盾構(gòu)在長(zhǎng)距離板巖地層掘進(jìn)過程中的管片上浮原因分析及對(duì)策

郭茶發(fā)

（中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司 福建福州）

盾構(gòu)在長(zhǎng)距離板巖地層掘進(jìn)過程中的管片上浮原因分析及對(duì)策

郭茶發(fā)

（中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司 福建福州）

通過對(duì)長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線2標(biāo)北辰三角洲站～開福寺站區(qū)間內(nèi)板巖地段的監(jiān)測(cè)與分析得出，盾構(gòu)在板巖地層掘進(jìn)過程中的管片普遍存在上浮現(xiàn)象，通過施工過程中分析總結(jié)，采取相應(yīng)措施可減少在該類地層下管片的上浮。

地鐵施工；管片；板巖地層；抗浮措施

前言

目前在地鐵管片施工過程中，管片上浮多出現(xiàn)在軟土地層及復(fù)合地層中，管片上浮量較大。在盾構(gòu)隧道中管片上浮控制是確保隧道線型符合設(shè)計(jì)要求和管片建筑限界的關(guān)鍵，如若無法控制管片上浮問題，就會(huì)出現(xiàn)管片裂縫、破損乃至整體軸線偏移等問題，影響工程質(zhì)量，帶來工程隱患，增加工程造價(jià)。本文結(jié)合長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線北辰三角洲站～開福寺站區(qū)間盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)穿越近85%總長(zhǎng)度板巖地層的實(shí)例，針對(duì)在施工過程中出現(xiàn)管片上浮情況，從多方面查找原因并進(jìn)行分析，制定相應(yīng)的控制措施。

1 工程概況

長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線2標(biāo)北辰三角洲站～開福寺站區(qū)間，線路出北辰三角洲站后沿規(guī)劃縱二路向南行進(jìn)，下穿湘江二橋東引橋，沿規(guī)劃黃興北路繼續(xù)向南行進(jìn)，到達(dá)開福寺路與規(guī)劃黃興北路交叉路口南面的開福寺車站。區(qū)間右線長(zhǎng)1394.6m，左線長(zhǎng)1385.758m。區(qū)間縱斷先以1.8%的坡度下坡，然后再以0.7105%到達(dá)湘江二橋東引橋，出湘江二橋后以1.9%的坡度上坡到達(dá)開福寺車站，區(qū)間覆土厚度約為8.6～21.2m。

2 工程及水文地質(zhì)條件分析

2.1 工程地質(zhì)

本區(qū)間地貌單元為湘江河的Ⅰ～Ⅱ級(jí)階地，地面標(biāo)高變化30.60～36.20m。根據(jù)野外鉆探情況，本勘察范圍土、巖層從新到老主要有全新統(tǒng)人工填土層、全新統(tǒng)～上更新統(tǒng)沖積層、殘積層、白堊系砂礫巖、元古界板巖各風(fēng)化帶巖石。北辰三角洲站～開福寺站區(qū)間盾構(gòu)穿越全斷面板巖的地質(zhì)占60%，隧道底部為板巖的地層占85%。

2.2 水文情況

本區(qū)間周邊地表水發(fā)育，西邊距湘江河0.5km，地形較平坦，本區(qū)間基巖裂隙水主要含水層為強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖層，滲透系數(shù)k＝0.80m/d、強(qiáng)～中風(fēng)化板巖層，滲透系數(shù) k＝0.08～0.20m/d，屬弱透水性地層。

3 管片上浮的環(huán)境特征

（1）從地層地質(zhì)情況來看，管片在強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖、微風(fēng)化板巖地層容易上浮，且地層越硬上浮情況越嚴(yán)重。

（2）從線路特征來看，在變坡點(diǎn)、上坡段、反坡點(diǎn)，尤其是在豎曲線的最低點(diǎn)，管片上浮比較嚴(yán)重。

（3）從管片上浮的速率和快慢來考慮，在開始上浮的第一天，數(shù)值一般可以達(dá)到穩(wěn)定值的2/3，第二天上浮值為穩(wěn)定值的1/4～1/3，到第三天、第四天管片就不再有上升的趨勢(shì)，逐步穩(wěn)定下來。

（4）從其他方面，比如注漿不飽滿且水大時(shí)；上下千斤頂推力差過大時(shí)；螺栓未擰緊時(shí)；受漿液性質(zhì)的影響時(shí)；管片由于螺栓的影響而自身帶有的特性等都或多或少的會(huì)引起管片的上浮。

4 管片上浮原因分析

針對(duì)我部在長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線北辰三角洲站～開福寺站區(qū)間長(zhǎng)距離穿越板巖地層的施工實(shí)例，從以下幾個(gè)方面對(duì)管片的上浮情況加以分析。

