盾構(gòu)法空推施工管片上浮原因分析及控制措施

陳小衛(wèi) 詹洋 毛代紅 中國水利水電第七工程局有限公司

盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法。它是將盾構(gòu)機械在地中推進，通過盾構(gòu)機刀盤上安裝的雙刃滾刀、單刃滾刀、撕裂刀或軟巖刀等刀具對巖體進行切割、研磨使之破碎，以達到掘進的目的。當(dāng)巖石強度大于80MPa時，由于巖石強度過大，刀具磨損較快，且掘進速度緩慢，為滿足整體施工需求，一般考慮在較長段巖層大于80MPa時采用礦山法形成盾構(gòu)機空推通道，盾構(gòu)機采用空推過站的方式通過硬巖地段。

為確保盾構(gòu)機在空推段順利通過，礦山法隧道施工完成后在隧道底部施工一導(dǎo)向平臺。導(dǎo)臺支撐著盾構(gòu)機并為盾構(gòu)機前進起導(dǎo)向作用，盾構(gòu)機在導(dǎo)臺上空載推進并拼裝管片。導(dǎo)臺砼強度等級C30，厚150mm，導(dǎo)臺斷面圓弧與隧道中心夾角為60°，每延米導(dǎo)臺砼量為0.253m3。盾構(gòu)機空載推進依據(jù)刀盤與導(dǎo)向平臺間的關(guān)系，調(diào)整各組油缸的行程，使盾構(gòu)姿態(tài)沿設(shè)計方向推進。開始段推進速度控制在15～40mm/min，熟練后控制在60～85mm/min，總推力約300t，下部油缸壓力略大于上部油缸。曲線段，計算出盾構(gòu)機每進一環(huán)的偏轉(zhuǎn)角與鉸接油缸行程差和推進油缸行程差。盾構(gòu)推進前復(fù)核鉆爆隧道與盾構(gòu)機軸線誤差，并調(diào)整鉸接油缸、推進油缸，保證盾殼與鉆爆隧道間的間隙，確保盾構(gòu)按隧道設(shè)計軸線推進。管片安裝從隧道底部開始，先安裝標(biāo)準(zhǔn)塊，依次安裝相鄰塊，最后安裝封頂塊。封頂塊安裝時先徑向插入約6/7管片寬度，調(diào)整位置后緩慢縱向頂推。管片塊安裝到位后，及時伸出相應(yīng)位置的推進油缸頂緊管片，然后移開管片安裝機。由于礦山法隧道凈空直徑Ф6400，管片外徑Ф6000，管片與隧道初襯之間有20cm寬的環(huán)形空隙，在盾構(gòu)向前推進的同時噴射豆礫石充填，并同步注入水泥漿，使管片脫離盾尾時，由于豆礫石對管片的支撐，防止管片下沉產(chǎn)生錯臺，并增加盾構(gòu)向前推進的摩擦力。管片背后同步注漿，使管片與地層緊密接觸，提高支護效果。每環(huán)管片豆礫石充填量為5.84m3，采用5～10mm大小的花崗巖。充填豆粒石主要施工方法如下：采用砼噴射機吹豆礫石，噴射機布置在盾構(gòu)刀盤前方約15米處，附近堆放豆礫石，豆礫石通過豎井葫蘆吊垂直運輸和洞內(nèi)汽車水平運輸?shù)絿娚涞攸c，壓縮空氣從豎井外壓縮機通過管道提供，盾構(gòu)往前推進2～3環(huán)，吹填豆礫石2～3環(huán)，吹填前先將盾構(gòu)刀盤與隧道初支的空隙處用袋裝礫石封堵，防止吹填時豆礫石和漿液流出。按照從里到外、從下到上的吹填方法把盾體外的空隙填滿，噴管操作人員站在焊接在刀盤上的施工平臺上；同步注漿采用水泥膨潤土混合漿，配比為水泥：粉煤灰：膨潤土：水=1：3：5：6.75，注漿壓力現(xiàn)場靈活控制，以將豆礫石填充飽滿、密實為原則。水泥漿初凝控制在8h、終凝控制在12h左右。施工時根據(jù)漿液的流動情況，適當(dāng)調(diào)整漿液水灰比以及膠凝時間。管片頂部豆礫石往往很難一次注漿充填密實，留有少量空洞，當(dāng)管片脫出盾尾等第一次注漿凝固后，每隔2環(huán)打穿拱腰以上管片吊裝孔，檢查第一次注漿效果，必要時采用二次注漿補強。注漿材料采用水泥膨潤土混合漿或（水玻璃+水泥砂漿）雙液漿。雙液漿配合比：水：水泥：水玻璃=1：1：1，水玻璃根據(jù)需要凝固時間進行調(diào)整，在管片縫隙漏水情況下使用雙液漿。

