一种防治不均匀过渡段盾构隧道管片开裂的施工方法技术领域
本发明属于工程施工领域，具体涉及一种防治不均匀过渡段盾构隧道管片开裂的
施工方法。
背景技术
随着国家大中型城市地铁建设，需要需要修建许多盾构隧道。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。但在地层或结构不均匀过渡段盾构隧道管片容易出现开裂现象。盾
构隧道管片开裂的主要原因主要有管片本身质量与施工原因两方面。而施工过程中的各种
因素是导致管片开裂的主要原因，具体如下。
1)浆液选用不当导致管片上浮
惰性浆液在黏性土层中不能快速初凝，强度很低(基本无强度)，在软土地层中，惰
性浆液初凝时间长，浆液在初凝前容易被稀释，因此低强度浆液不仅无法对管片提供约束，
相反提供了上浮力，导致管片破损。
2)盾构机姿态不当
盾构机的重量主要集中在前盾，由盾尾至后配套台车间一段基本无压载，管片脱
出盾构后失去了约束，同时还受到周围土层的作用。土层作用可能是压力，也可能是盾构出
土造成地基卸载，地基回弹作用使管片上浮。另外，盾构机过量的蛇形运动必然造成频繁的
纠偏，纠偏的过程就是管片环面受力不均的过程，容易造成管片破裂。
3)注浆浆液配比与注浆工艺
注浆液的配比、初凝时间、注浆量的多少等都会影响管片安装后的稳定性。管片在
约束条件不好的情况下，易发生变形，会出现管片开裂。
尽管目前工程领域已较多的对盾构隧道施工方法进行研究，管片开裂问题依然层
出不穷。如何防治或处理这类问题，必须从不均匀过渡段盾构与地层相互作用力学分析着
手研究改进防治不均匀过渡段盾构隧道管片开裂的施工方法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种防治不均匀过渡段盾
构隧道管片开裂的施工方法，以增加地层之间相互支持力并减小周围土层对管片的压力。
针对现有地层或结构不均匀过渡段盾构隧道管片容易出现开裂现象，不同注浆过
程和类型会产生不同的盾构与地层相互作用力学关系，按照结构变形协调控制方法改进设
计施工，在设计规范的基础上，预先或及时或固有形成有效承载结构层和施工过程控制及
空间的稳定性，即“时空效应”，特别是施工过程的空间稳定性和变形协调控制问题。确保力
按有利于设计路径传递，控制力的不合理甚至有害转移，避免了地层开挖面坍陷问题。本发
明所采用的具体技术方案如下：
防治不均匀过渡段盾构隧道管片开裂的施工方法，具体分为两种情况：若盾构开
挖地层界面与安装管片之间空隙尚未填充浆液，则直接采用同步注入硬性浆液；若盾构开
挖地层界面与安装管片之间空隙已填充惰性浆液，则采用二次注浆的方法，补注双液型浆
液再次填充空隙，以减少地层变形对盾构隧道管片造成的附加压力，达到稳定盾构与地层
相互作用，然后重新修补管片裂缝，达到处理地层或结构不均匀过渡段盾构隧道管片开裂
现象的目的。
上述技术方案的理论依据如下：
申请人经过研究发现盾构与地层之间存在下述相互作用力学关系：
P+T＝P0 (1.1)
其中P为地层之间相互支持力；T为盾构管片承担的压力；P0为与结构状态对应的
内外部荷载之和。
由公式(1.1)和图1可知，P0为与结构状态对应的内外部荷载之和是近似不变的，
防治地层或结构不均匀过渡段盾构隧道管片开裂现象，应该采用合理施工方法，增加地层
之间相互支持力P，减少盾构管片承担的压力T。
由图1可知，存在两种状态：
状态一：盾构开挖地层界面与安装管片之间空隙如果采用同步注入硬性浆液，原
地层有向空隙移动趋势但又没有移动空间，周边地层就会产生阻止原地层移动的支持力P，
部分土层对管片的附加力T1i被转移，必然减少原地层对管片的压力T。申请人进一步发现，
同步注入硬性浆液后，地层的主应力方向发生向管片外侧的偏移，进而减小了对管片的压
力，对管片结构层有利。状态二：如果空隙填充惰性浆液时，导致原地层和周边地层由于空
隙没有填满，均产生相应松动向空隙移动进一步填满空隙，周边地层就会削弱原地层移动
的支持力P，增加土层对管片的附加力T2i，导致管片受到的总压力增加，即地层主应力方向
共同趋向管片结构中心，对管片结构层有害，容易导致管片开裂。
作为优选，所述的硬性浆液构成为消石灰：粉煤灰：砂：膨润土：外掺剂：水＝80：
350：1150：55：6：406，注浆压力为0.45～0.6Mpa，实际注浆量为理论建筑空隙的110％～
130％。
作为优选，所述的双液型浆液由水泥浆和水玻璃浆液组成，其中水泥浆中水泥：水
＝1：0.5～0.8(重量比)，水玻璃浆液中水玻璃：水＝1：3～1(重量比)，双液型浆液的注浆体
积比为水泥浆：水玻璃浆液＝1：1。
上述硬性浆液和双液型浆液为申请人在多次试验中所获得的配比，并且在众多的
工程项目中应用，均取得了良好的效果。
进一步的，针对盾构开挖地层界面与安装管片之间空隙已填充惰性浆液的隧道，
双液型浆液的二次补注及管片裂缝修补方法如下：
1)根据管片裂缝分布和管片钢筋布置情况，有裂缝管片必须打设注浆孔，每环其
它无裂缝管片按45度角分配打设最多8个注浆孔；不破坏钢筋和裂缝管片先注浆，有利于裂
