淺析泥巖地層中盾構施工管片上浮原因及控制措施

董信樂

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250000）

伴隨著盾構施工法在我國的興起，盾構施工技術越來越成熟，被不斷的應用到各種地層中。在眾多地鐵工程中，盾構施工的成型隧道質量是業主方、施工方、監理方以及設計方等多家單位一直關注的重點，直接關系到成型的隧道能否投入到地鐵運營中去，以及人民的安全是否能得到有效保障。泥巖地層盾構施工中，管片上浮直接導致管片大量錯臺、破損甚至直接影響到成型隧道線型的超限。本文結合成都地鐵6號線玉雙路站-牛王廟站區間管片上浮的工程實例，從全斷面泥巖地質特性、同步注漿漿液配合比及注漿工藝、盾構姿態控制三個方面，重點對掘進過程中產生的管片上浮現象以及實施的措施及效果進行分析研究。

1 工程地質及水文概況

1.1 地質概況

玉雙路站-牛王廟站區間主要穿越地層為5-3中風化泥巖，部分為5-2強風化泥巖及5-1全風化泥巖。

中風化泥巖：褐紅色、紫紅色，中厚層狀，泥質或微鈣質結構，泥質膠結。巖芯多呈柱狀，少量呈碎塊狀，較完整，巖質較軟，為極軟巖。軟弱夾層或差異風化在部分地段較明顯，易風化，遇水易軟化，巖體基本質量等級為Ⅴ類。厚度一般1.50～14.10 m。

強風化泥巖：褐紅色、紫紅色，泥質結構，裂隙較發育，巖芯多呈碎塊狀、短柱狀，巖質軟，為極軟巖，巖心碎塊手可折斷。巖體基本質量等級為Ⅴ類，層厚一般0.70～9.20 m。

全風化泥巖：褐黃色、褐紅色、紫紅色夾灰白色，主要由黏土礦物組成，巖質極軟，巖芯呈土柱狀，少量碎塊狀。本層沿線廣泛分布，發育厚度不均勻，層厚0.50～4.60 m，部分地段缺失該層。

1.2 水文概況

根據成都地區水文地質資料及地下水賦存條件，開挖掌子面地下水主要有三種存在形式：一是充填層上部滯水，二是第四系砂卵石層孔隙潛水，三是基巖裂隙水。第四系砂卵石層的孔隙潛水對工程影響很大。

管片上浮情況統計。2019年7月18日，玉牛區間左線在盾構掘進完成第510環后，發現成型管片上浮量較大，其統計數據見表1。

從統計數據可以看出，玉牛區間左線第496～505環管片上浮量出現較明顯變化，最大上浮量為108 mm，管片軸線高程位移量為66 mm，出現超限現象。

表1 管片上浮量統計數據

2 管片上浮原因分析

成都地鐵6號線玉雙路站-牛王廟站盾構區間采用兩臺Φ6 280 mm EPB盾構機連續施工，掘進施工中脫出盾尾的成型管片與開挖土體間會有140 mm的間隙，掘進過程中通過同步注漿來填充此間隙，填充效果及漿液凝結時間是控制管片上浮的重點。

2.1 地質條件原因

因為泥巖滲透性差，穩定性好，所以盾構機在泥巖地層中掘進時，渣土改良中的水和地層水大部分通過盾體與土體之間的間隙匯集到管片壁后，積聚后很容易形成浮力。管片剛脫離盾尾，其壁后的間隙可能馬上會被水包裹，從而更容易形成水浮力。根據管片結構尺寸可以計算得出一環管片自重G=192 kN（管片混凝土體積計算為8 m3/每環），每環脫出盾尾的成型管片受到的浮力F浮=ρ液gV排=1×10×42.4=424 kN（每環管片排開水的體積為42.4 m3）。根據以上兩個數據對比分析可見，每一環脫出盾尾的成型管片受到的浮力遠大于其自重。可見，成型隧道管片在地下水豐富的全斷面泥巖地質條件下，管片自身存在上浮的趨勢。

2.2 同步漿液質量

土壓平衡盾構機掘進中同步注漿的目的是防止地面沉降，保證管片（管片位移）的穩定性和應力的均勻性，提高隧道的抗滲性。為滿足這三個要求，同步漿液的性能要求應滿足：（1）填充性能良好；（2）漿液具有流動性、保水性和黏聚性以及較少的離析性；（3）初凝時間應為4～6 h，為抵抗圍巖形成的不均勻壓力，漿液還需具備一定的早期強度；（4）為避免漿液被地下水稀釋，漿液應具有適當的稠度；（5）漿液凝固后的縮水率小，會更有效地起到固定管片的作用。

通過上述分析可以得出結論，解決管片位移的關鍵在于有效的填充管片與土體之間的間隙。

玉雙路站-牛王廟站盾構區間盾構在泥巖地層中掘進，為了填充管片與土體間的空隙，同步漿液通過在盾尾配備好的注漿管路進行壓注，其漿液配合比見表2。

表2 同步漿液配合比 /kg

因為此段地層主要為強風化、中風化泥巖，裂隙水比較發育，滲透系數較大（K=3～5 m/d）。在盾構施工中，渣土呈流塑狀并偶爾有噴涌現象出現。這個現象充分說明，此段地層含水量比較豐富。

通過從脫出盾尾后10環管片注漿孔開孔觀察，發現注漿孔仍有漿液流出，說明以上述漿液配合比所拌和的漿液初凝時間大于6 h，成型管片相當于還被液體所包裹，自然會產生上浮現象。同時，地下水匯集于管片四周將漿液稀釋，導致漿液初凝時間延長，進一步惡化了管片穩定環境。

