7#隧洞裂缝处理

摘要：甘肃省引洮供水一期工程总干渠7#隧洞由一台单护盾TBM独头掘进施工，由于遭受多段含水疏松砂层不良地质影响，在TBM推进施工过程中因为多种原因导致部分已安装的管片产生裂缝。本文分析了裂缝形成的原因，提出了处理的技术方案设计、工艺、处理要求、施工检测，并对处理结果等做了阐述。

关键词：隧道；管片；裂缝处理；施工

0 引言

采用护盾式TBM进行隧洞施工时时，一般采用预制钢筋砼管片衬砌。由于受到钢筋混凝土本身的力学特性、TBM施工中受到不良地质等条件的影响，管片衬砌受到各种附加荷载，混凝土容易出现裂缝。国内已有一些专家、学者做过TBM施工管片裂缝处理方面的研究，并逐步探索出可行性较强的施工工艺，如：张才千[1]研究了某TBM法施工的隧洞管片裂缝修补处理的工艺流程，并总结了该项工艺的技术难点和技术方法；刘丽萍[2]研究了 TBM施工管片裂缝及接缝缺陷处理措施，提出了检查分类措施和处理方法；蒋增花[3]研究了达坂隧洞工程的管片裂缝处理方法、化学灌浆材料的选择，指出化学灌浆是一种行之有效的处理方法；冯超等人[4]研究了大坂隧洞TBM施工管片裂缝产生的原因并提出了预防和处理措施，孟丽娟等人[5]研究了某超长引水隧洞混凝土衬砌管片裂缝处理施工工艺，并提出了施工安全措施；孙胜利[6]研究了水工TBM隧洞衬砌管片的裂缝分析及处理，提出了通过统计和力学分析查明原因并指出化灌是可行的处理方法。

本文以引洮供水一期工程总干渠7#隧洞工程为例，主要分析了管片裂缝形成的原因，对不同类型的裂缝针对性的提出处理方法，并提出了多项检测和质量保证措施，成功的运用于工程实践并取得了良好的效果，为类似工程施工提供了宝贵经验。

1 工程概况

总干渠7#隧洞全长17.286km,洞线NE62°布置。穿越东峪沟—秦祁河之间为薄层黄土覆盖的低山卯梁区，隧洞最大埋深368.00m，工程内容主要包括主洞和阎家沟通风竖井。竖井交总干渠7＃隧洞于桩号53+955，竖井井深约190m，横断面型式为圆型（D=3.6 m）；竖井采用钻爆法施工，一次锚喷支护与二次模筑钢筋砼的复合式结构型式。7#是引洮供水一期工程的关键性控制工程，主洞为无压引水隧洞，里程范围46+715～+001，圆形断面，衬砌后内径4.96m，纵坡为1/1650，隧洞施工采用单护盾TBM掘进机掘进（进口、出口进洞段采用钻爆法施工），管片设计为六边形，纵向接头为凹凸面球窝结构，环向以定位销连接，设计外径5520mm，内径4960mm，环片厚度为280mm，环片宽度为1600mm。每环管片分4块（1块底管片A，2块侧管片C、D，1块顶管片B）,单块最大重量约5.2t。

2 主要工程地质条件

Ⅳ类围岩分布于隧洞前段，桩号为46＋765.00～49＋233.00，长约2.468km。围岩岩性主要由白垩系K1hk3岩层构成，局部段为上第三系N2L3砂岩、砂砾岩。总体由较软岩组成，为软硬互层的中厚层结构，单斜构造，裂隙较发育，围岩中有少量的基岩裂隙水，呈滴渗状态，不整合界面附近呈线状流水。

Ⅴ类围岩分布于隧洞后段，桩号为49＋233.00～63＋931.00，长约14.698km。围岩岩性主要由上第三系N2L3及白垩系K1hk4的岩层构成。

全隧洞Ⅳ类围岩2468m，占隧洞总长的14%，Ⅴ类围岩14818m，占隧洞总长的86%。各类围岩所占比例为TBM段IV类长2418m，V类长14748m；钻爆段均为Ⅴ类，总长120m。

3 管片裂缝形成原因分析

该工程采用单护盾TBM掘进施工，TBM 向前推进的反作用力由主推进千斤顶顶推已安装的管片来提供。然而，该项工程遭遇5段总长超过1km的含水疏松沙层不良地质洞段。由于单护盾TBM本身并不具备盾构那样的在极软弱地层甚至流沙地层之种施工的能力，导致TBM受困。实际在不良地质洞段的施工中，多次出现地层坍塌卡主刀盘或盾壳、除渣量过大超出皮带机和渣车编组的运输能力等现象。由于不良地质无法克服，TBM机还曾在出口工作面被困后拆卸运输至进口工作面重新组装进洞施工。经过详细的调查、分析和总结，管片裂缝形成的原因有以下几点：

