质粉质粘土地层。盾构机与周边构筑物平剖面图见图1、图2。

图1 盾构机平面位置图

图2 盾构机与箱涵纵断面位置图

盾构掘进拼装推进530环时，发现拼装机部位管片破损有混凝土块掉落，经检查发现527环封顶块1点钟位置向下下沉，经实际量测下沉数据：管片前沿靠上部位115mm，管片前沿靠下部位95mm，管片后沿靠上部位52mm，管片后沿靠下部位47mm；现场立即停止推进，并且利用管片方木进行两道临时支撑加固，下沉区域管片无较大渗漏水及裂缝，现场下沉情况见图3。

图3 管片下沉情况图

2 原因分析

经过对现场情况的深入分析，初步得出结论：在盾构推进过程中，由于区间下穿河道时未能进行充分的地质勘探，当盾构机顶进至河道位置时，切削至河道箱涵下方格构柱，盾构刀盘受损，进而导致管片变形，这种干扰导致盾构在推进过程中对管片产生了额外的挤压力，最终引发了封顶块的下沉现象。

3临时加固方案

3.1应急处置措施

（1）在盾尾五环管片进行了拉紧措施，防止管片进一步错台变形。

（2）壁后注浆加固，形成外部防水层。

（3）在下沉管片与相邻管片缝隙涂抹快速水泥，以便于观察监测变形位移情况。

（4）对盾构机上方及盾尾拼装区域进行了地质雷达探测显示盾体上方及管片底部无空洞。

通过以上四点紧急处置措施，有效保证盾构停机期间对管片变形和渗漏水的控制，防止事态进一步扩展。

3.2盾构复推临时加固

考虑实际情况，采取在下沉环前后一环位置进行钢环加固，针对527环拟采取“挑扁担”形式加固。

（1）纵向将4根100mmH型钢两端焊接在526环，528环安装好的钢环上。形成如图4所示两端刚性连接的单跨“扁担”支承体系；

图4 临时型钢加固图

（2）“扁担”两端H型钢与钢环间用双拼65mm槽钢加100mmH型钢形成的充垫结构焊接，型钢间应纵向满焊，确保连接稳定牢固；

（3）应保证H型钢与下落封顶块底部密贴受力，并按现场实际需求凿除管片混凝土保护层，凿除厚度不大于3cm，严禁破坏管片主筋；

（4）封顶块底部与H型钢间按现场实际要求填入楔形块，确保封顶块底部能均匀受力。

（5）为避免盾构机上部车架对纵向的加固H型钢造成干扰，H型钢位置尽量靠两端焊接安装，避开上部车架影响。如影响无法避免，应根据实际需要对盾构机车架进行适当切割，切割尺寸根据现场情况确定，切割前应对车架结构进行临时加固措施。

（6）为保证加固承载力，在掉落封顶块环向两端的邻接块上安装两块1200mm长钢环，两钢环间环向用20mm附加钢板连接，环向与H型钢上翼板焊接。形成纵向有H型钢，环向有附加钢板的整体受力体系。

（7）H型钢安装应避开手孔位置，确保应急状态下可以随时通过封顶块进行壁后注浆。

（8）加固形式是否满足受力要求需要设计单位进行验算论证。设计验算通过并确认可行后方可实施。

盾构复推临时加固的管片结构见图5。

图5 盾构复推临时加固图

4永久修复方案

4.1顶推支撑体系设计

（1）顶推结构基础由四根工字钢焊接在527环铺设安装下半环钢环管片，为顶进施工提供足够支撑面。两两双拼分布于结构底部两侧，与隧道管片平顺接触。

（2）主体顶推结构由四根直径325cm的无缝钢管组成，每节无缝钢管由两结构单元通过法连连接，每个结构单元长2.2m。

（3）每节无缝钢管外周由四根角钢焊接包裹，提高顶推过程中支撑钢管的压屈稳定性；

（4）无缝钢管间设置斜向支撑连接，保证顶推结构在顶推过程中的侧向稳定；

（5）支撑钢管顶部，即顶推结构顶部焊接3cm钢板构成的千斤顶平台，平台上设置用于放置四个200t千斤顶的护筒，平台与支撑钢管连接处设置腋角加固钢板，增大平台在顶进过程中的抗剪及抗弯性能。

