盾構隧道管片上浮機理分析及控制研究

張東曉,李 朝,呂大桅,孫成博,徐杏華

(1.中鐵三局集團第四工程有限公司,北京 102300； 2.長春市軌道交通集團有限公司,長春 130012； 3.孝感學院城市建設學院,湖北孝感 432000)

近年來,在我國城市地鐵建設中常常會遇到盾構隧道襯砌管片的上浮問題(管片錯臺(圖1)、裂縫、破損,隧道軸線偏移等),襯砌管片的上浮會直接導致拼裝困難和防水隱患等工程質量問題[1,2],因此有必要對管片上浮的原因進行深入全面的研究,并找出解決這一問題的對策與措施。以北京地鐵10號線二期石榴莊到大紅門盾構隧道區(qū)間工程為背景,對盾構掘進過程中管片產生的上浮現(xiàn)象、原因及施工對策進行了分析研究,并從多方面提出了針對性措施,為制定控制管片上浮的措施提供參考和依據。

圖1 管片上浮實例

1 工程概況及地質條件分析

1.1 工程概況

北京地鐵10號線是北京軌道交通線網中的第二條環(huán)線,是北京市三環(huán)路、四環(huán)路之間的直達快速軌道交通線,作為軌道交通線網中的骨架線路,地鐵10號線共與16條軌道交通線路銜接,共有24個換乘節(jié)點。地鐵10號線二期工程的建設將極大改善北京市南部、西部的交通狀況,有效緩解中心區(qū)及沿線路面交通壓力。北京地鐵10號線二期工程石榴莊路到大紅門區(qū)間隧道,與石榴莊路永中基本平行,呈東西向布置,區(qū)間起訖里程K32+214.251～K33+293.13,全長1 075.865 m,含長鏈0.014 m,覆土厚度11.5～23.8 m,線間距15 m。

1.2 工程及水文地質條件分析

石榴莊路到大紅門區(qū)間隧道自東向西布置,區(qū)間隧道穿過地層主要為：卵石、圓礫③層、粉質黏土、重粉質黏土③1層、細中砂③2層、卵石④層和粘質粉土、粉質黏土④1層、細中砂④2層。沿線穿越涼水河(石～大區(qū)間段),涼水河水位較深,其流域多淤泥質土層質。

施工區(qū)域的水文條件,根據探測結果,可分3層：第1層水位埋深6.19～12.30 m,水位高程22.52～26.70 m,為潛水；第2層水位埋深6.00～22.10 m,水位高程12.10～13.51 m,為潛水；第3層水位埋深24.00～32.70 m,水位高程4.98～10.21 m,為略具承壓性的潛水。第3層水埋深較深,對工程基本沒有影響,工程主要受前兩層潛水的影響。

2 盾構隧道管片上浮位移觀測及分析

圖2 管片隨時間的上浮曲線

由于石榴莊路到大紅門區(qū)間隧道地質情況變化較大,在掘進試驗段期間,一直對管片中心高程上浮情況進行監(jiān)測,監(jiān)測發(fā)現(xiàn)第46～55環(huán)管片上浮及錯臺較為嚴重,有的上浮超過了100 mm,部分管片還出現(xiàn)了滲水情況,并引起了襯砌結構侵入建筑限界[3,4]。通過對第46～55環(huán)管片中心高程上浮位移值進行統(tǒng)計,繪制了管片拼裝后不同時間的中心高程上浮位移變化曲線。圖2顯示了第46～55環(huán)管片脫出盾尾后的上浮變化規(guī)律。從圖中可以看出,雖然不同管片的上浮速率以及最后的上浮量不同,但是相同的是管片在脫出盾尾的初期上浮增長迅速,而且在拼裝24 h后就幾乎完成了最終上浮量的一半左右。這是因為在管片脫出盾尾初期,壁后的注漿漿液處于粘阻力相對較小的流體狀態(tài),而且管片下部土體因卸荷回彈,對管片的上浮有明顯作用。管片在脫出盾尾約48 h后,管片上浮的各種因素作用減弱,上浮趨于停止。圖3顯示了第46～55環(huán)管片分別在拼裝后24 h,48 h,48 h后的上浮情況。從圖中可以看出,拼后72 h相對于拼后48 h的上浮值并沒有較大幅度的增加,說明管片上浮在拼后48 h后趨于停止。

