盾構施工中隧道管片上浮的影響因素及控制措施

李 磊，徐軍哲

（中鐵工程裝備集團技術服務有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構施工中隧道管片上浮的影響因素及控制措施

李 磊，徐軍哲

（中鐵工程裝備集團技術服務有限公司，河南 鄭州 450016）

[摘 要]結合南寧市軌道交通1號線鵬南盾構區間工程實例，從盾構工法特性，同步注漿工藝，盾構姿態控制及線路走向等方面著手，對土壓平衡盾構施工過程中產生的隧道管片上浮現象及原因進行了分析研究，并提出了相應的施工控制對策。

[關鍵詞]盾構工法；管片上??；影響因素；二次注漿

在盾構掘進過程中，常出現管片上浮現象，在硬巖等穩定圍巖條件下，上浮尤其明顯，甚至達到140mm以上。管片上浮會導致管片錯臺、破損等問題，在施工中必須解決上浮的問題。管片上浮主要受工程地質、水文地質、管片襯砌注漿質量、盾構姿態控制等方面的影響。本文結合南寧市軌道交通1號線鵬南盾構區間隧道管片上浮的工程實例，從盾構工法特性、同步注漿、盾構姿態及線路走向等方面著手，重點對土壓平衡盾構施工過程中產生的管片上浮的現象、影響因素及應對措施進行分析研究，為解決盾構隧道管片上浮問題提供一些參考建議。

1 工程概況及地質分析

1.1 工程概況

本工程位于廣西省南寧市西鄉塘區大學西路沿線，起于鵬飛路站，終于南職院站。鵬南區間起止里程為YSK2+914.721～YSK2+083.134，區間長831.587m，區間隧道采用盾構法施工。區間在YSK2+604.755處設置有一聯絡通道，采用礦山法施工。隧道埋深9.5～14.5m。本區間左、右線各有2個曲線段，曲線半徑均為2 000m，線間距13.5m。線路出鵬飛路站后，先以45m的2‰的上坡，再以217m的22.1‰的下坡到達區間隧道最低點，最后以4‰、24‰、2‰的上坡到達南職院站。本區間隧道采用中鐵裝備生產的中鐵110號盾構掘進，開挖直徑為?6 280mm。

1.2 線路區間工程及水文地質分析

鵬飛路站西端頭盾構始發地層從上到下依次為雜填土、素填土、粉質粘土、泥質粉砂巖，區間隧道穿越的主要地層為細砂巖和泥質粉砂巖，其中區間隧道始發段穿越的地層主要為穩定的泥質粉砂巖。

本區間地下水主要為賦存于第四系土層中的孔隙潛水和基巖的基巖裂隙水。勘察時測得孔隙潛水穩定水位標高為69.43～78.28m，基巖裂隙水的穩定水位標高為71.87～78.62m。隧道中心線高程60.564～67.136m，隧道處于地下水位線以下。

2 隧道管片上浮位移跟蹤及分析

2.1 管片上浮位移跟蹤

本區間隧道縱斷面總體縱向成“V”字形，最大埋深14.5m，隧道坡度大，地層穩定，含水量小。在施工過程中，發現當隧道處于下坡段盾構掘進時，管片出盾尾后上浮程度較大。以右線為例，在下行線坡度為22.1‰的第42環～58環的雙數環管片中心高程上浮值監測情況詳見表1。

表1 鵬南盾構區間右線環片姿態檢測成果表（垂直方向） (mm)

2.2 跟蹤數據分析

根據以上的管環檢測成果，繪制出管片上浮位移趨勢圖，如圖1所示。

圖1 右線第42～60環段(雙數環)管片上浮位移趨勢圖

從上面管片上浮位移趨勢圖來看，在下坡22.1‰的第42環～60環段管片拼裝24h后最大上浮位移達142mm。盾構開挖直徑為6 280mm，管片外徑6 000mm，管片與圍巖之間間隙為140mm?？梢?，管片脫出盾尾24h后快速上浮，直到頂住圍巖。

3 隧道管片上浮的影響因素分析

3.1 襯砌環形建筑空間

盾構切削刀盤直徑與隧道管片外徑有一定的差值，當管片脫出盾尾后，管片與圍巖間產生一環形建筑空間，就給管片提供了上浮條件。

余....鋒...................................................................................................................................................................霍尼韋爾特性材料和技術集團亞太區總經理

3.2 地質

在軟弱地層中，由于圍巖自穩性差，應力釋放快，塑性變形大，這一環形空間在管片脫出盾尾后，拱頂圍巖極有可能發生變形或拱頂圍巖下沉，減小了圍巖與管片之間的間隙，同時建壓掘進和及時地同步注漿使此間隙能得到有效填充，有利于管片快速穩定。

在穩定較好的基巖地層中，管片脫出盾尾后，由于圍巖的收斂變形小，環形建筑空間在相對長時間內是穩定的；同時在此類較穩定的地層中掘進時通常采用敞開式或半敞開式掘進模式，盾尾處的同步注漿與前方掌子面間存在一定的壓力差，造成同步注漿漿液前竄；若在有裂隙水的情況下，特別是在下坡段掘進時，必然導致漿液前竄現象加劇。這樣，就使靠近盾尾一定范圍內的脫出盾尾的管片與圍巖之間的間隙長時間得不到及時有效填充。

