黃河沖積軟土地質盾構隧道上浮機理分析及控制技術

文｜中國中鐵六局集團有限公司 王迎新

前言

近年來在我國各大城市地鐵建設中，管片上浮問題日益突出。管片上浮受漿液、注漿壓力、工程地質、盾構姿態(tài)和線路走向等多種因素影響。本文從漿液產(chǎn)生的靜態(tài)浮力和動態(tài)浮力入手，分析浮力對管片的作用效果，認為在黃河沖積軟土地層引起管片上浮諸多因素中，漿液和注漿壓力是主要因素。為了從根本上解決管片上浮問題，結合工程實例，提出同步注漿系統(tǒng)改造、加速漿液凝固時間、減小注漿壓力等措施，達到縮短上浮力作用時間和減小上浮力的目的，從而有效控制管片上浮，為解決軟土地區(qū)盾構隧道管片上浮問題提供方法借鑒及建議。

1.工程概況

鄭州地鐵10 號線土建06 標位于鄭州西部，其中鄭商區(qū)間長度1577m。區(qū)間隧道縱坡設計為“V”字坡，最大縱坡24‰。盾構管片采用C50P12 預制鋼筋混凝土管片，管片外徑φ6200mm，環(huán)寬1.5m。通過對鄭商區(qū)間已拼裝成型的前200 環(huán)管片進行姿態(tài)復測，盡管復測管片姿態(tài)符合規(guī)范要求，上浮量控制在30mm 以內(nèi)的成型管片有44 環(huán)，占比22%；上浮量超過30mm的成型管片有156 環(huán)，占比78%。

本工程線路為山前沖洪積平原，區(qū)間隧道主要分布在⑧1 層粉質黏土、⑧3 層粉質黏土。在施工過程中上部土體不會在短時間發(fā)生沉降，機械設備的震動、漿液的自重會導致漿液向隧道下方流動，極易造成管片上浮。

2.管片上浮機理分析

管片在受到同步漿液、水浮力等共同產(chǎn)生的上浮力大于覆土和管片自重總和時，管片就會產(chǎn)生上浮，表現(xiàn)為管片在脫離盾尾的數(shù)環(huán)后出現(xiàn)上浮，引起管片錯臺。

2.1 盾構建筑間隙的形成

盾構施工中，隨著盾構的向前推進，因盾構機盾尾外徑與管片外徑之間的差值將會在管片背后產(chǎn)生空隙，這個空隙就是盾構建筑空隙。當管片脫離盾尾后，在外部土體與管片之間形成了建筑間隙?=D-d。根據(jù)地層硬巖和軟土區(qū)分，同步漿液填充建筑間隙可分為兩種形式。

（1）硬巖掘進建筑間隙形式

在地層較好的硬質地層掘進，因為地層完整性較好，同步漿液及時填充建筑間隙，包裹成環(huán)，不會產(chǎn)生管片上浮現(xiàn)象。這是一種較為理想的情況，只有在土質較好的硬質土中可能會出現(xiàn)。

（2）軟土掘進建筑間隙形式

盾構機在軟土中掘進，管片脫離盾尾后，在上覆土和管片自重以及側壓力作用下，管片周圍的全部或部分土體會馬上向管片靠攏，不能及時有效形成完整的漿液環(huán)。管片脫離盾尾后，在隧道軸線方向類似于兩頭固定的簡支梁，一頭受到盾尾的約束，另一頭受到已成型管片的約束。上部土體沉降填充了上部建筑間隙，漿液受到自重及擠壓填充下部建筑間隙，如下圖1所示。

2.2 漿液和注漿壓力的分布形式

（1）整環(huán)分布

在硬質地層中掘進，管片與盾尾脫離后，建筑間隙不會立即被周圍土體填充，從而形成整環(huán)均勻分布或者整環(huán)非均勻分布。這種情況不會產(chǎn)生上浮。

