巖溶區(qū)盾構(gòu)隧道管片的上浮影響因素及控制措施

郝志強(qiáng) 馬 林 陳 林 祝煦益 勾承藻

中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 四川 成都 610213

近年來(lái)，隨著城市軌道交通的發(fā)展，國(guó)內(nèi)巖溶地區(qū)大量運(yùn)用盾構(gòu)法修建區(qū)間隧道。然而在盾構(gòu)施工過(guò)程中，脫出盾尾的管片常出現(xiàn)局部或整體上浮現(xiàn)象[1-2]，且由于巖溶地層中裂隙發(fā)育、地下水豐富等特征，巖溶區(qū)盾構(gòu)管片上浮問(wèn)題相較于一般地層更加突出。

為解決巖溶地層對(duì)隧道管片的影響問(wèn)題，減少管片上浮帶來(lái)的錯(cuò)臺(tái)、開(kāi)裂、破損及滲漏水等質(zhì)量病害，提高隧道的耐久性，不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。

劉敦文等[3]通過(guò)云模型和安全評(píng)價(jià)方法，建立巖溶-侵蝕地質(zhì)條件下的管片上浮影響因素評(píng)價(jià)體系，基于湘江隧道工程研究施工期管片上浮的影響因素，并提出了控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度及軸線偏差等針對(duì)性措施。

吳鎮(zhèn)[4]對(duì)盾構(gòu)穿越灰?guī)r巖溶上浮段所存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，并從地層處理、盾構(gòu)掘進(jìn)模式及參數(shù)選擇、渣土改良三方面采取控制措施以保證施工質(zhì)量。

宮海光[5]基于廣州地鐵5號(hào)線管片上浮問(wèn)題，從把控同步注漿施工質(zhì)量、及時(shí)進(jìn)行二次注漿等方面提出了控制措施。

代昂[6]根據(jù)上海地鐵7號(hào)線及武漢長(zhǎng)江越江隧道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將管片上浮問(wèn)題總結(jié)為漿液浮力、泥漿后竄、上覆土反向壓縮等因素的影響。

上述研究結(jié)合實(shí)際工程，提出了巖溶區(qū)管片上浮的影響因素及控制措施，取得了豐富的成果，但對(duì)巖溶地層的針對(duì)性分析不多且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少。

為進(jìn)一步分析巖溶地層裂隙發(fā)育、地下水儲(chǔ)存豐富等特殊條件對(duì)盾構(gòu)隧道管片上浮的影響，本文以南京軌道交通工程巖溶集中段為背景，結(jié)合實(shí)測(cè)管片姿態(tài)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢查結(jié)果，分析其施工期管片上浮因素并提出相應(yīng)控制措施。

1 施工期管片上浮問(wèn)題介紹

1.1 項(xiàng)目工程概況

南京軌道交通工程巖溶段區(qū)間長(zhǎng)739.1 m，其隧道埋深范圍為12.9～23.44 m，地面無(wú)重要建筑物。選用鐵建重工DZ422復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，隧道開(kāi)挖直徑6 410 mm，管片內(nèi)徑5 500 mm、厚度350 mm、長(zhǎng)1 200 mm。隧道右線的地質(zhì)剖面及管片布設(shè)情況如圖1所示。

根據(jù)勘察資料，盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)地層主要為粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r及花崗巖。其中第220～605環(huán)為中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r區(qū)段，區(qū)間內(nèi)巖溶發(fā)育（圖1中橢圓形區(qū)域），鉆孔巖溶遇洞率為86.86%，溶洞高度在0～3 m內(nèi)的占84%，溶洞平均充填率達(dá)75%，充填物主要為軟塑-可塑狀黏土及粉質(zhì)黏土。巖土層變化大，軟硬不均，局部有破碎帶及裂隙發(fā)育段。區(qū)間內(nèi)地下水埋深為1.2～4.3 m，其類型主要為孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶溶隙水。具有承壓性的巖溶、裂隙水主要賦存于泥質(zhì)灰?guī)r（弱透水）中，在施工影響下易產(chǎn)生滲透破壞。

圖1 區(qū)間右線地質(zhì)剖面及管片布設(shè)

1.2 施工期管片上浮問(wèn)題

當(dāng)盾構(gòu)施工位于右線隧道0.427 5%上坡段時(shí)，第272～300環(huán)管片在脫離盾尾后向上垂直位移較大，部分管片上浮量達(dá)40 mm，接近施工控制上限，如圖2所示。圖2中縱坐標(biāo)正值代表管片上浮量。該范圍內(nèi)隧道呈現(xiàn)整體上浮趨勢(shì)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查管片質(zhì)量，未發(fā)現(xiàn)有明顯錯(cuò)臺(tái)、破損問(wèn)題。

