盾構(gòu)隧道管片上浮原因分析及應對措施

張智勇

摘要： 地鐵盾構(gòu)施工時的管片上浮問題非常棘手，難以處理。本文依托長沙地鐵盾構(gòu)區(qū)間管片上浮的問題，從水文地質(zhì)情況、盾構(gòu)作業(yè)影響、管片后壓漿等方面進行原因分析及研究，并針對性地提出了控制管片上浮的處理措施及施工對策。

Abstract： The problem of the pipe float-up during subway shield construction is very tricky and difficult to handle. Based on this problem of Changsha Metro， the reasons are analyzed and studied from the aspects of hydrogeology， the influence of shield operation and grouting after the segment of the shield， and some treatment and construction measures are put forward.

關鍵詞： 地鐵；盾構(gòu)施工；管片上浮；原因研究；控制措施

Key words： metro；shield construction；pipe float-up；cause study；control measures

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）06-0143-03

0 引言

地鐵盾構(gòu)掘進施工過程中，管片上浮問題比較突出，部分項目甚至嚴重到需設置調(diào)坡以適合線路設計，造成了較大的工期及經(jīng)濟損失。為了確保地鐵隧洞線型滿足設計及保證工程質(zhì)量，需將管片上浮位移量控制在規(guī)定的合理范圍內(nèi)。盾構(gòu)掘進時管片的上浮主要是因為管片抗浮能力不足所引起，管片上浮問題受到多種復雜因素的影響，包括水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、掘進工法及工藝措施、管片構(gòu)造、管片后壓漿等。長沙市軌道交通5號線一期工程土建一標華雅站-萬家麗廣場站區(qū)間盾構(gòu)掘進時，管片最大上浮值達到93mm。本文依托此項目的工程實例，從盾構(gòu)工法特征、盾構(gòu)作業(yè)姿態(tài)及管片后壓漿等多方面著手，對管片上浮問題產(chǎn)生的原因進行了系統(tǒng)的分析及研究，并采取針對性施工對策及措施，很好地控制了管片的上浮。

1 工程簡介

長沙市軌道交通5號線一期工程土建一標華雅站-萬家麗廣場站盾構(gòu)區(qū)間所在地屬瀏陽河形成的階地，由河流相二元結(jié)構(gòu)組成，為典型的河流沖蝕、堆積地貌。地層以強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖為主，深度40m范圍內(nèi)主要賦存兩層地下水：松散巖層孔隙水類型和紅層孔隙裂隙水，地下水主要接受大氣降水、地下管線滲漏補給，亦和周邊地表水體呈互補關系。枯水期時，地下水由兩側(cè)向瀏陽河或洼塘徑流，以側(cè)向滲流運動方式向河流排泄。瀏陽河沿線階地中的孔隙水多因河流水位的升漲而呈現(xiàn)出由承壓水到潛水間的性質(zhì)變化。

根據(jù)勘察報告，區(qū)段沿線地層分述如下：①第四系全新統(tǒng)（Q4）：主要為人工填土層（Q4ml），第四系人工填土場地分布廣泛；②第四系上更新統(tǒng)（Q3）：主要為河流相沖積層（Q3al），巖性主要為粉質(zhì)粘土、粉土、及砂礫石層等；③第四系殘積層（Qel）：基巖風化殘積而成，巖性為殘積粉質(zhì)粘土，覆蓋于基巖之上，不連續(xù)分布于場地；④白堊系（K）：主要為泥質(zhì)粉砂巖，分布于全路段。本區(qū)間底板埋深18～20m，隧道主要穿越強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖，巖性為軟巖，強度不高。

盾構(gòu)區(qū)間圓形隧道外徑為6000mm，內(nèi)徑5400mm，管片厚度300mm，管片寬度1500mm，分塊數(shù)為6塊，分別為3塊標準塊，兩塊2塊鄰接塊（中心角64.5°）和1塊封頂塊（中心角15°），襯砌環(huán)寬為1500mm。環(huán)間采用錯縫拼裝。管片混凝土等級為C50，抗?jié)B等級P12。

在隧洞盾構(gòu)掘進施工中，由專人對管片中心高程及偏位進行監(jiān)控量測，通常量測頻率為1次/d，對于管片上浮嚴重的區(qū)段，加強監(jiān)測，量測頻率加大至2次/d及以上。監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)，本區(qū)段右線第58～65環(huán)段的管片上浮值較大，其量測值統(tǒng)計于表1、圖2所示。

