盾構隧道施工管片上浮因素分析及控制措施

紀銘銳 李 棟

（中交隧道工程局有限公司北京盾構工程分公司，北京 100102）

本次根據上海軌道交通13號線108標學林路站—張江路站盾構區間工程，研究盾構隧道施工管片上浮因素及相應的控制措施。區間概況：盾構從學林路東端頭井始發，向東北在中科路下穿行，過學林路、育人路、穿越中環線、順和路到達張江路站。本區間為單圓盾構區間，區間長1 368.111 m，埋深8.4～16.6 m之間，線路最大坡度-21.48‰，最小轉彎半徑800 m。盾構穿越的土層主要為第④灰色淤泥質黏土、⑤1灰色黏土。

1 施工期管片上浮情況

盾構掘進施工中，剛剛脫出盾尾的管片表現出局部和整體上浮現象，管片出現錯臺、破損、裂縫甚至線路偏位。

根據上海工程地質及設計方案，盾構區間采用直徑6 760 mm的土壓平衡盾構機掘進。6塊環形預制鋼筋混凝土管段厚度為350 mm，環寬為1.2 m，在貫通接頭處組裝成內徑為5.9 m，外徑為6.6 m的圓形隧道。管片監測儀器采用徠卡 NA2水準儀和標尺用于收集不同時間和周期的管段標高，將其減去初始的高程可得到管片上浮的位移量，以研究管片隨環數的上浮情況。

根據隧道監控顯示，在區間盾構掘進過程中，24環出現最大下沉量，在-3.8 cm左右；第30環區段管片開始出現上浮，后逐漸加劇。在掘進至第68環時，發現管片最大上浮趨勢10.28 cm。掘進第80環后，通過合理設置掘進參數，調整同步注漿、二次注漿方案和盾構姿態，管片上浮控制到2 cm左右。

2 盾構機推進參數分析

盾構機推力參數分析主要集中在盾構機的總推力、刀盤扭矩、刀盤轉速、推進速度和土壓力等方面展開研究。

2.1 盾構機總推力

在始發井加固區內掘進過程中，推力控制在9 000 kN以內，前期正常掘進過程中，總推力控制在1 2000 kN左右，整體推力呈平穩上升趨勢，在姿態調整過程中有一定波動，屬于正常現象。

2.2 刀盤扭矩及刀盤轉速

始發階段刀盤轉速較小，控制在0.6 rpm，正常掘進后，根據推進速度逐步調整至1.0～1.2 rpm，扭矩整體平穩，穩定在700 kN·m左右，符合地層特性。

2.3 刀盤推進速度

端頭井加固區采用攪拌樁、高壓旋噴進行加固，盾構機必須在加固區域緩慢推進，控制刀盤的扭轉距離和推力，以確保刀盤在前方加固土上完全切割，推進速度控制20 mm/min以內；脫出加固體后逐步提高推進速度。然而推進速度過快時，同步注漿漿液不能及時補充，不能保證管片脫出盾尾時管片空隙和注漿量平衡，地面有一定的沉降。因此將推進速度控制在40 mm/min以內，地表沉降得到有效緩解。

通過對以上始發階段盾構掘進參數范圍的分析，確定了下階段盾構掘進主要參數指標：根據地質條件、推進速度、盾構姿態等情況，扭矩在600～1000 kN·m，推力控制在1600 T以下，掘進速度40 mm/min左右。

2.4 土壓的設定

正平衡壓力：P=k0gh，其中，P為平衡壓力（包括地下水）；k0為土壤的側向靜態平衡壓力系數；g為土體的平均重度（kN/m3）；h為隧道埋深（m）。

在盾構隧道施工中，參照上述方法可以得到平衡壓力的設定值。具體的施工設定值根據盾構的埋深、該位置的土壤狀況和監測數據隨時調整。通過經驗計算土壓值控制在0.24 MPa左右。