圖2 右線隧道220～300環(huán)施工期管片上浮量

2 施工期管片上浮因素分析及控制措施

2.1 基巖裂隙水和巖溶溶隙水的影響

由圖1、圖2可看出，隧道自第270環(huán)起進(jìn)入具有探明溶洞的中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r層，其管片上浮量也逐漸開(kāi)始增加，并從第280環(huán)開(kāi)始保持在一個(gè)較高數(shù)值。根據(jù)地勘資料，上述泥質(zhì)灰?guī)r區(qū)段局部有破碎帶及裂隙發(fā)育段，其中的灰?guī)r破碎裂隙及溶洞溶隙給該層地下水提供了儲(chǔ)水條件及運(yùn)輸通道。

此外，該區(qū)段施工前后降雨豐富，為地下水的富集提供了條件，且該層地下水局部受完整灰?guī)r及上覆粉質(zhì)黏土層隔擋，顯現(xiàn)承壓特性。在上述地質(zhì)條件下，具有承壓性的巖溶、裂隙水在盾構(gòu)開(kāi)挖擾動(dòng)下易產(chǎn)生滲透破壞并導(dǎo)致管片上浮。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢查（表1）可見(jiàn)，區(qū)間管片質(zhì)量問(wèn)題主要為滲漏水，且滲漏水位置多見(jiàn)于拱頂，如圖3所示。為解決地下水對(duì)管片質(zhì)量的影響，選擇對(duì)隧道上浮區(qū)域的管片定期進(jìn)行開(kāi)孔放水。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，管片周圍水壓大且泄壓時(shí)間長(zhǎng)，印證了本推論的合理性。

表1 隧道右線170～330環(huán)管片質(zhì)量檢查記錄

圖3 巖溶、裂隙水引起的管片滲漏問(wèn)題

2.2 同步注漿漿液配比的影響

經(jīng)調(diào)查，前期同步注漿采用惰性漿液。該漿液強(qiáng)度低，初凝時(shí)間長(zhǎng)，且穿越地層巖溶、裂隙水問(wèn)題嚴(yán)重，漿液在初凝前易被稀釋。

一方面，低強(qiáng)度、未凝結(jié)的漿液無(wú)法對(duì)管片提供約束作用，漿液對(duì)管片的浮力將直接導(dǎo)致上浮問(wèn)題；另一方面，該區(qū)段巖層破碎、巖溶高度發(fā)育且存在連通現(xiàn)象，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)開(kāi)挖和軌道車運(yùn)行的振動(dòng)影響下，未凝固漿液易發(fā)生離析并被擠至地層間隙中，造成漿液流失，進(jìn)一步加劇了隧道管片上浮問(wèn)題。

針對(duì)該現(xiàn)象，通過(guò)配制初凝時(shí)間短、早期強(qiáng)度高的硬性漿液以抵抗開(kāi)挖后地層收縮對(duì)管片產(chǎn)生的不均勻壓力[7]，并保證漿液具有和易性且硬化后體積收縮率、滲透系數(shù)小，以便更好地固定管片。為增加注漿材料稠度、縮短初凝時(shí)間，對(duì)注漿材料配比進(jìn)行調(diào)節(jié)并制備了多組實(shí)驗(yàn)試塊（圖4），最終通過(guò)比選獲得了較優(yōu)的配比。

2.3 同步注漿壓力及注漿量的影響

在盾構(gòu)施工過(guò)程中，注漿壓力通常取1.1～1.2倍靜止土壓力[8]，該區(qū)段靜止土壓力約為0.21 MPa，故其注漿壓力應(yīng)設(shè)置為0.231～0.252 MPa。

通過(guò)對(duì)隧道右線第250～300環(huán)的同步注漿壓力及注漿量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖5）后可以看出，每環(huán)管片平均注漿量為3.5 m3，符合設(shè)計(jì)要求；注漿壓力為0.10～0.22 MPa，小于理論值。

圖4 制作注漿材料試樣

圖5 右線隧道250～300環(huán)管片同步注漿壓力及注漿量

同時(shí)，管片自第250環(huán)便出現(xiàn)整體上浮趨勢(shì)，但后續(xù)盾構(gòu)施工過(guò)程中仍保持下點(diǎn)位注漿壓力略大于上點(diǎn)位注漿壓力，兩者的最小壓力差為0.01 MPa，最大壓力差為0.1 MPa，該注漿壓力差給管片提供了向上的作用力，增大了隧道管片上浮的效果。