圖1 硬巖、軟土掘進建筑間隙形式

圖2 漿液均勻及扇形分布

（2）左上右上對稱分布

在軟弱地層中掘進，如砂層中，管片與盾尾脫離后，建筑間隙立即被周圍土體填充時，注漿漿液會在該填充土體中隨機性發(fā)生滲透擴散，這種不確定很難精確給出漿液荷載的分布形式。常規(guī)作法是假設雙孔注漿壓力對稱分布，均勻作用于管片左上和右上部。

（3）扇形分布

在松軟粘性土中掘進，上部間隙被土體填充，在管片環(huán)下部建筑空隙存在區(qū)域，漿液沿B1 塊、B2 塊流至底部建筑空隙。此時的漿液和注漿壓力假設在下部建筑間隙范圍內(nèi)均勻分布，形成扇形分布形式，具體作用范圍或角度受地質及施工影響。當下部漿液及注漿壓力形成的上浮力大于上覆土和管片自重時就會出現(xiàn)管片上浮現(xiàn)象。如圖2所示。

3.盾構管片抗浮計算

3.1 漿液形成的上浮力計算推導

本工程地質主要為粘性土，結合上述分析，漿液和注漿壓力呈扇形分布。因為漿液和注漿壓力在管片底部匯聚，因而形成較大的分布力，即所謂的上浮力。由于上浮力大于上覆土荷載和管片自重荷載之和時，導致區(qū)間隧道管片出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。

以扇環(huán)形注漿壓力分布為例，推導出漿液和注漿壓力形成的上浮力為：

注：P 為注漿壓力，θ 為注漿漿液分布夾角。以本工程為例，管片外徑6.2m，注漿壓力分別取0.2Mpa 和0.4Mpa，θ 分別取45°和90°。

3.2 工程實例管片上浮力計算

（1）計算模型

通過查閱相關資料，滿足抗浮要求的上覆土最小厚度計算公式如下：

上式參數(shù)說明：H-覆土厚度，RD-管片外徑，Rd-管片內(nèi)徑，γj-漿液重度，γC為混凝土重度，γ’-覆土的浮重度。

下面用式(2)替代式(1)中的上浮力，得到：

若覆土厚度一定，則用式(3)推得最大注漿壓力為：

式(3)，(4)中的θ 可取為45°或依據(jù)土質及注漿施工情況選取其他角度，若以最不利情況考慮，可取為90°。

（2）工程實例計算

以鄭商區(qū)間為例，前200 環(huán)平均埋深16.7m，采用表1中相關參數(shù)，按照已知注漿壓力或上覆土厚度可分為2 中計算情況。

①若注漿壓力確定，取0.4MPa，θ按照最不利情況取90°，把相關數(shù)據(jù)帶入式(3)中，計算得出最小覆土厚度H 為20.25m。如表1所示。

②同理，按照鄭商區(qū)間前200 環(huán)覆土16.7m 計算，代入式(4)可求得注漿壓力為0.33MPa。

4.管片上浮控制技術

通過分析可以得出，控制管片上浮要做到加速漿液凝固、縮短漿液作用時間。本工程盾構區(qū)間通過創(chuàng)新實踐，提出注漿系統(tǒng)改造方法和控制管片上浮技術。通過對同步注漿系統(tǒng)進行改造，使其能夠在注入同步漿液的同時注入相應配比的水玻璃，從而控制漿液的初凝時間來控制管片的上浮量。本方法和技術可操作性強，一次注漿即可解決管片上浮問題，避免了采取二次注漿控制管片上浮問題，提高掘進效率，節(jié)約成本，單環(huán)節(jié)約人工、材料約375 元，本區(qū)間合計節(jié)約79 萬元。

4.1 注漿系統(tǒng)改造方法

該設備改造系統(tǒng)包括盾構機同步注漿系統(tǒng)、盾構機原有注漿管路、水玻璃配置系統(tǒng)、水玻璃注入系統(tǒng)等，包括對原有注漿系統(tǒng)進行改造和水玻璃注入系統(tǒng)的接入等工作。具體方法為，在盾構機連接橋位置原有同步注漿軟管上安裝發(fā)生器，給水玻璃注入系統(tǒng)預留接駁口；然后將水玻璃注入系統(tǒng)連接到發(fā)生器上，其中水玻璃注入系統(tǒng)包括注入泵、氣動球閥、流量計、單向閥、壓力表和B 液（水玻璃混合液）混合器，水玻璃配置系統(tǒng)包括水罐、水玻璃原液罐、電動球閥、流量計和混合液箱及攪拌裝置。水玻璃配置系統(tǒng)和水玻璃注入系統(tǒng)均放置在連接橋線路走道板上。