3 管片上浮控制措施

3.1 壁后同步注漿

3.1.1 注漿量

漿液配比嚴格按照設計配比進行拌制，依據盾構機開挖直徑和管段外徑的計算，每個環的理論空隙約為3.6 m3，把漿液擴散系數定位1.6，同步注漿總量理論值在5.5 m3。針對前期地表沉降監測（盾尾整體隆起），減小同步注漿量，由原來的7 m3減小為6 m3，最后漿量調整為5 m3。

3.1.2 注漿壓力

注漿壓力通常是靜土壓力和同步注漿壓力的1.1～1.2倍，隨著地層的埋深逐步加大。由于注漿壓力傳感器距離漿液出口較遠，注漿過程中管道有一定壓力損失，所以從數據顯示壓力較大，屬正常現象，同步注漿壓力控制在0.30～0.45 MPa。

3.1.3 注漿位置

盾尾包括4個同步注漿孔，上部2個，下部2個。調整注漿方式，前期上部注漿孔注漿量為下部注漿孔2倍，在上浮趨勢不控制不明顯的情況下，僅注上部注漿孔，下部注漿孔不注漿；由于過程中出現了管片錯臺現象，目前調整為上部注漿4.5 m3左右，下部注漿0.5 m3左右。

3.2 管片開孔二次注漿

二次注漿在推進過程和同步灌漿同步進行。注漿位置是脫出盾尾4環，分2次注漿，兩環一注，水泥漿水灰比為1∶1，注漿量為0.2 m3，水泥漿與水玻璃的比例為1∶1，注漿位置位于隧道頂部。采用帶管口的注漿方法容易清理，雙液注漿設備簡潔易操作，方便清洗。水泥水玻璃雙液漿初凝時間快，13 s左右，對管片形成環箍抑制管片上浮。

3.3 盾構機姿態控制

3.3.1 盾構機自身的姿態控制

自動導向系統和人工手動測量被用來監測防護罩的姿態。該系統可以在盾構機主控室內顯示盾構機當前垂直和水平位置與隧道設計軸線之間的偏差和趨勢。相應地調整盾構機的掘進姿態，掘進姿態由盾構機的鉸鏈系統和推進系統控制。

根據規范要求，隧道軸線水平和垂直位移應控制在±50 mm以內。當盾構機姿態良好時，可以依靠盾構機適當矯正管片姿態。

3.3.2 盾構機姿態對管片上浮控制

偏差校正應逐環進行，少量偏差校正，以防止過度偏差而損壞組裝好的管件和屏蔽尾密封。在曲線段掘進時，在進入曲線之前，應保留靠近曲線內部的偏移。根據導向系統反映的盾構機姿態信息和線路狀況，結合隧道地層，通過選擇盾構機推進油缸模式來控制掘進方向。與此同時，在曲線段的掘進中，根據曲線半徑計算鉸鏈角，并調整鉸鏈筒的伸長以輔助曲線的施工。

推進缸的液壓調節不應過快或過大，過快的切換速度會導致管段應力狀態的突然變化，損壞管段；掘進參數應根據地下地層情況及時調整。調整隧道方向時，應設置警告值和限值。當達到警告值時，應立即啟動偏差校正程序，以計算偏差校正曲線。偏差校正操作只能在管件相對于盾構機處于良好狀態時進行。在糾偏操作期間，嚴格監控盾尾間隙。盾尾間隙每提前30 cm測量一次，以確保盾構機不會卡住，盾尾刷不會損壞。

4 結語

（1） 針對前期地表沉降監測出現的一定隆起，減小同步注漿量，由原來的6 m3減小為5.2 m3，減小對管片的上浮力；在發現地表有沉降趨勢的情況下，逐步上調注漿量至5.7 m3；后期為減小管片的上浮趨勢，將注漿量控制在5 m3。

（2） 為了控制管片上浮并抑制管片錯臺，調整為上部注漿4.5 m3，下部注漿0.5 m3；注漿壓力持續控制在0.4 MPa左右。

（3） 采用管片開孔注漿方式，進行二次雙液漿注漿，縮短漿液的凝固時間，對管片形成環箍抑制管片上浮。為了防止漿液前竄干擾破壞盾尾刷，距離盾尾約4環位置進行二次注漿。