圖3 管片拼裝上浮曲線

3 盾構隧道管片上浮產生的原因

盾構機的切削刀盤直徑與隧道襯砌管片外徑的差值,以及盾構掘進過程中產生的超挖,使得管片與地層間存在一個環(huán)形盾尾間隙[5],這是造成隧道襯砌管片產生位移的一個外部條件。如果此間隙不能及時被同步注漿所封閉,或者是由于注漿工藝和注漿漿液質量使得漿液的初凝時間較長,漿液在很長一段時間內是未達初凝的流體,這樣就使得管片脫離盾尾之后受到周圍地下水、注漿漿液、泥漿等包裹管片所產生的上浮力,如果管片所受的上浮力大于自身重力就會產生上浮,這是上浮的內在原因。另外，由于隧道上覆土厚度較淺或覆土被擾動,使得土層與管片周邊的握裹力減弱,泥水沿盾構機后竄至已建成隧道部分,也會導致襯砌管片的上浮。

4 盾構隧道上浮的控制措施

4.1 選擇適當的注漿漿液與注漿方法

注漿過程是有效控制襯砌管片上浮的關鍵時期,理想的情況是注漿漿液完全充填盾尾間隙并快速凝固形成早期強度,從而使隧道與周圍土體形成穩(wěn)定的整體構造物。同步注漿分為盾尾注漿和管片注漿。盾尾注漿自動化程度高,施工控制相對容易,漿液在盾尾間隙的分布相對均勻,但堵管時清洗困難,一般只適于單液注漿,若選雙液漿,需配置專門清洗裝置。管片注漿操作靈活,容易清理,既可選用單液漿,也可選用雙液漿,可對局部地段進行二次補漿,適合對隧道偏移、地表建筑物變形控制等特殊情況的處理,但易造成注漿不均勻,很難做到真正的同步注漿。實踐證明,盾尾注漿對管片產生的注漿壓力小于管片注漿對管片產生的壓力,所以應首先進行盾尾注漿,在漿液凝固達到一定強度后,再根據注漿情況進行管片二次注漿。

4.2 控制盾構機姿態(tài)及參數

盾構機在掘進過程中的運動軌跡實際上是一條圍繞隧道軸線的蛇形運動軌跡[6,7],盾構機過量的蛇形運動必然造成頻繁糾偏,糾偏過程就會使管片環(huán)面受力不均,所以必須控制好盾構機姿態(tài),盡可能地使其沿隧道軸線作小量的蛇形運動,當發(fā)現(xiàn)盾構掘進中軸線的平面位置和高程的允許偏差大于規(guī)范要求的50 mm時,應逐步緩慢糾偏,不得過急過猛地糾正偏差,糾偏數值不得超過操作規(guī)程的規(guī)定值,每一循環(huán)盾構的糾偏,水平方向不超過9 mm,豎直方向不超過5 mm。要合理調整各區(qū)域千斤頂油壓,避免油壓差過大加劇管片上浮的趨勢,因此要求與盾構中心線相對稱區(qū)域的千斤頂油壓差應小于5 MPa,其伸出長度差應小于12 cm。同步注漿過程中,為使?jié){液及時有效地固結,一般以緩推為宜,推進速度不大于3 cm/min。

