土壓盾構施工過程中管片上浮控制技術探討

韓 學 志

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100124）

1 工程概況及水文地質

1.1 工程概況

成都地鐵5 號線土建10 標元華車輛段出入段線盾構區間由南、北出入段線構成，單線總里程3 218 m。區間隧道平面總體呈S 形，縱斷面總體走向呈V 形。隧道最大覆土厚度19.2 m，最小覆土厚度5.7 m。隧道水平曲線最小轉彎半徑350 m，最大縱坡為32‰。

盾構管片采用C50 P12 混凝土預制。管片外徑6 000 mm，內徑5 400 mm，環寬1 500 mm，1 200 mm，管片厚度300 mm。每環由6 塊管片組成，其中1 塊封頂塊、2 塊臨接塊、3 塊標準塊。本隧道采用左、右轉彎楔形環與標準環相互組合的方式來完成不同轉彎半徑的曲線擬合需求。所有楔形環均為雙面楔形，楔形量38 mm。

襯砌環拼裝方式采用錯縫拼裝，封頂塊偏離正上方±54 °和±18 °，襯砌環連接采用M27 彎螺栓，環縫10 根，縱縫12 根。環縫及縱縫間防水材料采用三元乙丙彈性密封墊，管片間采用丁腈橡膠軟木襯墊緩沖。圖1 為襯砌管環連接示意圖。

本隧道使用1 臺海瑞克盾構機開挖，盾構機刀盤直徑6 290 mm，盾尾標準間隙設定為30 mm，盾尾采用被動鉸接形式，盾尾四周共設置8 路同步注漿管（4 用4 備）。

1.2 水文地質

本區間隧道除始發和接收段位于單一砂卵石地層，最低點前后共200 m 位于單一的中風化泥巖地層外，其余區段全部走行于上部為松散卵石，下部為強風化和中風化泥巖的復合地層。隧道埋深在5.7 m～19.2 m 不等。

區間隧道內地下水豐富，上部主要來自于地層潛水和地表降水，與錦城湖的湖水連通。下部主要來自于泥巖裂隙水，經探查在巖層較破碎的區段有水壓較高的局部富水段。

2 管片上浮監測情況分析

通過觀察統計，管片上浮主要有以下幾個規律。

1）管片上浮從脫出盾尾那一刻開始（嚴重時管片在盾尾內就已開始上?。?4 h 內完成上浮位移的80%，72 h 后管片達到基本穩定的狀態。

2）管片上浮位移在離開盾尾約1 個盾構機長度（6 m～9 m）的位置達到最高值。

3）管片最終上浮位移基本與理論建筑間隙持平，即管片實際最終上浮到了開挖隧洞的最頂部，已無上浮通道。

3 管片上浮影響因素分析

3.1 施工中管片受力分析

推進過程中管片所受到的上升力可按下式計算：

式（1）中：F浮為管片在地層中受到的浮力，kN，主要由地下水（F水）和未固化的砂漿（F砂漿）提供，取其中最大值；P升為推進過程中受隧道坡度、管環楔形及盾構機姿態的影響，盾構機的推力并不完全垂直于管環截面，而是與管環截面呈一定角度，推進過程中產生的上升分力，kN；G管為管環自身重力，kN；F負為管片外部負載產生的重力，一般是指管環內及管環上部壓覆在管片上的負載產生的重力，kN。在自立性好的地層，管環外側上部為開挖空隙無負載，因此一般取內部負載的重力值，此處取1 塊管片的重力，約32 kN；F其他為由螺栓緊固產生的管環之間的摩擦力和牽引力，kN。