從圖2的上浮值曲線圖可看出，此段58～65環(huán)段管片拼裝完成后1d內(nèi)（24h）上浮的速率為最大，最大上浮值達45mm；從拼裝完成后1d至2d（48h）時間段內(nèi)，上浮速率明顯減緩，管片2d時最大累積上浮值為64mm；管片拼裝2d后，上浮率逐漸降低，至7d時已趨于穩(wěn)定，其中64號環(huán)7d時的上浮值93mm為最大。

從表1看出，58～65環(huán)段管片上浮值較大，不加以控制的話，易導致管片錯臺、開裂、破損及隧道軸線偏位等問題，從而影響隧洞成型質(zhì)量。

2 管片上浮分原因析

2.1 管片與圍巖間存在空隙 管片安裝后的外緣直徑與盾構(gòu)機切削圍巖形成隧洞的直徑間無疑存在差異，使得管片脫出盾尾后，管片外緣與隧洞圍巖不完全密貼，而是存在環(huán)向空隙。如不能及時將空隙填充，給了管片上浮的空間。

2.2 盾構(gòu)掘進超挖影響 盾構(gòu)機在掘進時切削盤的軸線與設計的隧洞中心線存在一定偏差，故掘進時需不斷對盾構(gòu)機的姿態(tài)進行調(diào)整及糾正，故盾構(gòu)機切削盤以“蛇形”的折線向前推進。且此段掘進時盾構(gòu)機處于強、中風化泥質(zhì)粉砂巖的不同地層交界處，盾構(gòu)機前行時更易出現(xiàn)“抬頭”及“栽頭”現(xiàn)象，無疑增加了管片的上浮空間。

2.3 工程地質(zhì)及線路坡度的影響 當盾構(gòu)機掘經(jīng)軟弱圍巖時，因圍巖軟弱，塑性變形大，拱頂圍巖自穩(wěn)能力差，管片脫出盾尾時，隧洞頂圍巖在產(chǎn)生沉降變形，減少或消除了拱頂圍巖與管片之間的空隙，此時有利于控制管片的上浮。但本段隧洞穿越白堊系（K），主要為泥質(zhì)粉砂巖，其自穩(wěn)能力較強，圍巖與管片間的空隙得不到減少或消除，在不及時加以約束的情況下，管片可在間隙內(nèi)無約束上浮。本段圍巖裂縫較多，施工期間為長沙當?shù)氐挠昙荆叵滤惠^高（隧洞位于地下水位以下），在透水地層中盾構(gòu)掘進時，管片浸泡于水或是漿液中，巨大浮力使得管片上浮。endprint

2.4 漿液影響 切削形成的隧洞與管片間存在空隙，通常采取及時壓注硬性單液水泥砂漿進行填筑，以避免管片產(chǎn)生上浮等位移。砂漿填充的密實情況及能否盡早提供強度是控制管片位移的關鍵。如管片脫出盾尾后砂漿尚為未凝固的液體狀態(tài)，漿液作用于管片的浮力超過其自重及其它抗浮力之和時，使得管片產(chǎn)生上浮。

以本區(qū)間隧道外徑6m，內(nèi)徑5.4m、寬1.5m的管片為例進行抗浮計算：①管片自重：G=γ×Vc=25×8.05=201.3kN；②砂漿浮力：F=ρ×g×V=1.825×9.8×42.3=758.14kN。

可見：砂漿浮力=758.14kN>管片自重=201.3kN。雖然管片在脫出盾尾后抗浮力還有聯(lián)結(jié)相鄰管片螺栓的約束力和推進油缸撐靴提供的豎向摩擦力（工程實踐表明兩種抗浮力不會超過400t），僅就一個環(huán)節(jié)管片進行計算的話，管片抗浮力是大于砂漿浮力的，但由于螺栓連接的彈性變形及存在安裝間隙，長段管環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出很大柔性，當長段管環(huán)整體懸浮于漿液里時，中間部分的管環(huán)的抗浮能力急劇降低，難以完全抑止管片上浮。