4.1 盾構(gòu)工法特性的影響

本工程選用的是由鐵建重工生產(chǎn)的ZTE6250型盾構(gòu)機(jī)，其刀盤開挖直徑為6280mm，管片外徑為6000mm，為此管片外側(cè)與土體之間存在140mm的環(huán)形間隙，但受管片自重的作用，底部與土體的間隙接近為零。盾構(gòu)機(jī)在板巖地層掘進(jìn)中，管片脫出盾尾后，圍巖自穩(wěn)效應(yīng)好，拱頂土體全部塌落到管片結(jié)構(gòu)需要一定時(shí)間和過程，如管片外側(cè)空隙未及時(shí)填充，則脫出盾尾的管片周圍處于無約束的地下水的包圍狀態(tài)，給管片的位移提供了可能的條件。盾構(gòu)隧道是空心的筒體，在混凝土自重作用下有下沉的趨勢(shì)，但在全斷面地下水壓力作用下，防水性能優(yōu)良的襯砌隧道則有上浮的趨勢(shì)。以本區(qū)間盾構(gòu)隧道外徑6.0m、內(nèi)徑5.4m、寬1.5m的管片為例：

管片混凝土自重：G＝ρ×g×Vc＝2400×9.8×8.06≈189.6（kN）（1）

水浮力：F＝ρw×g×V＝1000×9.8×42.39≈415.4（kN）（2）

式中：混凝土比重ρ為2400kg/m3，管片混凝土方量Vc約為8.06m2，一環(huán)管片所占空間體積V約為42.39m3。

根據(jù)計(jì)算所得，可見管片混凝土自重G小于水浮力F，而板巖地層拱頂有較好的自穩(wěn)性，土體施加在管片結(jié)構(gòu)上需要時(shí)間，這就解釋了在拼裝管片初期為何隧道上浮位移發(fā)展快的原因。

4.2 同步注漿砂漿配合比對(duì)管片上浮的影響

根據(jù)施工所得經(jīng)驗(yàn)表明，如果配置的漿液無法保證盾尾后5環(huán)的管片壁后間隙得以完全充填并快速形成早期強(qiáng)度，使隧道與周圍土體形成穩(wěn)定的整體構(gòu)造物，則在漿液為凝固的階段可將注漿層仍看作液體，管片環(huán)完全浸泡在溶液中。根據(jù)阿基米德定律，處于漿液的襯砌環(huán)受到的浮力F大于管片自重G，當(dāng)管片環(huán)受到的浮力遠(yuǎn)大于自身重力，在豎直向上力的作用下，管片會(huì)產(chǎn)生豎直向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。

4.3 同步注漿量對(duì)管片上浮的影響

由于管片外側(cè)與開挖土層存在140mm的環(huán)形建筑空隙，如果注漿不飽滿，管片外側(cè)與土層之間的間隙沒有及時(shí)有效地充填，就必然出現(xiàn)管片上浮的空間。

在同步注漿不飽滿時(shí)，地層土軟硬不同，產(chǎn)生的管片上浮情況也不同。一般情況下，軟地層不容易上浮，而硬地層卻有空間導(dǎo)致管片上浮。這是因?yàn)樵诰蜻M(jìn)過程中，對(duì)于軟地層，上部松軟地層土的自穩(wěn)性差，會(huì)因?yàn)樽灾?、存在空隙而有相?duì)的下沉，從而使因注漿不飽滿造成的管片和土層之間的剩余空隙基本消失。硬地層由于自穩(wěn)能力強(qiáng)，完整性好，能很好的控制自身沉降。再者同步注漿采用凝結(jié)時(shí)間為5～7h的砂漿，使管片有足夠的上浮空間和時(shí)間，且地層越硬，管片上浮的情況越嚴(yán)重。

4.4 總推力豎向分力對(duì)管片上浮的影響

總推力豎向分力受管片設(shè)計(jì)坡度、盾構(gòu)機(jī)俯仰角、總推力等因素影響，千斤頂豎向分力按下式計(jì)算。Fy＝F總×sin（θ1+θ2）式中，F(xiàn)總為千斤頂總推力；F豎為千斤頂豎向分力；θ1為盾構(gòu)俯仰角；θ2為管片設(shè)計(jì)坡度。如圖1所示，為總推力反力豎向分力示意圖。

由圖1及公式可知，隨著總推力增大，豎向分力也增加；當(dāng)盾構(gòu)仰角向下越大時(shí)，向上的豎向分力也隨之增大；當(dāng)管片坡度向下增大時(shí)，向上的豎向分力也隨之增大，為此，隨著總推力豎向分力的增大，管片上浮的幾率也隨之增大。