綜上，應(yīng)在綜合考慮注漿壓力不致對(duì)周圍土體引起較大擾動(dòng)、不影響管片結(jié)構(gòu)正常使用性能的前提下，增大上下注漿壓力差，并保證上部注漿點(diǎn)位注漿壓力（1#、4#）大于下部注漿點(diǎn)位（2#、3#），如圖6所示，此時(shí)壓力差豎直向下，可抵抗部分管片上浮力，起到抑制隧道上浮的作用。

2.4 二次注漿導(dǎo)致地下水前移

盾構(gòu)施工過(guò)程中曾對(duì)表1中發(fā)生滲漏的管片進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿，注漿量約為1 m3/環(huán)。但由于注入的水泥單漿液易被地下水稀釋，導(dǎo)致漿液及地下水在注漿位置與盾尾間流動(dòng)，使成形的隧道管片受到額外浮力作用，增大了管片上浮效果。

針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)于已發(fā)生管片嚴(yán)重上浮的區(qū)段，將二次注漿材料換為瞬凝雙漿液，每推進(jìn)3～5環(huán)便停機(jī)進(jìn)行二次注漿，且壓注順序應(yīng)遵循沿隧道坡度方向，從隧道拱頂至兩腰，最后壓注拱底的原則。終注指標(biāo)應(yīng)以打開(kāi)拱底注漿孔時(shí)無(wú)滲水為標(biāo)準(zhǔn)，防止盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)后管片繼續(xù)上浮。

對(duì)于隧道整體上浮現(xiàn)象，可采用局部注漿措施以到達(dá)環(huán)箍的效果。

圖6 盾構(gòu)注漿點(diǎn)位示意

2.5 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的影響

根據(jù)圖7中的管片姿態(tài)曲線，可以發(fā)現(xiàn)區(qū)間隧道在第220～300環(huán)范圍內(nèi)垂直及水平方向位移均呈現(xiàn)波浪形變化，這與盾構(gòu)實(shí)際操作存在較大關(guān)系。

圖7 右線隧道220～300環(huán)管片姿態(tài)曲線

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，隨著盾構(gòu)千斤頂總推力的豎向分力增加，隧道上浮趨勢(shì)增加[9]，且其分力大小受千斤頂總推力、盾構(gòu)掘進(jìn)線路設(shè)計(jì)坡度值以及盾構(gòu)機(jī)俯仰角的影響。

但千斤頂總推力要與地層相匹配，不可過(guò)度調(diào)節(jié)；而隧道線形在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)確定，亦不可改變其坡度值。綜上，可控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)在一定范圍內(nèi)改變以減小管片上浮趨勢(shì)。

當(dāng)前述控制措施均已采取但隧道仍發(fā)生較大上浮時(shí)，可通過(guò)將隧道實(shí)際掘進(jìn)軸線維持在設(shè)計(jì)軸線以下一定高度的措施以控制管片上浮。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從巖溶地層盾構(gòu)隧道施工期管片上浮問(wèn)題出發(fā)，結(jié)合實(shí)際工程，通過(guò)施工數(shù)據(jù)分析、理論驗(yàn)算以及現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢查等方法，總結(jié)其施工期管片上浮因素并提出相應(yīng)的控制措施，具體如下：

1）巖溶地層裂隙發(fā)育、地下水儲(chǔ)存豐富，具有承壓性的巖溶、裂隙水在盾構(gòu)開(kāi)挖擾動(dòng)下易產(chǎn)生滲透破壞并導(dǎo)致管片上浮，可通過(guò)對(duì)管片各部位定期開(kāi)孔放水以減少該影響。

2）同步注漿材料的配合比、注漿壓力及注漿量均會(huì)對(duì)管片上浮產(chǎn)生不同程度的影響。針對(duì)巖溶地層的裂隙及地下水問(wèn)題，應(yīng)選擇初凝時(shí)間短、早期強(qiáng)度高的硬性漿液，以保證上部注漿壓力略大于下部，從而達(dá)到抑制隧道上浮的目的。

3）為避免地下水對(duì)二次注漿效果的影響，其注漿材料應(yīng)選用瞬凝雙液漿，并采取定期有序壓注的方式；同時(shí)可采用局部注漿措施以實(shí)現(xiàn)環(huán)箍效果，從而控制隧道的整體上浮。

4）可通過(guò)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)或?qū)?shí)際掘進(jìn)軸線維持在設(shè)計(jì)軸線下一定高度，以控制管片上浮趨勢(shì)。