（1）管片生产、运输过程中产生的裂缝

 管片生产过程中，由于材料、施工工艺以及后期养护等多方面原因，会造成表面裂缝的出现。该部缝大多很细微，不易察觉，且绝大多数能满足相关规范要求能够达到管片出厂条件。但该部缝可能在管片运输、安装过程中由于受力而得到扩展，超出规范限值，从而需要处理。管片在经吊运、编组，用机车隧洞内水平运输、及管片吊机水平运输过程中，有可能因为颠簸等原因造成裂缝。

（2）管片安装过程中产生的裂缝

管片安装过程中，受到盾体姿态不佳、管片姿态不佳、盾体姿态和管片姿态相悖、安装契合度等多方面的影响，可能产生应力裂缝。管片安装后必须靠主推油缸顶紧，推紧一瞬间也是管片裂缝和管片破损出现的高发期。

（3）管片安装完成后产生的裂缝

管片安装完成后，其受力状态的就更为复杂。首先，管片通过定位销和纵缝上的凹凸面相互咬合而实现连接，管片之间受到盾构机和围岩等传来的附加力而产生内力，当内力累计到一定程度，足以破坏最薄弱的区域时，便会形成应力释放，可能造成管片裂缝。

更多的，是管片受到外力影响而产生裂缝。TBM推进过程中，地层对其影响尤其显著。进入不良地质洞段后，主推力明显增大，由正常的3000～5000kN升高至10000kN以上，发生卡机时或卡刀盘情况时，需要用超高压泵站将主推力增加，直至35000kN这一极限推力，扭矩也最高提升至5000kN·m，这无疑对TBM后方约5～10环管片产生巨大的作用力，一些管片未脱出盾壳便产生裂缝、局部破损。

另外，管片安装完成后，要进行豆砾石回填、注浆回填等工序，均会对管片造成影响。豆砾石回填不密实造成管片受力不均匀、注浆压力过大、未采取平衡注浆导致管片遭受偏压等因素均可能导致管片出现应力裂缝。还部分特殊地层出现了局部塌方、蠕变、收敛等情况，造成管片出现裂缝。部分地层由于水土压力过大，产生应力裂缝；部分洞段出现涌水涌砂导致管片遭受偏压，使管片在不均匀受力和因外力产生的内力综合作用下产生应力裂缝。