（6）千斤顶顶进过程中，在千斤顶与错台管片间设置枕木，保护管片，防止在顶进过程中造成管片损伤。

（7）顶推结构体系外围采用槽钢斜撑，斜撑槽钢与顶推结构刚性连接，确定顶推结构在顶进过程中的抗倾覆稳定性。

（8）支撑体系需满足强度，刚度，稳定性要求，并有设计出具相关验算报告。

（9）由于管片存在不同程度破损，为确保顶推作业安全，需控制施工中的各项参数，避免对管片产生二次破坏。

图6 支撑结构整体示意图

4.2支撑搭建及顶推施工

（1）顶进施工中所用的千斤顶应到特种设备管理部门进行标定，并根据标定报告计算施工中所需的油压值；

（2）盾构车架通过后，及时清理错台过大处管片，保证后续顶进施工有足够的工作面。

（3）根据顶推结构设计方案，将顶推钢结构分块吊运至现场。按照施工图纸及时安装成型，并签字验收确认；

（4）现场搭设施工脚手架，在前期施工的加固扁担型钢之间再焊接两根加固扁担型钢，用于顶推过程中的换撑。

（5）中间两根扁担型钢焊接完成，确认安全可靠后，现场切割前期加固“型钢扁担”，切割过程时刻注意顶推结构变化情况，出现异常及时停止施工；

（6）先切割错台小一侧扁担型钢，清理该侧管片及钢环焊接部位后，将千斤放置于该错台下部，启动千斤顶顶升至与封顶块保持接触，作为封顶块临时支撑，确保封顶块稳定牢固。确认安全后切割另一侧扁担型钢，按同样方式将千斤顶启动作为临时支撑。

（7）换撑作业完成后，及时检查结构状况，确认稳固后开始顶推施工。

（8）正式向上顶推前应进行试顶作业，确保各部件能稳定正常工作，满足要求后方可进行后续正式施工；

（9）顶进施工应缓慢进行，按照0.2倍设计推力分级渐进加载，每级加载结束后观察结构状况，顶推过程中，在封顶块与换撑扁担型钢之间产生的间隙处逐步填入楔形砌块，保证扁担型钢与封顶块间受力稳定。确认稳定无异常后，方可进行下一级加载；

（10）顶进施工过程中时刻注意管片及顶推结构状态，出现异常情况及时停止施工，查明原因，采取有效措施后方可继续施工；

（11）将错台管片顶进至预定位置，确认稳定安全后，卸除千斤顶，用方木替代千斤顶作为临时支撑顶托于封顶块四周，确保下步施工过程中封顶块稳定牢固。

（12）若未能将封顶块顶推至预定位置，则需设计根据隧道限界出具永久加固方案。

4.3整环永久加固方案

4.3.1方案要点

（1）封顶块顶推至原设计位置后，及时检查受损情况并采取相应补救措施，并及时补全管片螺杆使管片封闭成环。

（2）确认527管片稳定后，及时进行钢环加固施工，施工要求同526及528钢环加固施工。

（3）钢环安装至封顶块两侧时，卸掉支撑方木，将钢环从两侧插入至换撑扁担型钢处，及时固定。并继续用方木顶托该封顶块处钢环，确保封顶块稳定。

（4）钢环安装就位后及时进行壁后注浆。待壁后环氧灌注完成形成强度后及时切除换撑型钢，并填补该处钢环片，确保钢环封闭成环。

（5）施工前并做好相关论证审批工作。

4.3.2钢环安装

从底部开始依次安装拼接，安装完毕后，需将整体焊接成环，钢构件的材质主要为Q345B。为了确保工程焊接质量，将依据JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》的相关规定，进行相关焊接工艺评定，并制定完善且可行的焊接工艺方案和措施。

在完成焊接后24小时内，对焊缝进行探伤检验，检验方法需依照JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》及GB/T 11345-2023《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》的规定进行。

焊缝检验合格后，需进行焊后消氢处理。消氢处理的加热温度应控制在200℃至250℃之间，保温时间应根据工件板厚按每25mm板厚不少于0.5小时且总保温时间不得少于1小时进行。达到保温时间后，应缓慢冷却至常温。