3.1.1 管片在地層中受到的浮力

管片平均密度：ρ=2.4 t/m3。

管片環體積：V=8.05 m3。

管片產生的重力：G=193.2 kN。

管片在地層中受到的浮力：F水=423.9 kN；F砂漿=678.2 kN；F浮1=230.7 kN；F浮2=485.0 kN。

故單環管片在地層中受到上升力F浮1，F浮2取最大值：F升=485.0 kN。

由上述計算可看出在全泥巖地層，由于成洞效果好，在砂漿未凝固期間內管片受到接近2.5 倍自身重量的上升力。

假設該上升力均勻在管環上半圓的圓周周面上，則抵消該上升力，砂漿必須在管片脫出盾尾后達到P≈0.034 MPa。

由此計算看出必須縮短同步砂漿的初凝時間，而且要保證砂漿的初凝強度。

實際施工中，1 個掘進循環一般只有60 min～120 min，為保證砂漿的流塑性一般控制砂漿的初凝時間在6 h～8 h。因此在砂漿初凝前盾構機已經完成3 環～4 環進尺，此時脫出盾尾的管環全部浸潤在未初凝的砂漿中，累加后的上浮力大大增加，此時極易造成管片整體上浮、錯臺、破碎等現象，因此必須采取措施縮短漿液的初凝時間。

3.1.2 推進分力

盾構機在上下坡時千斤頂油缸對管片施加一個向上的分力P升，這里使用管片上浮量最大區段的坡度32‰，計算得：P升≈287.85 kN。

此處取在泥巖地層推進過程中的平均推力P=9 000 kN，則在推進過程中管片在脫出盾尾后受到的升力F：

管片在推進過程中所受的向上的升力是管片自重的2.7 倍，在砂漿未凝固的情況下該升力急劇上升至管片自重的4 倍。

3.2 管片上浮原因總結

成型管片上浮為普遍現象，同時也是隧道工程建設領域的重點處理對象[1]，通過對實際情況的分析，探明引發管片上浮現象的主要原因，具體作如下分析。

1）地下水土壓力偏大，所設置的管片不具備完全抵抗水土浮力的能力，由于受力狀態失衡，導致管片上浮。

2）同步注漿施工期間漿液用量不足，部分建筑空隙難以得到填充，導致管片上浮。

3）同步注漿的工藝控制不合理，由于漿液初凝時間過長，難以快速硬結而導致管片上浮。

4）地層偏弱，盾構機推力較低，難以在管片間形成足夠的約束力，導致管片上浮。

5）盾構機推進過程中未調整好盾構機千斤頂推力截面，與隧道截面形成交角，正常推力給管片一個上升的分力，加劇了管片的上浮。

4 管片上浮控制基本措施

4.1 改良漿液，提高注漿壓力，增加注漿量

1）縮短初凝時間。在制備漿液時可適當增加水泥的用量，使漿液初凝時間縮短至4 h。

2）增加漿液的稠度。可根據漿液的配制情況選擇合適的增稠劑，保證砂漿的凝聚效果，提高其抗沖刷能力。

工程實踐中，具體應從如下方面切入：①添加適量增稠劑和水泥用量，將漿液的初凝時間控制在4 h 以內；②加強對盾構機運行期間垂直姿態的控制；③加強二次注漿，保證結構空隙得到有效充填，水灰比=1∶1，水泥漿：水玻璃混合液=2∶1，靜止狀態下初凝時間25 s～30 s。表1 為增稠型同步砂漿漿液配比表。

表1 增稠型同步砂漿漿液配比表 kg/m3

需注意的是：一般在漿液車上調制漿液，調制完成后第一時間將漿液抽取到臺車漿液罐里進行注漿，縮短漿液停滯時間。同時在添加增稠劑和水泥時一定要均勻撒開，否則會造成結塊、結團現象，易堵塞抽漿泵或抽漿管。

3）提高注漿壓力。將原來2.1 bar～2.3 bar 的注漿壓力，提高至4.0 bar～5.5 bar，使漿液擴散得更遠。增稠后漿液的流動性、擴散性變差，因此要相應提高注漿壓力設定值，確保漿液的擴散范圍。

4）增加注漿量。注漿量由原來的6 m3增加到7.5 m3，由于漿液在運輸、轉移和注入地層的過程中均有不同程度的損失，因此增加漿液拌制量以保證充填飽滿。

5）均勻注漿。由原來的只使用上部2 根注漿管，改為4 根注漿管同時使用。保證漿液注入的速度和掘進速度相匹配，同時縮短上部漿液充填建筑空隙的時間。

4.2 及時跟蹤雙液注漿

為控制管片上浮，在實際施工中雙液注漿頻率逐步由5 環1 注提高至3 環1 注、2 環1 注、直至每環1 注。雙液注漿的點位一般控制在2 點～11 點間，每環的注漿量則控制在0.3 m3～0.5 m3，雙液注漿比例按1∶1 配置，初凝時間基本控制在30 s，在上浮量較大的區段，縮短初凝時間到10 s～15 s。

