海域軟土地層超大直徑泥水盾構管片上浮控制技術研究

段榮剛

（中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司，河南洛陽 471002）

0 引言

目前，中國已成為盾構法隧道的建設大國，超大直徑盾構隧道施工技術越來越廣泛地應用于我國公路、鐵路、城市軌道交通等建設領域。隨著城市化進程的發展及交通需求的迅猛增長，在隧道工程中選擇超大型盾構法已成為一種必然趨勢。隧道斷面形式的日趨多元化，可以滿足單層3 車道、雙層4/6 車道或公路軌道交通疊層的要求，可進一步推動該工程技術的發展，逐步實現大深度和大斷面以及長距離的趨勢[1]。珠海橫琴島屬于軟土地質，地下廣泛分布著軟黏土沉積層，具有地層適應性問題，超大直徑盾構機在該地層中掘進時將面臨地面沉降、刀盤結泥餅、管片上浮等一系列難題。

1 工程概況

橫琴杧洲隧道工程位于橫琴一體化區域，隧道穿越馬騮洲水道，北岸接洪灣片區，南岸接橫琴島。主體為雙管單層雙向六車道盾構隧道。盾構隧道投入一臺開挖直徑15.01m 泥水平衡盾構機，左線盾構段長944.98m，右線盾構段長978.311m。盾構隧道管片設計通用環管片，外徑14.5m，內徑13.3m，環寬2m，厚0.6m。管片采用10 分塊，1 封頂塊+2 鄰結塊+7 標準塊。中間箱涵分為A 型、B 型兩種箱涵型式，每節中間箱涵寬5m，高4.52m，長2m，B 型中間箱涵側墻預留1000×2100mm 門洞作為疏散和檢修門洞。

盾構主要穿越淤泥、黏土、粉質黏土，局部涉及碎石質粉質黏土、全風化砂巖、強風化砂巖（入隧道約3m 左右）。導致地表塌陷地質災害的主要是一些特殊的巖土，如填土和軟土。場地內填土成分混雜，厚度、均勻性和密實度差異大，附加荷載作用下易誘發差異沉降；南岸填筑時間不長，填土厚度較大，沉降穩定時間較長，尤其是軟黏土厚度較大區域。軟土為淤泥，呈流塑狀，分布連續，具有孔隙比大、強度低和壓縮性高等不良工程特性，軟土受到外加載荷和地震的影響，會發生觸變或震陷一類的變形，進而引起地質災害，如地表塌陷等，導致路面變形破壞。

2 管片上浮情況

該項目盾構區間掘進至30 環時，測量人員對已成型隧道管片進行軸線偏差測量，數據顯示，管片水平偏差最大的是第16 環，偏差為-52mm，垂直偏差最大的是第20 環，上浮203.6mm（見圖1），根據《盾構法隧道施工及驗收規范》（GB 50446—2017），隧道軸線平面位置和高程允許偏差為±150m，垂直偏差已超出規范要求。同時，管片出現錯臺以及裂縫滲水，裂縫主要集中在管片環向腰部以上，頂部居多，且多為貫穿性裂縫（見圖2）。

圖1 0-25 環隧道軸線偏差值折線圖

圖2 管片開裂及滲水現場圖

3 管片上浮原因分析

3.1 地下水

珠海地區地層含水量豐富，且盾構隧道正好位于區間線路的下坡地段，在下坡段的掘進施工中，由于自身存在向低處流淌的特性，地下水大量匯集于盾構機作業位置。

3.2 反向推力

盾構機在下坡區實施掘進的過程中油缸會產生“斜后方向上”的推力，這種推力按照力學原理會得到分解并形成兩種分力，即橫向和縱向分力。管片會向上移動是受到了垂直分割力的影響，并最終沿高程方向浮動，即上浮現象。

3.3 同步注漿的作用

同步注漿的基本原理是隧道與盾體之間的間隙在實施注漿后被填充，管片與周邊土壤形成了穩固的復合結構整體，進而共同抵御外界的沖擊[2]。理論上，必須完全地填充管片背面間隙。但一般情況下，泥漿往往是失水固結，在盾構推進過程中，由于殼體與土壤的關系，使得開挖斷面比盾構的直徑大，同時會有一些漿液向周邊地層中劈開，致使實際注漿比理論注漿量多，而且這個數值很難把握，容易出現不飽和現象；另外一個主要原因是，惰性漿液是我國目前同步注漿的普遍選擇，這種漿液初凝時間長，地下水很容易將其稀釋。所以，在某種程度上，泥漿強度低不僅無法對管片產生限制，反而會產生上浮力。

3.4 掘進速度

盾構推進速度如果過快，會導致盾構通過區域的地層不穩定，注漿漿液不能及時凝結，使管片上浮的危險性提高。

4 應對措施及處理技術

分析了管片上浮和位移的原因后，應根據不同的上浮機理制定相應的處理辦法。但如前文所述，很多時候管片上浮是各種原因共同作用的結果，因此針對每一項問題制定出解決辦法后，還應采取綜合利用的手段，如此才能確保達到最佳的處理效果。