表1 注漿壓力已定計算表

4.2 改造注漿系統(tǒng)控制管片上浮技術

水玻璃與水按照配比配置完成后，通過水玻璃注入系統(tǒng)注入A、B 液混合器后與同步注漿漿液混合，通過盾構機原有注漿管路注入管片壁后。水玻璃的注入加速同步漿液的凝固，能夠簡單、快速、有效地控制管片上浮量，保證區(qū)間隧道成型質量。

（1）關鍵操作。①本環(huán)推進至50cm（防止雙液漿回流堵塞注漿管路）時，開始啟動水玻璃注入系統(tǒng)，水玻璃通過改造后的盾構機左上、右上兩路注漿通道與同步漿液共同注入。②本環(huán)推進至130cm（有效沖洗管路內(nèi)殘留的雙液漿，防止盾尾抱死）時停止水玻璃注入，繼續(xù)注入同步漿液至設計方量。③水玻璃混合液注入期間通過觀察壓力表壓力，及時進行調(diào)整。④當管片脫出盾尾后，管片襯砌背后的漿液早已與水玻璃反應凝結硬化，使管片位置趨于穩(wěn)定，既及時控制了管片脫出盾尾后的上浮；注漿完成后，膨潤土注入系統(tǒng)向水玻璃注入系統(tǒng)中注入膨潤土，防止管路堵塞。

（2）相關參數(shù)

在選擇合適的同步注漿漿液配合比的同時增加水玻璃，注漿壓力控制在0.2～0.4Mpa，同步注漿量每環(huán)7 方、水玻璃40kg。配合比如表2所示：

（3）管路防堵塞措施

注漿系統(tǒng)改造裝置另有對注漿管路進行清理的裝置，預防盾尾注漿管路的堵塞。①嚴格控制水玻璃注入的開始時間及終止時間，且在管路上安裝有流量計及壓力表，用來觀察水玻璃注入量。②水玻璃注入系統(tǒng)配置有另外一根管路，用于在注漿工作完成后，向管路內(nèi)打入膨潤土，防止管路中殘留漿液與水玻璃反應，造成管路堵塞。

圖3 設備改造圖

5.實施效果

通過注漿系統(tǒng)改造和新技術應用，配合其他管片上浮控制措施，對鄭商區(qū)間粉質黏土層已施工完成的 231 環(huán)～300 環(huán)管片進行了全面檢查，管片上浮量控制在10mm 以內(nèi)的管片數(shù)量 65 環(huán)，上浮量控制在10～15mm 之間的成型管片 5 環(huán)，上浮量控制在 10mm 以內(nèi)的管片比例為 93%，黃河沖積軟土地質盾構施工管片上浮得到有效控制。

6.結論

本文以鄭州地鐵10號線鄭商區(qū)間為例，采用注漿漿液扇環(huán)分布模型，論證了黃河沖積軟土地質引起管片上浮的主要原因，并通過創(chuàng)新實踐提出一種控制管片上浮的有效措施，得出以下結論：

（1）管片上浮是由于軟土地層浮力大于隧道自重造成的，注漿漿液和注漿壓力共同作用是導致管片出現(xiàn)上浮現(xiàn)象的主要原因。

（2）最小上覆土厚度可根據(jù)式(3)計算得出，最大注漿壓力可根據(jù)式(4)計算得出，管片的抗浮能力與注漿壓力和上覆土厚度有密切關系。

（3）管片上浮可通過加速漿液凝固時間來有效控制。本文提出的控制管片上浮的注漿系統(tǒng)改造方法及技術，為今后類似工程提供借鑒。

表2 漿液配比及參數(shù)表