3.3 管片受力分析

由于管片與圍巖的間隙的存在，使脫出盾尾后一定范圍內的管片處于無約束的狀態或未被固結的流體所包圍，在推進缸隧道縱向力產生的兩端的摩擦力和該段所有的重力不足以抵消隧道垂直方向的強大浮力時，就造成中部管片發生上浮撓曲變形或錯臺現象。

3.4 盾構姿態及推力影響

在盾構掘進施工中，盾構通常保持微微抬頭姿勢掘進，一般底部油缸推力較大，此推力會在設計軸線法線上產生一個向上的分力，特別是下坡段時，底部推進壓力增大，分力隨之增大，這個分力加劇了管片的上浮，特別是在同步注漿漿液沒有完全提供約束力的情況下。

4 管片上浮的控制措施

結合以上分析，為保證隧道成型，在后續的施工過程中針對不同的因素提出以下相應的應對措施以指導施工生產。

4.1 二次雙液補充注漿和同步注漿

在穩定性較好的基巖段成功解決管片上浮問題的關鍵是要確保管片背后建筑間隙的及時有效填充，也是管片壁后注漿約束的有效性與管片上浮的競賽，盾構自身的構造和現場施工組織特點決定了若通過盾構的注漿系統同步注入傳統的水泥砂漿料，在漿液性能上的特點決定了漿液不可能有效控制管片上浮現象，唯有雙液速凝漿液方可徹底解決管片上浮的問題。雙液速凝漿液在漿液性能的選擇上應在保證漿液的充填性能基礎上，嚴格控制初凝時間、早期強度與盾構掘進速度的匹配性，有效限定漿液的擴散范圍和防止大量流失，才能保證隧道管片與圍巖共同作用形成一體化的構造物。

由于雙液漿在同步注漿管過程中易堵管，可選擇在管片注漿孔進行注漿，即管片脫出盾尾后采用人工對管片進行注漿。但通過吊裝孔注雙液漿往往要停止掘進，為減小注漿對施工進度的影響，可根據管片脫出盾尾后管片間相對上浮量不超過限界要求的前提下，選擇隔環注雙液漿的方式減小管片懸臂距離，同時優化同步漿液配合比。一方面可有效封堵后部來水，減小同步注漿漿液前竄機率；二是有效填充管片壁后建筑間隙以達到防止管片上浮和穩定管片的目的。另外，也可在管片與管片之間焊連槽鋼，保持管片間有效摩擦力的措施控制錯臺和減小管片上浮量。

4.2 盾構姿態控制

盾構過量的蛇形運動必然造成頻繁的糾偏，糾偏的過程就是管片環面受力不均勻的過程，所以要求盾構掘進過程中必須控制好盾構的姿態，盡可能地沿隧道軸線作小量的蛇形運動。發現偏差時應及時逐步糾正，不要過急過猛地糾正偏差，人為造成管片環面受力不均勻，根據統計結果每環管片糾偏量不應大于每環5mm。

4.3 推力控制

推力過大，會導致各組油缸壓力差增大，增大管片所受的向上分力，引起上浮、錯臺等問題。在漿液未形成初期強度前，較大的推力會對管片造成擾動，影響漿液的凝結和管片的穩定。

4.4 合理控制盾構掘進高程

在本區間施工過程中，根據檢測到的管片上浮的統計值，通過和隧道設計軸線的比較，發現管片上浮較嚴重時，及時地將盾構掘進高程降至設計軸線以下100mm，以此來抵消后續掘進的管片上浮值，使隧道軸線最大程度的接近設計軸線。但此法中盾構下降幅度不易把握，且易造成管片長期處于不穩定狀態，可作為不得已情況下的應急措施，不宜長期使用，且需適時進行二次補充注漿，以確保管片的最終穩定。

5 結 論

隧道處于穩定的圍巖地層，管片背后環形建筑空間的存在給管片上浮造成客觀的外部條件，而在軟弱滲水土層或砂層中，雖然隧道管片也存在上浮的趨勢，但由于隧道圍巖收縮、覆土下沉等能夠縮小管片與圍巖之間的建筑空間，管片上浮的情況就會很小，本文所列舉管片上浮的主要原因是因為隧道管片有上浮的空間，由于未對上浮空間及時進行填充固結而造成的。在施工中針對復雜多變的地質情況，準確預測地質，對各種施工信息進行動態分析及控制，通過技術與經濟的比較，適時做出合理的適應不同地質條件的漿液配合比，動態管理漿液，同時，不斷收集總結盾構掘進過程中的各種掘進參數，摸索出不同地質條件下與之相適應的掘進參數的變化規律，最大限度地控制隧道管片在施工過程階段的位移和變形，以滿足設計和規范要求。

[參考文獻]

[1] 梁永釗，鞠世健．淺談盾構隧道施工管片上浮的控制[J]．廣東建材，2009，(6)：87-90.

（編輯 張海霞）

Analysis and control of the upward moving of tunnel segments in the process of shield excavation

LI Lei, XU Jun-zhe

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)06-0060-03

［收稿日期］2015-02-12