4.3.3环氧树脂充填

当钢环安装并焊接完毕后，需立即使用环氧树脂压注填充钢环与管片间的缝隙，只有采用相应的材料来填充、粘结后，才能使管片和钢环连为一体，同时承受应力的变化。所以拟采用同样是刚性材料，并且具有优秀粘结性的环氧树脂来填充钢环与管片之间的空隙。

（1）在钢板两侧与管片接缝处使用环氧胶泥进行封堵；

（2）在钢板两侧封堵时预留注浆孔和排气孔，每块钢板上预留的孔数不少于4个；

（3）安装注浆嘴，按照从下至上的顺序分段进行搭接压注；

（4）利用移动作业平台，采用小型电动注浆泵注入刚性环氧树脂浆液，压注顺序从下至上，直至上部预留孔溢出树脂停止，并反复进行压注，确保钢环与管片紧密贴合。注浆过程中需控制注浆压力，压力不应超过0.5MPa。

4.3.4防腐防火处理

钢环安装完成以及钢板后环氧浆液压注完成后，对钢板防腐层因施工造成的损伤进行修补：

（1）用钢丝轮将受损的漆面清理干净；

（2）用钢丝轮将现场焊接口的位置两侧及焊缝表面进行打磨，将焊渣和氧化层清理干净

（3）对外露的钢板进行除锈处理，除锈等级达到Sa3.0级；

（4）隧道空气比较潮湿，为保证防腐质量，在涂刷前，用碘钨灯对钢环喷漆部位进行加温照射约20分钟，防止湿气凝聚在钢板上，然后再进行涂刷；

（5）钢环的防火等级为一级，钢环表面采用厚制防火涂料，涂料厚度不小于13mm且不大于30mm，满足3小时耐火极限要求，防火涂料性能应符合《钢结构防火涂料》（GB14907-2018）和《钢结构防火涂料应有技术规范》（CECS24:90）；

（6）对钢环首先涂刷专用搭接剂，待搭接剂干透后，涂刷SPUR（聚脲弹性体），涂层厚度均匀，分两层涂刷，总厚度不小于1.2mm。SPUR涂层的物理力学性能指标（基本性能、耐久性能、特殊性能）应满足《喷涂聚脲防水涂料（GB/T23446-2009）》中Ⅱ型材料的要求。

4.4管片壁后注浆

管片错台问题虽然通过钢环加固措施得到了初步控制，但管片封顶块错台已经形成，尽管通过顶升措施进行了调整，但管片自防水体系已经受损，必须通过外部壁后注浆工艺，形成有效的外防水体系，与现有的钢环加固体系相结合，实现外防水内加固的综合效果。

（1）在管片错台位置及周边区域，根据设计要求布置注浆孔，钻孔深度和间距根据现场实际情况和设计要求确定。确保钻孔位置准确，避免对现有结构造成进一步损伤；

（2）根据设计要求和现场实际情况，按比例配制聚氨酯化学浆液。浆液配制过程中应严格控制各组分的比例和搅拌时间，确保浆液的均匀性和稳定性；

（3）将配制好的聚氨酯浆液通过注浆机和输送管道注入预先钻好的注浆孔内，注浆过程中应密切监控注浆压力和浆液流量，确保浆液均匀分布并填充缝隙；

（4）注浆完成后，浆液在管片后壁内固化形成一层致密的防水层。固化过程中应进行必要的监测，确保固化效果良好。固化完成后进行养护，确保防水层和钢环加固体系形成一个整体。

5后续处置情况

隧道错台施工永久处置完成，主要归于以下几点：

（1）原材料及实体检测情况：所有原材料及检测结果均符合设计要求。

（2）施工技术资料情况：各分部、分项抽检项目全部合格，技术资料完整。

（3）各阶段质量、安全验收情况：质量和安全验收均符合规范及相关技术标准。

（4）材质质量符合国家规范和设计要求。

该区间错台修复施工达到了整治预期目标。

6结语

综上所述，本文通过系统的工程分析和科学的施工组织，有效解决了盾构隧道施工中的重大技术难题。在修复过程中，精确的施工工艺和严格的质量控制确保了施工效果的稳定性和安全性。专家论证、材料检测、施工方案优化等一系列措施为施工的顺利进行提供了坚实保障。通过此次修复施工，不仅恢复了隧道的正常功能，也为后续类似工程提供了宝贵经验，进一步推动了地铁施工技术的进步与发展。

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