2.3 盾構姿態

盾構機在掘進時圍繞著隧道設計軸線做蛇形運動，要不斷地調整各組油缸千斤頂的油壓讓盾構機實際掘進軸線與隧道設計軸線相擬合。

因盾構機在泥巖地層中掘進時，泥巖滲透性差，自穩性好；又因開挖直徑大于盾體直徑，掘進過程中盾體與巖土之間摩擦力減小，導致滾動角變化快，盾構機姿態跳動厲害，偏離隧道設計軸線嚴重。這時就得頻繁調整盾構姿態，導致管片環面受到油缸千斤頂不均勻的推力，因此管片受到的盾構機提供的向上的分力大于管片自身的重力，就會導致管片向上移動，因此發生上浮現象。

3 管片上浮控制措施

3.1 同步注漿量及漿液質量控制

根據以往盾構施工經驗得出結論：同步漿液在保證不堵管的條件下，盡量縮短初凝時間，加快對管片的約束。現場實踐得出同步漿液初凝時間控制在3～4 h，注漿壓力控制在2～3×105Pa，每環（1.5 m型管片）注漿量控制在6 m3以上。另外，每隔兩環對管片頂部注漿孔位置開孔，檢查同步漿液的注入情況、觀察初凝時間（見表3）。

表3 同步漿液配合比 /kg

同步注漿關鍵技術措施：

（1）注漿量≤理論值135%特殊情況除外；

（2）注漿壓力1～3×105Pa定期清洗壓力傳感器，保證壓力準確性；

（3）注漿速度根據掘進速度而定，推進完漿液注完盡量保證上下左右四路同時注漿，盡量保證均勻注漿。

3.2 二次注漿

在管片脫出盾尾2-3環處逐環進行二次注漿，同時在管片脫出盾尾6-8環做止水環，每推進5環做一次。二次注漿主要采用雙液型漿液進行注漿，分A液（水泥+水）和B液（水玻璃+水）通過二次注漿泵將漿液通過管片吊裝孔注入管片同步，施工中以鐘表點為標準，注漿點位在2點、10點之間（含2點、10點）的范圍內。

（1）二次注漿目的。①防止同步漿液不飽滿，導致上部管片同步空隙大，下部漿液產生浮力。②固定管片，防止管片因靜態浮力而變動，解決靜態浮力引起的管片上浮以及錯臺。③形成止漿環，將漿液與水斷開，減少靜態浮力。④分解同步注漿產生的上浮力。

（2）二次注漿的注漿量和壓力。二次注漿壓力是注漿量的決定因素，二次注漿壓力主要考慮盾構管片拼裝完后，螺栓連接處所能承受的最小破壞壓力來定，一般壓力不超過5×105Pa，根據二次注漿壓力控制注漿量。

（3）注漿漿液配合比（見表4）。

表4 二次注漿漿液配合比

（4）二次注漿關鍵技術措施。根據盾構法的特點，二次注漿作為配合同步注漿控制管片上浮、錯臺以及破損，其主要控制技術措施有：①二次注漿及時跟進同步注漿，防止拖后環數過多，不能達到預期效果。②注漿孔應該盡量設置在拱頂2點、10點范圍內，以便更好固定管片環和阻擋頂部水流通道。③注漿孔位宜設置在盾尾后3環處（視具體設備情況確定）。④漿液的凝結時間應控制在20 s以內。⑤注漿時控制好注漿壓力和注漿量。⑥二次注漿要與同步注漿相結合，隨著盾構掘進的開挖，不間斷施工。

3.3 盾構機姿態控制

有效地對盾構機的掘進姿態進行糾偏，是控制管片上浮的一個重要因素，需遵循幾項原則：

（1）根據實際施工情況合理選擇掘進參數；

（2）調整各組千斤頂油壓，油壓差不宜超過5×106Pa，千斤頂行程差應不大于40 mm；

（3）調整盾構機姿態嚴禁“猛糾”“急糾”，要做到“勤糾緩糾”，單環糾偏量0～5 mm。

3.4 其他措施

（1）確保盾構連續施工，避免因長時間停機導致管片上浮。

（2）合理選擇管片型號，確保成型管片姿態與隧道設計軸線擬合，避免因管片選型失誤造成管片上浮。

（3）管片拼裝螺栓進行三次復緊：在拼裝完成后首次對整環管片螺栓進行復緊，在下一環推進過程中對其進行第二次復緊，拼裝下一環時對此環進行第三次復緊，螺栓復緊順序是從K塊開始，依次向兩邊對稱復緊。

（4）每掘進5環對盾尾進行清理，避免盾尾中的雜物和硬物導致管片在拼裝過程中出現上浮。

（5）每天進行一次管片監測，如發現管片上浮量大于50 mm時，應立即停止掘進，進行注漿處理。

4 結語

通過對成都地鐵6號線玉雙路站-牛王廟站盾構區間工程實踐結果表明，在盾構隧道施工前期，進行充分的地質研究，通過對比與分析制定適合不同地質條件的漿液配合比，及時進行二次注漿，控制好盾構機掘進姿態，不僅能有效地控制地表沉降，還能控制管片上浮問題。因此，成型隧道的質量是可控的，相信不久的將來會有更多更有效的技術措施來控制泥巖地層中的管片上浮問題，從而保證施工質量及安全。