4 管片裂缝处理设计要点

（1）裂缝喷涂或涂刷封闭裂缝的材料颜色应尽可能调成与管片混凝土颜色一致。

（2）采用裂缝自动测试仪；测试记录裂缝宽度及长度。

（3）进行标段范围内裂缝的详查工作。

（4）为确保涂层长期通水运行不鼓泡和应达到设计粘结强度要求；在软岩有外水洞段裂缝宽度≥0.15mm和＜0.15mm的渗水裂缝进行普查。

5 管片裂缝处理方法

 (1) 裂缝宽度≥0.15mm有外水洞段和渗水裂缝，采用先进行化学灌浆，再涂刷接近弹性的涂层进行表面封闭；

（2）裂缝宽度＜0.15mm无渗水裂缝，以及无外水洞段裂缝宽度≥0.15mm，则采用表面涂料涂刷进行封闭。

（3）在裂缝宽度≥0.15mm的洞段增设监测点，加强监测，发现问题采取措施。

6 化学灌浆材料、工艺及技术要求处理

6.1 化学灌浆材料要求和性能指标

根据7#隧洞预制砼管片衬砌裂缝本身的特点，参考相关规范，设计要求的材料性能指标见表6-1。

表6-1   化学灌浆材料性能指标表

(1) 灌浆材料

对于“湿缝”，即存在渗水的裂缝，宜灌入水溶性聚氨脂化学灌浆材料进行封堵，对材料性能的要求如表5-2所示。

表6-2   水溶性聚氨脂化学灌浆材料的性能

6.4.1灌浆的一般原则

应使裂缝构成一个密闭性的空腔，有可控制的预留进出口，用专用灌浆泵将浆液压入缝隙并使之填满。

6.4.3灌浆孔的布设和钻孔

对于较深的裂缝，若采用化学灌浆时，需要钻孔，钻孔一般要求见表5—3。

表6-3  裂缝钻孔的一般要求

缝面使用高压风和高压水配合冲洗，洗干净为止。试压使用试压泵进行单个孔压水试验，对每个孔逐一进行检查。

6.4.5封缝

对裂缝进行表面封闭处理。首先对管片衬砌裂缝两侧进行处理，用钢丝刷打磨后并用洗涤剂溶液清洗干净。裂缝封闭后要检查效果，若漏气则重新进行封闭。

6.4.6 化学灌浆压力

选择合理的灌浆压力，实际施工时通过试验进行确定。浆参数见表6—4。

表6-4    裂缝化学灌浆的一般参数

对于静止的细微裂缝，裂缝宽度小，可灌性差，不必钻孔灌浆，应采用涂刷表面层封闭细微裂缝。裂缝表面涂刷防水材料为接近弹性的防水材料，涂刷厚度≥1.5mm。涂刷范围：以单条裂缝为准，涂料覆盖裂缝左右及外延各100mm，两条或多条裂缝相距较近时连在一起处理，防渗涂料性能指标应满足表6-5中所述。

表6-5  防水涂料主要性能指标表

首先用高压水进行表面冲洗干净，再用电动钢丝刷打磨清理裂缝两侧表面，然后用清洗液进行清洗，清洗液挥发后，涂刷封闭涂料。应视涂料粘稠度，确定涂刷遍数，涂刷厚度≥1.5mm。

如按安装孔和纵环缝已经固结灌浆和消缺处理后仍渗水，管片接缝处理：涂刷范围沿接缝材料外边缘向左右侧外延伸宽度不小于10cm（不含缝宽）。管片安装孔处理：涂刷范围以管片安装孔为中心直径20cm的圆形区域。上述两种情况涂刷厚度都≥1.5mm。

6.6 封孔

用微膨胀干硬性砂浆回填捣实。或用环氧胶泥或达到设计耐久性等指标要求的材料封孔。

6.7 检查

6.7.1原材料进场前检查

施工前，应按设计指标要求对原材料进行检测。

6.7.2浆液现场抽样

每种配方浆液取三组，每组三件，分别在4cm×4cm×16cm和“8”字形模具中成型，测定固化物弹性模量、抗拉和抗压强度、粘接强度（每500～1000条灌浆裂缝抽检一次）。

6.7.3压水试验

采用压水试验法对灌将效果进行检查。 选取总量3％的裂缝进行压水试验。压力采用0.2～0.3MPa，吸水量小于0.01L/min或不漏水即为合格，并对不合格的裂缝进行补灌。

6.7.4钻孔取芯检查

用小口径工程钻对部分重要裂缝进行骑缝取样，观察取出芯样的密实情况，并对不合格的进行补灌。

6.7.5喷涂检查方法

喷涂材料除相关技术要求和现行的规程、规范进行，并严把材料质量关。

6.7.6如裂缝渗水，化灌后不渗水为合格。

7 经验与建议

7.1经验

本文对单护盾TBM施工混凝土管片裂缝产生的原因进行了分析和总结，结合该工程的地质条件和管片裂缝监测数据选择新技术、新工艺、新材料运用于工程实践，是管片裂缝处理成功的经验，为类似的TBM施工的隧道管片裂缝处理提供了宝贵的经验。

7.2建议

混凝土管片裂缝处理，应当预防为主，防治结合，综合治理。无疑，通过采取在设计阶段提高管片抗裂能力、在运输和安装过程中精心管理科学施工保持良好的盾体姿态和管片姿态、安装完成后回填灌浆及时到位、避免使用大推力、大扭矩的推进方式等措施能够将裂缝的发生概率降低到最小。当裂缝发生时，通过详细的统计、科学的处理方法、严格管理下的精心施工，是能根除裂缝这一病害，将工程效益发挥到最大化。

参考文献

[1]张才千. 隧洞管片裂缝修补处理工艺[J]. 甘肃农业,2013,10:46-47.

[2]刘丽萍. TBM施工管片裂缝及接缝缺陷处理措施[J]. 山西水利,2012,03:45-46.

[3]蒋增花. 谈达坂隧洞工程管片裂缝处理技术[J]. 山西建筑,2014,36:1-166.

[4]冯超,罗志鑫,刘林涛. 大坂隧洞TBM施工管片裂缝原因及处理措施[J]. 水利建设与管理,2008,04:38-40+.

[5]孟丽娟,郑亚平,夏世法,贾利兵,黄昊. 超长引水隧洞混凝土衬砌管片裂缝处理施工工艺[J]. 中国建筑防水,2015,04:16-19.

[6]孙胜利. 水工TBM隧洞衬砌管片的裂缝分析及处理[J]. 浙江水利水电专科学校学报,2013,03:10-12.