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一、前言
随着城市轨道交通事业的快速发展，盾构法施工技术在上海、广州、深圳、北京、南京重庆、成都、无锡、宁波等一二线城市地铁建设中得到广泛应用。目前国内使用的复合式土压平衡盾构对于软土及岩石单轴抗压强度小于80Mpa的硬岩地层施工是完全适应的，但是盾构所用的预制装配式混凝土管片在软岩地层比较适用，而在硬岩环境下管片的拼装问题受制于隧道坡度，岩层裂隙水，同步注浆效果以及线路半径等种种外界因素，施工难度非常大，拼装后的管片极易引起错台和漏水，施工完成后隧道的整体线性也容易出现较大的蛇形，局部地区容易出现侵限，影响隧道的使用功能。
本人以在施工重庆轨道交通6号线北碚段工程采用的中铁26#复合式TBM在全断面泥岩及砂岩环境下进行掘进，以及在深圳地铁11号线车公庙～红树湾区间工程采用中铁69#盾构机在全断面花岗岩环境下掘进的经验教训，得到提高全断面硬岩环境下盾构法隧道管片拼装质量，以及提高管片拼装质量的工艺和方法。
二、工程概况
重庆轨道交通6号线北碚段工程隧道采用的是开挖外径6280mm的复合式TBM，采用外径6000mm，内径5400mm的混凝土预制管片，管片外部与围岩之间存在140mm的空隙，围岩主要为泥岩和砂质泥岩，岩层裂隙比较发育，含水量较大，隧道最大下坡2.4%，最小转弯半径600m。深圳地铁11号线车红区间隧道采用的是开挖外径6980mm的土压平衡盾构机，采用外径6700mm，内径6000mm的混凝土预制管片，管片拼装完成后与围岩之间存在140mm的空隙，全断面花岗岩位置上部为欢乐海岸人工湖，局部地区湖水通过岩层裂隙与隧道联通，导致地下水极其丰富。隧道在硬岩段最大下坡2.5%，为直线段。
在硬岩环境下，管片与围岩之间140mm的空隙若没有有效的注浆将其填充，该部分间隙就会长期存在。而在软岩地层，这层空隙会被土体自身的膨胀和掉落填充密实。
三、已完隧道重庆轨道交通6号線施工情况
在重庆轨道交通6号线北碚段隧道施工过程中，由于管片背部注浆效果不佳，导致管片背部的存在着很大的空隙，而隧道又处于很大的下坡之中，这使得围岩中的基岩裂隙水通过管片背后空隙涌向前方掌子面，导致了一连串的问题。问题主要为以下几大方面：
（1）后部大量的裂隙水汇合到达掌子面后，形成水头压力差，将导致螺机喷涌，皮带机不能将渣土顺利带走，导致盾体位置积渣严重，每掘进一环均需要大量的人力和时间去清理掉落的渣土，才能拼装管片，严重影响了施工进度，而且管片背部的大量涌水大大稀释了管片背后注浆的浆液浓度，导致浆液不能凝固，随着涌水一起涌入土仓。
（2）由于管片背部没有浆液，导致管片与围岩之间存在的空隙没有填充密实，管片拖出盾尾后会随着管片的自重下沉，在管片拖出盾尾6～7环的位置错台最严重，因为此时管片的重量已超出了螺栓的承载力，导致螺栓变形，此时的错台一般在2cm左右。
（3）在直线段管片的错台主要在管片的顶部和底部位置，而在转弯地段，特别是在转弯半径比较小的区段，由于线路为曲线，盾构油缸对于管片的反作用力根据力学模型可以分解为两个力，分别为切线方向和法线方向，法线方向的力是导致管片横向错台的主要因素，隧道的转弯半径越小，在同样推力作用下的法线方向力越大，法线推力超过螺栓的承载力时，也将导致连接螺栓变形，形成管片错台，通常在注浆效果不理想的地段，在转弯半径600m的隧道中，在推出盾尾8～10环的位置将会出现横向错台，错台一般在1.5～2cm。