以中鐵裝備190土壓平衡盾構(gòu)機為例，盾構(gòu)機刀盤開挖直徑為6280mm，為確保盾構(gòu)機通過，礦山法段開挖凈空直徑為6400mm，盾體直徑6250mm，盾構(gòu)管片外徑為6000mm。由于受隧道內(nèi)空間限制，豆粒石自然堆砌時，一般僅堆砌半洞，盾構(gòu)空推通過時利用噴射機在刀盤前端向前方向上半洞盾體及隧道周圍空隙內(nèi)噴射豆礫石，當(dāng)采用同步漿液對盾構(gòu)機周圍豆粒石進行充填時，由于管片直徑較盾體直徑小約25cm，且管片和盾構(gòu)機同軸，導(dǎo)致盾構(gòu)機周圍雖在豆粒石充填時已密實，但當(dāng)拖出盾尾后管片上部豆粒石填充不密實，由于前端沒有掌子面，為減少漿液流動至刀盤前端豆粒石范圍，故一般注漿壓力較小，且同步注漿量較小，且水泥漿初凝時間約8小時，時間較長，注漿后隨重力作用下多數(shù)分布于管片下半部分，且極易隨管片周圍滲水同步流失，且二次注漿時，因受設(shè)備注漿管位置限制，同時考慮管片滲水情況，當(dāng)采用雙液漿時由于凝結(jié)時間較短，一般僅在注漿管周圍漿液較豐富，由于漿液無法在60秒內(nèi)將管片周邊填充密實，導(dǎo)致管片頂端存在較大空腔，而管片設(shè)計自重約13t，經(jīng)計算，封閉管片單環(huán)在地下水中浮力約42t，大于管片自重，故在盾構(gòu)隧道成型后，地下水重新充填隧道周圍空腔時必然導(dǎo)致管片上浮，而由于隧道頂部的空腔存在無法保證隧道線型質(zhì)量，故礦山法空推隧道的抗上浮問題亟待解決。

常規(guī)隧道抗上浮措施：每天跟蹤測量管片姿態(tài)，及時反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析管片姿態(tài)每日變化趨勢，研究管片是否存在上浮，以及上浮速度及上浮量。防止管片上浮主要是在回填和注漿期間，要嚴(yán)格按照前述施工方法、步驟進行回填和注漿施工。加強管片注漿管理，保證管片上部及圓曲線外側(cè)的管片空隙也被漿液填充密實。一旦出現(xiàn)管片上浮，可在管片上浮或側(cè)移處，通過打穿吊裝孔，打入注漿管進行二次補充注漿，漿液可選擇使用雙液漿使其凝固速度加快，迅速填充管片背后上部間隙，阻止管片上浮或側(cè)移。根據(jù)現(xiàn)場實際操作反饋，上述措施人員投入較大，每日測量人員進行管片姿態(tài)測量時同盾構(gòu)掘進施工存在一定的交叉作業(yè)，安全風(fēng)險較大，降低施工工效。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時，地下水在管片拼裝過程中迅速充填管片周圍，當(dāng)發(fā)現(xiàn)管片上浮時，再通過管片周圍注漿，在漿液凝結(jié)前，管片仍受到周圍地下水的持續(xù)浮力，故無法立即控制管片的上浮，從新開孔、注漿此段時間管片仍存在上浮，若未迅速處置，極易導(dǎo)致管片上浮過大，不滿足盾構(gòu)施工規(guī)范對洞軸線的允許偏差值要求。