4.1 同步注漿

同步注漿要合理選擇注漿孔位及注漿參數[3]。根據以往盾構施工所獲經驗，為降低管片上浮率，可以選擇提升注漿壓力和注漿量。注漿時，只注上、中部注漿孔，位于下部的兩孔可以不注漿。2∶1 或2∶0 的注漿方式（上部∶中部）是整環管片的最佳注漿模式。一般情況下，同步注漿壓力為土倉的1.1～1.2 倍。漿液性能指標必須滿足如下條件：第一，3～5 小時必須初凝，4～12 小時必須終凝；第二，24 小時固結體的抗壓性一般不應小于0.3MPa，28 天固結體的抗壓性不應小于2.5MPa；第三，固結率大于95%，固結收縮率小于5%；第四，漿液在地下水壓力作用下的防水稀釋性能較好；第五，漿液靜止后無沉淀、離析現象。

注漿速度對漿液的滲透和固結有直接影響，從而對管片上浮有較大影響。應根據盾構的推進速度確定注漿速度，注漿速度要匹配盾構推進速度，同時確保同步注漿量充足。理論上，同步注漿量為將盾尾建筑空隙填滿，但一些因素必須考慮到，如盾構推進過程中的糾偏、漿液滲透（與地質條件有關）以及注漿材料固結收縮等。根據該盾構區間段的地質及管片上浮情況，注漿量通常是理論注漿量的1.2～1.5 倍（現場同步注漿量統計見圖3）。

圖3 現場同步注漿量統計

注漿量計算：

式（1）中：λ 為注漿率（一般取120%～150%）；V 為盾構施工引起的空隙，m3。

式（2）中：D 為盾構切削外徑，m，（削切外徑15.01m）；d 為預制管片外徑，m，（預制管片外徑14.5m）；L 為回填注漿段長，即預制管片每環長度（預制管片每環寬2m）。

根據式（1）、式（2）計算：

Q =(15.012 - 14.52)/4×π×2×(120%～150%)=28.35～35.45m3

即注漿量為28.35～35.45m3/環（2m）。

4.2 二次注漿

當發現管片上浮量較大時，必須立即對成型的隧道管片采取補壓漿措施，以防止泥水流失。在同步注漿的基礎上，每隔5 環進行二次注漿，使隧道縱向形成間斷的止水隔離帶，以減緩、制約管片上浮，從而控制管片上浮。二次注漿量的控制根據注漿壓力和管片變形確定，一般為2～3m3，注漿壓力為3.5～6.5bar，二次注漿位置距離盾尾不小于5 環。二次注漿采用水泥水玻璃雙液漿，初凝時間為25s。

4.3 控制盾構機姿態

在盾構機掘進過程中，由于蛇形運動和下坡推進過度，會導致頻繁糾偏，糾偏過程中管片環面受力不均勻[4]。因此，在掘進過程中需要有效控制盾構機的姿態，使其最大限度地沿隧道軸線做蛇形移動，在掘進過程中，當檢測到偏差時，應逐步修正，以避免管片環面因人為原因出現受力不均衡現象。同時對各區域千斤頂油壓進行合理調整，使油壓差保持在合理水平，與盾構中心線相對稱區域的千斤頂油壓差不超過5MPa，其伸出長度差不超過12cm。在掘進時，預留一定的上浮量，適當降低盾構機的垂直姿態，將盾構機中端的垂直姿態控制在0mm 以下（見圖4）。

圖4 盾構姿態示意圖

4.4 控制掘進速度

當同步注入漿液時，如果漿液對管片不能發揮快速有效的固結和穩定作用，則應適當控制盾構掘進速度，通常采用緩慢推進的方式，推進速度不得超過30mm/min，確保管片脫離盾尾時形成的空間量與注漿量之間的平衡，并盡量避免地下水稀釋注入的漿液，使漿液性能降低。

5 效果檢查

在盾構掘進過程中采取上述技術措施，管片上浮量得到了一定的控制，圖5 為76～90 環管片軸線偏差折線圖，從圖中可以看出管片上浮量最大為44.8mm。

圖5 76～90 環隧道軸線偏差值折線圖

6 結語

通過研究該工程的管片上浮現象，發現隧道管片上浮與多種因素密切相關，包括水文地質、盾構掘進參數和同步注漿量等。因此，采取調整漿液的配比和注漿量、合理設定掘進參數、盾構機垂直姿態降低，以及在上浮現象發生后及時二次注漿，可有效控制管片上浮，為后續盾構區間的施工質量提供保障，且能為其他施工單位在類似地質條件下實施大直徑盾構施工提供一些參考。