缝管片受力。常规的施工过程中，一般打4个注浆孔，最多打6个注浆孔，但申请人经过实践
发现，打8个注浆孔时，注浆压力可以小一些且分布更为均匀，有利于管片均匀受力，减少附
加压力，防止集中荷载损坏裂缝管片。
2)按照双液型浆液中水泥浆和水玻璃浆液的成分和配比，分别配置水泥浆和水玻
璃浆液，并分别装在两个容器内备用；
3)每环管片注浆顺序，先给有裂缝管片外侧按照水泥浆：水玻璃浆液＝1：1的注浆
体积比，注双液型浆液，再给其它管片外侧注双液型浆液。申请人在实际施工中发现，当先
对其余没有损坏的管片注浆时，会使荷载向裂缝管片集中，导致裂缝管片进一步损伤。因
此，先稳定裂缝管片，再稳定其它管片，减少附加压力，防止集中荷载损坏裂缝管片。
4)观测管片裂缝稳定性7～10天，若管片裂缝观测结果稳定，则用环氧树脂胶修补
管片裂缝；
5)完成上述步骤后，若管片裂缝观测结果不稳定，则再次循环进行2)～4)。
更进一步的，注双液型浆液时，注浆压力控制在0.40～0.5Mpa范围内，注浆量根据
实际情况直至注满为止。
本发明通过盾构与地层之间的相互作用力学关系出发，创新性的设计了一种防治
不均匀过渡段盾构隧道管片开裂的施工方法。针对若盾构开挖地层界面与安装管片之间空
隙尚未填充浆液和已填充惰性浆液两种情况，分别提供了相应的解决办法，以减少地层变
形对盾构隧道管片造成的附加压力，达到稳定盾构与地层相互作用，达到处理地层或结构
不均匀过渡段盾构隧道管片开裂现象的目的。
附图说明
图1为不均匀过渡段盾构与地层相互作用示意图；
图2为单环单液型与双液型浆液填充控制地层变形效果对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施
方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
实施例1
某市地铁盾构隧道开挖项目中，盾构开挖地层界面与安装管片之间空隙直接采用
同步注入硬性浆液的方法。其中硬性浆液构成为消石灰：粉煤灰：砂：膨润土：外掺剂：水＝
80：350：1150：55：6：406，注浆压力设定为0.45～0.6Mpa，实际注浆量为理论建筑空隙的
110％～130％，不同的区段视实际情况进行调整。该隧道采用该施工方法后，在整个工期及
后续使用过程中，隧道管片没有出现开裂情况，且地面或影响周边结构的沉降量在工程规
范允许范围内。由此，可达到防治地层或结构不均匀过渡段盾构隧道管片开裂现象的目的。
实施例2
某市地铁盾构隧道开挖项目中，盾构开挖地层界面与安装管片之间空隙已填充惰
性浆液，其中惰性浆液构成为水泥：粉煤灰：砂：膨润土：水＝150：300：600：60：325。施工过
程中，隧道管片出现开裂现象。因此隧道施工完成后对开裂管片进行修补。最终，经过大量
试验后，采用二次补注双液型浆液再次填充空隙，以减少地层变形对盾构隧道管片造成的
附加压力。具体施工方法为：
1)根据管片裂缝分布和管片钢筋布置情况，有裂缝管片必须打设注浆孔，每环其
它无裂缝管片按45度角分配打设最多8个注浆孔；
2)分别配置水泥浆和水玻璃浆液作为双液型浆液，并分别装在两个容器内备用。
其中水泥浆中水泥：水＝1：0.5～0.8(重量比)，水玻璃浆液中水玻璃：水＝1：3～1(重量
比)。两种浆液按体积比1:1配置。该双液型浆液的组分配比为申请人针对上述常用的惰性
浆液的特性经过大量试验所获得的，其对于管片开裂的修复效果较好，能够大大增强周边
土层的支持力P，使地层的主应力方向发生向管片外侧的偏移，进而减小对管片的压力，其
效果可由图2看出。
3)每环管片注浆顺序，注浆压力控制在0.40～0.5Mpa范围内，注浆量根据实际情
况直至注满为止。先给有裂缝管片外侧按照水泥浆：水玻璃浆液＝1：1的注浆体积比，二次
补注注双液型浆液。注完有裂缝的管片后，再给其它无裂缝的管片外侧也注入双液型浆液。
4)完成上述注浆过程后，观测管片裂缝稳定性7～10天，若管片裂缝观测结果稳
定，则用环氧树脂胶修补管片裂缝；
5)若管片裂缝观测结果不稳定，则再次循环进行2)～4)，重新进行注浆过程，再观
测管片裂缝稳定性，直至观测结果稳定。
该工程中，同时设置了同步注入单液型浆液的工段作为对照。两种方法注浆后隧
道地表沉降量如图2所示，可以明显看到本发明中二次补注双液浆的方法，其地表沉降量远
远小于注入单液型浆液，且10天后其地表沉降量已经很小，逐渐趋于0。而相比之下，注入单
液型浆液状态下，10天后其地表沉降量依然处于3-4cm之间，且下降趋势并不明显，在可预
见的一段时间内仍将维持较大的沉降速度。因此，由该结果可见，本发明的方法对于预先填
充惰性浆液的开裂管片而言，具有较好的修复效果，可以大大增加周边土层的支持力，从而
减小对管片的压力。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有
关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变
化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保
护范围内。