（4）由于盾构隧道管片防水主要依靠压缩型的三元乙丙橡胶，该橡胶宽度为2cm，因此当管片错台超过1.5cm时，两块管片的压缩橡胶将不在同一个位置，就会大大影响管片的防水效果和成形质量。
（5）由于管片的错台，将导致管片不同程度的破损，轻则掉皮脱落，重则边角位置大片剥落，深度达到10～15cm，或者管片开裂，形成内外通透裂纹，这将严重影响整个隧道质量，甚至造成致命后果。
在整个工程结束时，对施工过程中出现的上述问题进行了统计，该段隧道总量为1300环，统计数据如下表1：
竖向错台环数 横向错台环数 漏水环数 轻微脱皮破损环数 较大脱落环数
65 34 101 25 5
5% 2.6% 7.8% 2% 0.4%
整个隧道贯通之后，项目部耗费约2个月的时间，耗费大量人力物力对管片错台进行修补，对管片背后进行注浆堵水，使隧道质量达到设计要求。
四、正在施工隧道深圳地铁11号线施工情况
由于深圳地铁11号线车公庙～红树湾区间硬岩段位于欢乐海岸人工湖湖底，人工湖约有21万立方米水量，隧道四周含水量异常丰富，隧道外围水压与重庆轨道6号线隧道外围水压相比要增大3倍以上。因此若不能很好的保证管片施工质量，隧道后期堵水难度将非常大，将严重影响隧道施工质量。
因此在硬岩段隧道施工前，针对重庆轨道交通6号线隧道施工中出现的问题进行原因分析，原因主要为以下几点：
1、施工中过度强调生产进度，存在个别没有同步注浆浆液的情况下进行掘进。
2、同步注浆浆液配合比没有根据隧道外围实际情况进行调整，在水系比较发达的位置没有增加浆液浓度，缩短浆液初凝时间。
3、在发现管片背后水量较大的时候，没有发现问题的根本原因，进行实施有效的针对性的措施，堵住管片背后涌水。
通过对上述原因的针对性分析，在深圳地铁11号线车红区间硬岩段施工过程中采取了如下针对性措施：
1、严格制定施工方针，杜绝在没有同步注浆浆液的情况下贸然掘进，影响施工质量。
2、在全断面硬岩中，将同步注浆浆液中的水泥由原来的普通硅酸盐水泥调整为早强水泥，配合比调整为水泥：钠基膨润土：粉煤灰：河砂：水=120：96：290：400：400，最终调整后的浆液初凝时间为2.5h，基本吻合硬岩段每环纯掘进时间3h，且在全断面掘进过程中不采用敞开式掘进，而采用带气压掘进，一般顶部气压为1.3Bar，因为注浆时压力一般为1.5～2Bar，这样既能减少注浆浆液向土仓流动，也能防止管片后部水体向前涌入的速度，达到良好的同步注浆效果。 3、在含水量极其丰富，压力较大的地段，将导致同步注浆效果难以达到预期目标。遇到这种情况，现场采取每掘进5环进行一次双液浆止水环施工，保证及时堵水，防止情况恶化，之所以选择5环，是根据重庆轨道交通6号线北碚隧道施工过程中出现的在退出盾尾第6环后才开始错台的施工经验以及根据管片螺栓的抗剪切力和管片重量计算比较得到。5环施做双液浆止水环的具体施工步骤如下：
（1）高粘度膨润土填充土仓：采用高粘度膨润土泥浆，高粘度膨润土配合比为钠基膨润土：制浆剂1型：制浆剂3型：水=100：10：20：800，粘度不小于120s，将土仓置换半仓以上，保证土仓上半断面为膨润土泥浆，约25m3。
