管片是盾构隧道的重要组成部分，其成型质量直接影响到隧道运营的安全性。然而，在复杂地质条件下，盾构隧道成型管片易出现错台现象，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技术分析与研究具有重要的现实意义和理论价值。本文结合武汉某地铁盾构隧道施工情况，对复杂地质条件下盾构管片错台产生的原因及控制措施进行分析总结，具备一定指导意义。
2 工程背景
项目位处武汉市武昌区，区间隧道采用盾构法施工，隧道衬砌采用通用型管片，管片内径6m、内径6.7m、厚度35cm，环宽1.5m，管片楔形量40mm，每一环由6块组成，采用错缝拼装。
盾构区间地质条件复杂，隧道主要穿越地质为粘质粉土层、淤泥质粉细砂层、中粗砂层、全风化炭质灰岩等；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。地下水位较高，风化裂隙中存在承压裂隙水，属承压水水量稍丰富。
图1 盾构区间软弱地质剖面图
图2 盾构区间上软下硬地质剖面图
3 管片错台危害及影响因素分析
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。拼装完成的管片出现错台还会导致盾尾间隙过小，加速盾尾刷的磨损，造成盾尾渗漏而引起施工风险。
针对复杂地质条件下盾构施工中出现的管片错台现象，通过理论分析、现场试验等方法，得到影响管片错台出现的各种可能因素
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粘质粉土层、淤泥质粉细砂层，且地下水丰富，总体地质软弱。在软土地层中掘进时盾构机“头重脚轻”，盾构自身具有“栽头”的倾向。特别是在淤泥质粉细砂层地质下“栽头”现象尤其严重，而且不易纠偏，只能依靠加大盾构机下部油缸推力来维持盾构机的平衡。在盾构机掘进状态尚能维持平衡状态，但当盾构机处于拼装状态时，下部油缸回缩卸力会导致盾构机“栽头”现象反复出现。盾构机出现“栽头”及纠偏会导致盾尾内管片受盾尾刷挤压而出现错台。
盾构在上软下硬的地层中掘进时，盾构机刀盘前方受力不均，盾构机向着上部软土地层偏移而出现“抬头线型”，进而导致盾构姿态难以控制。盾构机出现“抬头”及纠偏也会导致盾尾内管片受盾尾刷挤压而出现错台。
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
在盾构机掘进过程中，如果姿态控制不到位，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，必然会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，随着盾构掘进管片逐渐脱出盾尾，在重力作用下逐渐收敛，管片螺栓需多次进行复紧。螺栓未及时进行复紧，导致衬砌环整体变形，产生错台现象。
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，水泥砂浆可同步填充土体与管片间空腔，握裹稳固管片。
若同步注浆浆液配比不满足施工需求，浆液初凝时间较长或浆液过稀，或浆液注入地层后被地下水稀释，浆液或地下水产生的浮力会导致管片出现上浮而造成管片错台。同步注浆管路选择也较为重要，正常情况下采用盾构机自带的4根注浆管路进行同步注浆，盾尾下部注浆量会偏大，此时管片受到的浮力也将增大，进而形成错台。
3.2.5 二次注浆
管片脱出盾尾后应及时紧跟进行二次注浆，可迅速稳定管片，减少管片错台。二次注浆不及时会导致造成管片错台得不到及时控制。二次注浆压力过大或点位选择错误也会导致管片错台。
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，较大可能出现错台现象。
3.3.2 管片结构型式及材料
不同结构型式的管片其受力收敛形式不同，环面带凹凸榫型式的管片块与块之间可相互咬合，减少错台发生。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，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。
4 错台预防措施
4.1 施工控制措施
4.1.1 地面注浆加固
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。为保证特殊地段施工安全，会通过采取提前加固地层的措施来确保管片在复杂地层交界处的稳固，可通过地面注浆加固的方式确保盾构推进过程中地层的稳定。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，此方式一般仅适用于上部含重要管线或重要建筑物时。
4.1.2 控制掘进参数
掘进过程中保持土压平衡，严格控制出土量，防止超挖，避免因超挖补注浆不足而导致管片位移。同时控制匀速掘进，掘进速度不宜过快，保证同步注浆均匀注入，及时填充间隙。控制盾构机掘进姿态，及时进行人工复测，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。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，及时动态调整掘进参数。