為確保盾構(gòu)空推施工質(zhì)量，避免管片注漿不密實導(dǎo)致的管片后期上浮較大，影響盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量，經(jīng)現(xiàn)場實際使用，目前對盾構(gòu)空推過站注漿工藝進行了優(yōu)化，具體施工措施及操作流程如下：

盾構(gòu)空推管片周圍空腔形成原因主要為盾構(gòu)機與管片之間的直徑差異，盾構(gòu)機過空推段時，在盾構(gòu)機進入空推導(dǎo)臺前，立即對盾構(gòu)機周圍刮刀進行了拆除，拆除后，以中鐵裝備為例，盾體直徑為6250mm，由于盾構(gòu)管片必須在盾體內(nèi)拼裝，豆粒石充填在礦山法隧道內(nèi)盾構(gòu)機盾體前端，當(dāng)盾構(gòu)機通過管片提供反作用力前進的過程中刀盤前端6250范圍內(nèi)豆粒石已全部推離隧道，而管片直徑為6000mm，盾構(gòu)機在空推導(dǎo)臺上滑行過程中，管片受盾構(gòu)機尾盾及后部注漿固結(jié)段管片通過螺栓連接束縛，導(dǎo)致新拖出盾尾的管片無法直接接觸導(dǎo)臺，此時周圍充填的豆粒石在重力作用下自由下落至管片兩側(cè)部分間隙，同時管片周圍迅速充填大量地下水，具體分析詳見《關(guān)于盾構(gòu)法施工滲水通道成因猜想及初步驗證》（注漿水運.2020年5月下）正文論述，此時同步注漿漿液無法充填管片正下方區(qū)域，且極易沿滲水通道流失或滲入周圍隧道土體中。為確保盾構(gòu)施工質(zhì)量，在常規(guī)拼裝中加強螺栓連接控制外，創(chuàng)新采取了如下方式：1）同步注漿時直接采用雙液注漿，漿液凝結(jié)時間在60s以內(nèi)，由于漿液凝結(jié)時間較短，故此時漿液流失較少，同時在盾構(gòu)空推時同時對隧道內(nèi)進行抽水，確保管片底部無積水，此時注漿可根據(jù)管片同周圍礦山法間隙算出充填量，此時僅通過下部兩個注漿孔進行注漿，注漿僅需保證管片下半部同隧道周圍及底部導(dǎo)臺之間的間隙被同步漿液充填密實相互接觸避免管片下沉；2）在隧道頂部1點、11點、12點三處提前固定三個不透水土工布加工的水帶，水帶充填后直徑必須大于管片及礦山法之間的間隙并耐受壓力一定的壓力（僅用于終漿控制），當(dāng)下半部進行同步注漿后，每3環(huán)-5環(huán)在預(yù)埋的土工袋內(nèi)充填雙液漿，利用漿液迅速充填管片頂部及管片周圍礦山法段空間間隙，確保管片后期不上浮；3）漿液凝結(jié)后，再利用二次注漿對管片周圍進行充填，進一步加強管片同周圍礦山法段進一步可靠充填。通過上述措施有效避免了直接注漿過程中的管片上浮現(xiàn)象，同時可以在二次注漿時加大注漿壓力，確保管片周圍漿液的充填質(zhì)量，進一步確保了空推斷管片拼裝線型及質(zhì)量。

結(jié)語

由于目前礦山法隧道無統(tǒng)一的抗上浮措施，僅通過注漿機過程測量監(jiān)控控制，人員投入數(shù)量較大，發(fā)現(xiàn)上浮后，需進一步打孔注漿并利用鋼筋強制束縛管片，為被動措施，時間長，效果較差，必要時需配合打孔泄水或堆載的措施，投入大，交叉影響大。通過上述頂部預(yù)充填的方式不僅有效的控制管片上浮，且土工袋投入小，有效的控制了施工質(zhì)量，降低了施工成本。本文描述的施工措施可能存在一定的不足之處，希望在后續(xù)過程中相互學(xué)習(xí)溝通。