3 管片上浮的控制措施

以上對引起管片上浮的各種因素進行了分析及研究后，在58～65環(huán)段及后續(xù)施工中采取了針對性的施工處理措施，以確保把管片上浮控制在合理的范圍內(nèi)。

3.1 二次注漿與同步注漿 在工程地質(zhì)層面處理管片上浮問題，實際為注漿穩(wěn)固管片與管片上浮在時間上的賽跑。但基于盾構(gòu)機的構(gòu)造特點，同步注漿的漿液僅能采用慢凝的性能指標決定了其不能是上浮速率最大期間（管處拼裝完成后1d內(nèi)）提供強度而及時有效抑止上浮。

本項目采取二次注入雙液速凝漿液的方法以控制管片上浮。注入的雙液速凝漿液在填充性能、初凝時間、早期強度及防流失等方面的性能指標需達到一定要求，才能盡早使管片與圍巖固結(jié)成結(jié)構(gòu)整體。

本項目根據(jù)工程地質(zhì)特性、水文地質(zhì)情況及施工作業(yè)條件，配置了不同性能指標的硬性雙液速凝漿液，初凝時間6～10h。施工作業(yè)表明，初凝時間為6h的漿液雖最快提供強度，其抑止管片上浮的效果最佳，但進行漿液的運送及泵送時，極易將注漿管路填塞，進而影響了施工進度，拖延了處理過程。初凝時間為8h的漿液能達到最佳的處理效果。

3.2 盾構(gòu)機姿態(tài)控制 如果盾構(gòu)機姿態(tài)控制不好，勢必需進行頻繁糾偏，無疑造成隧洞為“蛇形”，也就使得管片存在更大上浮的空間，故在盾構(gòu)掘進時需進行盾構(gòu)機姿態(tài)的精細控制，使盾構(gòu)機以盡可能小的偏移量進行蛇形運動。出現(xiàn)偏差時不能實施急劇糾偏，造成管片與隧洞間出現(xiàn)較大空隙，應是采取微調(diào)逐步糾正。本項目制訂了盾構(gòu)機的操作規(guī)程要求糾偏量不得超過每環(huán)3mm。

3.3 掘進速度控制 因本項目的強、中風化泥質(zhì)砂巖的圍巖較軟，正常情況下盾構(gòu)機的掘進速度很快，同步及二次注漿施工工序的作業(yè)時間短而忙亂，導致管片與隧洞間空隙填充質(zhì)量差，漿液不能及時提供仰止管片上浮所需的強度。故掘進速度需與注漿速度相適宜，本項目經(jīng)過試驗，采取的推進速度不超過5cm/min，以確保管片在脫出盾尾后不會因注漿作業(yè)滯后問題而產(chǎn)生不穩(wěn)定的位移。

3.4 合理控制盾構(gòu)機掘進高程 在本區(qū)間掘進時，監(jiān)測一旦發(fā)現(xiàn)管片上浮較嚴重時，將盾構(gòu)機切削盤軸線高程降至隧洞設計高程以下5cm處，實踐證明，很好地抵消了的管片上浮，更好地使隧洞軸線與設計軸線相重合。

4 效果檢測

隨后監(jiān)測表明，經(jīng)采取管片后注雙液漿、盾構(gòu)姿態(tài)控制、掘進速度調(diào)整等措施，很好地控制管片的上浮。管片上浮量基本控制在5～13mm間，證明所采取的上浮控制措施是科學有效的。

5 結(jié)束語

①管片上浮主要發(fā)生于安裝后的48h內(nèi)，上浮量通常超過總量的70%以上，故控制管片上浮的措施需盡早實施，以達到最佳的控制效果。

②影響管片上浮的因素多，作用較為復雜，在施工時要根據(jù)復雜多變的地質(zhì)情況及外部影響因素，結(jié)合監(jiān)控量測結(jié)果，對各種施工信息進行動態(tài)分析及研究，通過技術與經(jīng)濟的綜合考慮，對漿液的配合比進行適時調(diào)整及動態(tài)管理，以達到最佳的控制上浮效果。

③施工時，還要持續(xù)收集盾構(gòu)機掘進時的各種參數(shù)及對應的管片上浮量，進行總結(jié)及分析，探索出不同地質(zhì)條件下的適宜掘進參數(shù)，最大程度地控制管片的上浮，以達到規(guī)范及設計要求。

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