為了控制管片上浮，本工程曾一度將雙液注漿點選在了管片出盾尾的第1 環，效果較明顯。但是在抵近盾尾使用雙液漿時，需注意注漿時機，建議在推進的過程中注雙液漿，可以避免盾尾被漿液包裹。實踐證明，使用雙液漿補充注漿可以有效解決管片上浮問題，建議后續施工中主動使用雙液注漿對管片壁后進行補充注漿，降低管片的上浮幾率。

4.3 其他措施

1）調低垂直控制姿態。根據本區間經驗，在措施做得足夠好的情況下管片仍然普遍存在均勻的上浮現象，隧道整體上浮的幅度基本維持在30 mm～40 mm。因此在實際施工過程中，可以將導向系統的垂直控制點向下壓40 mm，以抵消隧道整體上浮的位移量。

2）螺栓復緊。在地質條件復雜、管片上浮嚴重的區段必須嚴格控制螺栓復緊頻次，嚴格按照要求復緊3 次以上。同時由于復緊頻次增加，人工復緊質量不能保證，建議使用專用快速工具復緊，以防出現人工復緊不到位的現象。

3）槽鋼拉錨。為增強管片的抗浮能力，將盾尾后部1 環～2 環管片使用［100 的槽鋼與盾尾內的管片連接起來，使盾尾前后的幾環管片成為一個整體，提高此區域管片的抗浮能力[2]。一般拉2 道即可，壓力較大的地層可以增加到3 道。

4）嚴格把控施工進尺。正常工況下，單日進尺量可達到1 個盾構機長度或更長，期間管片上浮的發生概率相對較大，若缺乏有效的控制措施則容易出現盾構機抬頭困難等異常狀況[3]。受此影響，盾構機上、下兩部分的盾尾間隙處于動態化的變化狀態，加大了誤差的控制難度。

5）調整盾構機工作姿態。盾構機的反推力將作用于管片處，隨即形成方向向上的分力，在其影響下管片存在上浮現象。對此，操作人員應合理控制盾構機，保證其推力與管片截面形成相垂直的關系，盡可能削弱向上的分力。若盾構機的推力偏小易導致管片間的應力快速釋放，管片間的約束力被削弱，發生更為明顯的管片上浮現象。

6）加大荷載。處理區域為盾尾與1#臺車之間，可向其中增加荷載，例如采取堆載管片的方式，以維持管片的穩定性，從而達到抑制管片上浮的效果。

7）放水降壓。施工期間存在難以有效注入漿液的情況，經檢查后發現隧道具有高度的密封性且壓力較大。對此，通過開孔的方式卸壓，在釋放承壓水后即可恢復正常注漿施工狀態。

8）開孔檢查。隧洞成型效果與地質條件具有緊密關聯，需根據實際地質情況針對性檢查壁后注漿效果，分析漿液的注入情況。若局部漿液不飽滿應探明具體原因，采取相適應的處理措施，保證縫隙內漿液的飽滿度，力爭在源頭上處理好問題，以免因后續出現大范圍質量問題而返工。

4.4 管片上浮防治效果

1）管片垂直姿態和管片上浮位移部分觀測數據顯示，使用增稠漿液后管片垂直姿態最終平均值為-26.2 mm，管片上浮位移平均值為16.6 mm，管片最終垂直姿態偏差為-9.6 mm，在設計允許偏差范圍內。

2）控制效果。在嚴格執行同步注入增稠漿液和雙液漿的情況下，管片上浮得到了有效控制，24 h前后測量差值約穩定在30 mm，基本解決了管片上浮的問題。

5 結論與建議

在本工程隧道施工過程中，針對成都富水泥巖、砂卵石復合地層容易發生管片上浮現象，通過采用改良砂漿稠度、加大注漿量、及時補充雙液漿、調整盾構機姿態等措施，有效填充壁后空洞，保證管片拼裝穩定性，達到控制盾構管片上浮的目的，充分發揮出管片在隧道工程中的作用。按照本文所提的內容有序組織施工，本工程最終取得了良好的效果，可為今后類似工程提供借鑒。