4.1.3 做好管片选型
根据盾尾间隙、推进油缸行程差、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。对于通用楔形管片，可通过理论计算管片楔形量与线路超前量匹配性，实际量测、分析管片拼装前后盾尾间隙、油缸行程差及盾构姿态的变化趋势，确保管片正确选型，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。
4.1.4 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，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。管片落底后量测相邻块间的高差，确保在同一平面后及时进行螺栓紧固。同一块管片拼装、紧固到位后再进行下一块管片的拼装，整环管片拼装完成后再进行整体螺栓复紧。在掘进过程中，对盾尾范围3～5环管片及时进行多次复紧。
4.1.5 同步注浆质量控制
依照水文地质情况进行浆液配比试验，确定水泥砂浆配合比，浆液应满足胶凝时间不超过6h、固结收缩率小于5%、稠度11～12cm、比重在1.8g/cm3以上的要求。考虑浆液在地层中的收缩率及损耗率，注浆充盈系数按150%～200%进行控制，注浆压力比静止水土压力大0.1～0.2MPa。同步注浆采取4路管路同步注入，以上部两路注浆管路为主，上部管路注浆量约占总量的70%。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，可避免管片错台的产生。
4.1.6 二次注浆质量控制
二次注浆按照“多点、少量、均匀、多次”注浆的原则，盾尾后6～8环外紧跟进行，选择管片下部及拱顶位置对称注入速凝双液浆，及时填充同步注浆不足或浆液收缩引起的地层空隙，可迅速有效稳固管片而控制管片上浮，抑制管片错台的产生。通过试验确定二次注浆压力及浆液配比，注浆压力以不大于0.5MPa为宜。注浆量依照注浆压力及监测数据动态调整，谨防注浆压力过大而导致管片错台。注浆结束后及时进行注浆孔封堵，防止发生渗漏水情况。
4.1.7 盾尾后方压载
拼装好的管片在脱出盾尾后，由于壁后浆液未及时凝固，管片处于活动状态，而盾构机连接桥为悬空结构，无法对管片形成有效压载，极易产生上浮，进而导致管片错台的产生。在盾构掘进过程中可通过采取在连接桥下部用管片或铅块等重物进行循环压载的方式抑制管片上浮的发生，进而控制管片错台。
4.2管理控制措施
4.2.1 建立完善质量保证体系
建立完善的施工质量保证体系，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。
4.2.2 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。
4.2.3 加强人员管理
管片拼装主要是由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。
4.2.4 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。对拼装好的管片逐块进行检查，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。严格检查管片螺栓复紧情况，可使用扭矩扳手等专业工具对管片螺栓紧固情况进行检查。
5 结论与展望
通过对复杂地质条件盾构管片错台现象进行研究与分析，得到以下结论：
（1）软土地质施工盾构机出现“栽头”会导致盾尾内管片受挤压而出现错台。
（2）在上软下硬地层中进行掘进时，盾构易出现“抬头线型”，盾构姿态难以控制，进而导致管片错台。
（3）富水地质条件下，成型管片脱出盾尾后易出现管片上浮现象，导致管片错台的产生。
（4）需特别关注软土地层、上软下硬的地层和富水地层中的施工问题，采取相应技术控制措施减少管片错台。
（5）材料性能不均、生产工艺不当和施工操作错误也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，包括采取技术控制措施、加强人员及监督管理规范施工操作等，可以为工程实践提供指导和借鉴。未来将继续深入研究复杂地质条件下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。
参考文献
[1]肖明清,封坤,周子扬等.盾构隧道施工期管片错台影响因素研究[J].岩土工程学报,2023,45(07):1347-1356.
[2]常喜军.地铁盾构隧道施工中管片错台控制技术研究[J].现代城市轨道交通,2020(04):37-40.
[3]张亚洲,温竹茵,由广明等.上软下硬复合地层盾构隧道设计施工难点及对策研究[J].隧道建设(中英文),2019,39(04):669-676.