（2）高浓度膨润土填充盾壳背后间隙：采用高浓度膨润土泥浆配合比为钠基膨潤土：制浆剂2型：水=200：200：600，注浆总方量不小于5m3。在土仓填充完成后开始盾壳膨润土注浆，注浆先注盾尾，后注中盾和前盾。
（3）双液浆采用配合比为水：水泥：35Be水玻璃=200：80：50，浆液初凝时间为30～35s，注浆位置为出盾尾第2环，注浆孔采用管片吊装孔，在利用钻具钻通吊装孔前，应对吊装孔上止水闸阀（因地下水压力较大，一般达到0.6Bar以上），注浆由底部向顶部对称注浆，注浆压力不大于1.0Mpa恒压，注浆采用打30s，停15s的方式进行，采用该方法注浆的目的主要是为了让浆液在注浆孔附近堆积，防止浆液流窜过远填充管片背后空隙。
当出盾尾第二环管片整环封堵完成后，依次进行出盾尾第3、4、5、6的补强注浆，补强注浆的原则就是哪个孔开孔后出现水，便向该孔压浆，但压降的同时应该将该环管片的顶部吊装孔打开或相邻环的顶部吊装孔打开，保证不会因为注浆的瞬时压力过大，导致管片出现损伤。
现阶段车红区间左右线隧道均已通过了270米的全断面硬岩，从管片的外观质量以及防水质量上看，均达到了设计要求，整个540米，360环管片，出现管片错台，漏水的情况寥寥无几。据目前统计数据显示，该段隧道有1环管片出现超过1.5cm的错台，无一处出现线流，有3处出现滴漏现象，5处出现湿泽，管片外观质量非常可控。
五、结束语
随着盾构机刀盘破岩能力的增大，适应能力的不断增强，越来越多的城市硬岩隧道会弃用矿山法开挖方式，而更多的会采用复合式盾构进行隧道施工，届时管片在硬岩环境中的拼装质量将面临严峻的考验，工程质量基本取决于管片施工质量，而管片背后的注浆止水将成为重中之重。
随着城市轨道交通事业的快速发展，盾构法施工技术在上海、广州、深圳、北京、南京重庆、成都、无锡、宁波等一二线城市地铁建设中得到广泛应用。目前国内使用的复合式土压平衡盾构对于软土及岩石单轴抗压强度小于80Mpa的硬岩地层施工是完全适应的，但是盾构所用的预制装配式混凝土管片在软岩地层比较适用，而在硬岩环境下管片的拼装问题受制于隧道坡度，岩层裂隙水，同步注浆效果以及线路半径等种种外界因素，施工难度非常大，拼装后的管片极易引起错台和漏水，施工完成后隧道的整体线性也容易出现较大的蛇形，局部地区容易出现侵限，影响隧道的使用功能。
本人以在施工重庆轨道交通6号线北碚段工程采用的中铁26#复合式TBM在全断面泥岩及砂岩环境下进行掘进，以及在深圳地铁11号线车公庙～红树湾区间工程采用中铁69#盾构机在全断面花岗岩环境下掘进的经验教训，得到提高全断面硬岩环境下盾构法隧道管片拼装质量，以及提高管片拼装质量的工艺和方法。
二、工程概况
重庆轨道交通6号线北碚段工程隧道采用的是开挖外径6280mm的复合式TBM，采用外径6000mm，内径5400mm的混凝土预制管片，管片外部与围岩之间存在140mm的空隙，围岩主要为泥岩和砂质泥岩，岩层裂隙比较发育，含水量较大，隧道最大下坡2.4%，最小转弯半径600m。深圳地铁11号线车红区间隧道采用的是开挖外径6980mm的土压平衡盾构机，采用外径6700mm，内径6000mm的混凝土预制管片，管片拼装完成后与围岩之间存在140mm的空隙，全断面花岗岩位置上部为欢乐海岸人工湖，局部地区湖水通过岩层裂隙与隧道联通，导致地下水极其丰富。隧道在硬岩段最大下坡2.5%，为直线段。