4.3 考慮上覆土與土層擾動

對于淺覆土或覆土土層受過擾動的隧道,在隧道圍巖上部易發(fā)生應力松弛,難以形成壓力拱,再次掘進時將發(fā)生較大的形變,從而在隧道豎直方向產生附加應力,使盾構機和隧道上浮,因此設計中應盡量避免淺埋和超淺埋。由于隧道上浮量隨土體彈性模量的增大而減小[6],因而改善土體特性可以抑制隧道上浮,必要時可對隧道頂部土體進行注漿加固,另外,上覆土對隧道也有很好的抗浮作用,因此增加覆土厚度可充分發(fā)揮上覆土對隧道的抗浮作用。

4.4 控制管片姿態(tài)

由于管片上浮是盾構隧道施工過程中普遍存在的問題,因此可根據測量到的隧道上浮情況,在推進過程中,為保證隧道軸線偏差控制在設計允許的范圍內,盾構掘進軸線可適當低于隧道設計中線[8]。可在設計軸線不變的前提下,先根據管片拼裝后上浮量的經驗值和盾構機的大小推算出上浮量的基本大小,然后對盾構機推進的軸線進行調整,將其軸線加以放低。經驗公式如下:

隧道平均上浮量-盾構推進軸線降低量<±50 mm讓盾構降在設計曲線以下掘進,讓隨后上浮的隧道回到設計軸線附近,控制在設計允許的偏差值士50 mm以內,另外還應要求襯砌成環(huán)后直徑允許偏差應小于33 mm,環(huán)、縱縫張開小于2 mm,管片環(huán)面不平整度應小于3 mm,相鄰環(huán)高差小于4 mm。每環(huán)掘進結束后,必須擰緊當前環(huán)管片的連接螺栓,并在下環(huán)掘進時進行復緊,避免作用于管片推力產生的垂直分力,引起隧道浮動。

5 管片上浮后的處理

管片上浮后補救的措施其實并不多,一般的做法是打開隧道底部的注漿孔泄壓來釋放管片底部的有壓水和未凝固的注漿漿液,這種做法其實效果并不理想,而且污染隧道。若發(fā)現(xiàn)隧道上浮量大,且范圍較大時,應立即停止盾構掘進。發(fā)現(xiàn)管片上浮后,通常的做法是根據管片的上浮趨勢,合理進行糾偏。

5.1 用注漿孔位合理糾偏

采用在隧道內(偏移側)注漿的施工工藝,可以推動隧道管片反向運動[9,10],因此,可根據盾構隧道管片的上浮趨勢,將隧道管片糾偏到設計標準內或者目標偏差范圍內。在隧道左右側注漿,可對水平軸線糾偏；在隧道拱頂或拱底注漿可進行豎向軸線糾偏。在注漿過程中,還應根據實際需要確定注漿孔位及每個注漿孔的注漿壓力和注入量。

5.2 采用楔形襯砌環(huán)修正或石棉橡膠板貼片糾偏

當發(fā)現(xiàn)管片已成上浮趨勢時,可安裝楔形管片進行糾偏,改變管片的走勢,按照同樣的原理,也可在管片背對千斤頂環(huán)縫凹處分段粘貼不同厚度的石棉橡膠板進行糾偏,分段粘貼好的石棉橡膠板經推進過程中千斤頂壓縮后,會成為一平整楔形環(huán)面,這樣就可以通過調整管片的姿態(tài)來達到糾偏的目的。

6 結論

本文通過對管片拼裝后姿態(tài)變化的監(jiān)測與分析、歸納,探討了管片上浮的原因,并從注漿漿液與注漿方法的選擇、盾構機姿態(tài)的控制及參數的選擇、考慮上覆土與土層擾動、管片姿態(tài)的控制等方面給出了控制盾構管片上浮的措施,為今后類似工程施工提供借鑒。在實踐中,應綜合考慮各種影響管片上浮的因素,及時對盾構掘進參數進行動態(tài)優(yōu)化和調整,最大限度地控制隧道襯砌管片在施工階段的位移和變形,使隧道軸線滿足設計規(guī)范要求。

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