在硬岩环境下，管片与围岩之间140mm的空隙若没有有效的注浆将其填充，该部分间隙就会长期存在。而在软岩地层，这层空隙会被土体自身的膨胀和掉落填充密实。
三、已完隧道重庆轨道交通6号線施工情况
在重庆轨道交通6号线北碚段隧道施工过程中，由于管片背部注浆效果不佳，导致管片背部的存在着很大的空隙，而隧道又处于很大的下坡之中，这使得围岩中的基岩裂隙水通过管片背后空隙涌向前方掌子面，导致了一连串的问题。问题主要为以下几大方面：
（1）后部大量的裂隙水汇合到达掌子面后，形成水头压力差，将导致螺机喷涌，皮带机不能将渣土顺利带走，导致盾体位置积渣严重，每掘进一环均需要大量的人力和时间去清理掉落的渣土，才能拼装管片，严重影响了施工进度，而且管片背部的大量涌水大大稀释了管片背后注浆的浆液浓度，导致浆液不能凝固，随着涌水一起涌入土仓。
（2）由于管片背部没有浆液，导致管片与围岩之间存在的空隙没有填充密实，管片拖出盾尾后会随着管片的自重下沉，在管片拖出盾尾6～7环的位置错台最严重，因为此时管片的重量已超出了螺栓的承载力，导致螺栓变形，此时的错台一般在2cm左右。
（3）在直线段管片的错台主要在管片的顶部和底部位置，而在转弯地段，特别是在转弯半径比较小的区段，由于线路为曲线，盾构油缸对于管片的反作用力根据力学模型可以分解为两个力，分别为切线方向和法线方向，法线方向的力是导致管片横向错台的主要因素，隧道的转弯半径越小，在同样推力作用下的法线方向力越大，法线推力超过螺栓的承载力时，也将导致连接螺栓变形，形成管片错台，通常在注浆效果不理想的地段，在转弯半径600m的隧道中，在推出盾尾8～10环的位置将会出现横向错台，错台一般在1.5～2cm。
（4）由于盾构隧道管片防水主要依靠压缩型的三元乙丙橡胶，该橡胶宽度为2cm，因此当管片错台超过1.5cm时，两块管片的压缩橡胶将不在同一个位置，就会大大影响管片的防水效果和成形质量。
（5）由于管片的错台，将导致管片不同程度的破损，轻则掉皮脱落，重则边角位置大片剥落，深度达到10～15cm，或者管片开裂，形成内外通透裂纹，这将严重影响整个隧道质量，甚至造成致命后果。
在整个工程结束时，对施工过程中出现的上述问题进行了统计，该段隧道总量为1300环，统计数据如下表1：
竖向错台环数 横向错台环数 漏水环数 轻微脱皮破损环数 较大脱落环数
65 34 101 25 5
5% 2.6% 7.8% 2% 0.4%
整个隧道贯通之后，项目部耗费约2个月的时间，耗费大量人力物力对管片错台进行修补，对管片背后进行注浆堵水，使隧道质量达到设计要求。
四、正在施工隧道深圳地铁11号线施工情况
由于深圳地铁11号线车公庙～红树湾区间硬岩段位于欢乐海岸人工湖湖底，人工湖约有21万立方米水量，隧道四周含水量异常丰富，隧道外围水压与重庆轨道6号线隧道外围水压相比要增大3倍以上。因此若不能很好的保证管片施工质量，隧道后期堵水难度将非常大，将严重影响隧道施工质量。
因此在硬岩段隧道施工前，针对重庆轨道交通6号线隧道施工中出现的问题进行原因分析，原因主要为以下几点：
1、施工中过度强调生产进度，存在个别没有同步注浆浆液的情况下进行掘进。
2、同步注浆浆液配合比没有根据隧道外围实际情况进行调整，在水系比较发达的位置没有增加浆液浓度，缩短浆液初凝时间。
3、在发现管片背后水量较大的时候，没有发现问题的根本原因，进行实施有效的针对性的措施，堵住管片背后涌水。
通过对上述原因的针对性分析，在深圳地铁11号线车红区间硬岩段施工过程中采取了如下针对性措施：
1、严格制定施工方针，杜绝在没有同步注浆浆液的情况下贸然掘进，影响施工质量。
2、在全断面硬岩中，将同步注浆浆液中的水泥由原来的普通硅酸盐水泥调整为早强水泥，配合比调整为水泥：钠基膨润土：粉煤灰：河砂：水=120：96：290：400：400，最终调整后的浆液初凝时间为2.5h，基本吻合硬岩段每环纯掘进时间3h，且在全断面掘进过程中不采用敞开式掘进，而采用带气压掘进，一般顶部气压为1.3Bar，因为注浆时压力一般为1.5～2Bar，这样既能减少注浆浆液向土仓流动，也能防止管片后部水体向前涌入的速度，达到良好的同步注浆效果。 3、在含水量极其丰富，压力较大的地段，将导致同步注浆效果难以达到预期目标。遇到这种情况，现场采取每掘进5环进行一次双液浆止水环施工，保证及时堵水，防止情况恶化，之所以选择5环，是根据重庆轨道交通6号线北碚隧道施工过程中出现的在退出盾尾第6环后才开始错台的施工经验以及根据管片螺栓的抗剪切力和管片重量计算比较得到。5环施做双液浆止水环的具体施工步骤如下：
（1）高粘度膨润土填充土仓：采用高粘度膨润土泥浆，高粘度膨润土配合比为钠基膨润土：制浆剂1型：制浆剂3型：水=100：10：20：800，粘度不小于120s，将土仓置换半仓以上，保证土仓上半断面为膨润土泥浆，约25m3。
（2）高浓度膨润土填充盾壳背后间隙：采用高浓度膨润土泥浆配合比为钠基膨潤土：制浆剂2型：水=200：200：600，注浆总方量不小于5m3。在土仓填充完成后开始盾壳膨润土注浆，注浆先注盾尾，后注中盾和前盾。
（3）双液浆采用配合比为水：水泥：35Be水玻璃=200：80：50，浆液初凝时间为30～35s，注浆位置为出盾尾第2环，注浆孔采用管片吊装孔，在利用钻具钻通吊装孔前，应对吊装孔上止水闸阀（因地下水压力较大，一般达到0.6Bar以上），注浆由底部向顶部对称注浆，注浆压力不大于1.0Mpa恒压，注浆采用打30s，停15s的方式进行，采用该方法注浆的目的主要是为了让浆液在注浆孔附近堆积，防止浆液流窜过远填充管片背后空隙。
当出盾尾第二环管片整环封堵完成后，依次进行出盾尾第3、4、5、6的补强注浆，补强注浆的原则就是哪个孔开孔后出现水，便向该孔压浆，但压降的同时应该将该环管片的顶部吊装孔打开或相邻环的顶部吊装孔打开，保证不会因为注浆的瞬时压力过大，导致管片出现损伤。
现阶段车红区间左右线隧道均已通过了270米的全断面硬岩，从管片的外观质量以及防水质量上看，均达到了设计要求，整个540米，360环管片，出现管片错台，漏水的情况寥寥无几。据目前统计数据显示，该段隧道有1环管片出现超过1.5cm的错台，无一处出现线流，有3处出现滴漏现象，5处出现湿泽，管片外观质量非常可控。
五、结束语
随着盾构机刀盘破岩能力的增大，适应能力的不断增强，越来越多的城市硬岩隧道会弃用矿山法开挖方式，而更多的会采用复合式盾构进行隧道施工，届时管片在硬岩环境中的拼装质量将面临严峻的考验，工程质量基本取决于管片施工质量，而管片背后的注浆止水将成为重中之重。