圖1 總推力反力的豎向分立示意圖

4.5 其它影響因素

除上述主要影響板巖地層中管片上浮的因素外，還包含有其它的原因如下：

（1）土層軟硬不均，包括軟硬交接面的傾斜度、長(zhǎng)度、上覆土層情況等都能影響管片的上浮，尤其在上軟下硬地層中，管片上浮情況最為嚴(yán)重；

（2）管片拼裝完成后螺栓未及時(shí)緊固，導(dǎo)致前后管片連接未形成整體；

（3）測(cè)量不及時(shí)，導(dǎo)致后續(xù)相應(yīng)的措施滯后；

（4）管片拼裝點(diǎn)位選擇不恰當(dāng)。

5 管片上浮的控制措施

5.1 調(diào)整同步注漿材料配比

采用同步注漿工藝對(duì)管片外側(cè)進(jìn)行漿液填充后，由于漿液材料存在時(shí)效性，隨著漿液強(qiáng)度的形成和漿液初凝，注漿層會(huì)逐漸起到穩(wěn)定管片的作用，而同時(shí)注漿層未凝結(jié)到一定強(qiáng)度以前會(huì)存在對(duì)管片的浮力，引發(fā)管片上浮。為此，本項(xiàng)目在施工過程中通過采用不同砂漿的配合比，調(diào)整漿液的凝結(jié)時(shí)間以控制管片的上浮。本項(xiàng)目在水量較小的地層掘進(jìn)中采用表1配合比，在水量較大的地層掘進(jìn)中采用表2配合比。

表1 同步注漿砂漿配合比（M2.5）

表2 同步注漿砂漿配合比（M5）

在施工過程中，我項(xiàng)目通過控制不同點(diǎn)位的注漿壓力變化可以起到管片抗浮的目的，當(dāng)管片上浮量較大時(shí)，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，可控制同步注漿操作中注漿點(diǎn)位和注漿壓力，使用管片上半側(cè)的注漿點(diǎn)位注漿時(shí)，采用該位置靜止土壓力1.1～1.2倍的注漿壓力，而管片下半側(cè)的注漿點(diǎn)位則少注或不注，從而減小管片上浮的趨勢(shì)。

5.2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制

（1）盾構(gòu)推進(jìn)油缸分區(qū)控制

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，千斤頂總推力受開挖面水土壓力、盾殼外側(cè)摩擦阻力等因素的影響，而水土壓力和摩阻力受埋深、土性因素影響，故總推力要與地層相匹配，不可過度調(diào)節(jié)其大小。隧道線型在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)確定，故在總推力和設(shè)計(jì)坡度不可控時(shí)，可控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)來影響總推力豎向分力的變化。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制

根據(jù)掌握地面地層情況及盾構(gòu)檢測(cè)裝置反映的數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整推進(jìn)參數(shù)及推進(jìn)方向，避免引起更大的偏差，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)蛇形運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)以長(zhǎng)距離慢慢修正為原則，做到糾偏及時(shí)、連續(xù)、不過量，研究猛糾猛調(diào)，并且要注意避免糾偏時(shí)由于單側(cè)千斤頂推力過大對(duì)管片造成的破損，保證拼裝后的管片軸線偏差滿足規(guī)范要求。

（3）控制掘進(jìn)速度

為保證管片外側(cè)同步注漿質(zhì)量，盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制需要與漿液的有效初凝固結(jié)時(shí)間相匹配，如無法達(dá)到良好的固結(jié)效果，需要適當(dāng)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)速度，采取勻速緩慢推進(jìn)，速度控制在30mm/min，保證管片外側(cè)空隙注漿飽滿，避免形成空隙后漿液被地下水沖刷、稀釋后漿液性能降低。

（4）盾構(gòu)掘進(jìn)軸線控制

在上述抗浮措施均采取后，但管片仍發(fā)生較大上浮時(shí)，可采取保證隧道實(shí)際掘進(jìn)軸線在隧道設(shè)計(jì)軸線以下一定高度的措施。在本區(qū)間隧道推進(jìn)中，項(xiàng)目技術(shù)人員根據(jù)統(tǒng)計(jì)的管片拼裝后上浮經(jīng)驗(yàn)值，將盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)軸線高程降至設(shè)計(jì)軸線下50mm，以此來抵消管片襯砌后期的上浮量，使隧道中心軸線近可能地接近設(shè)計(jì)軸線。

5.3 加強(qiáng)螺栓復(fù)緊

為提高管片整體抗拉浮能力，需要加強(qiáng)對(duì)管片螺栓連接的復(fù)緊工作，為此，本項(xiàng)目在施工過程中要求三次緊固來實(shí)現(xiàn)：在盾殼內(nèi)（拼裝時(shí)）進(jìn)行第一次緊固；脫離盾尾后進(jìn)行第二次復(fù)緊；進(jìn)入1號(hào)臺(tái)車前進(jìn)行第三次復(fù)緊。

5.4 加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)

為嚴(yán)格控制好管片施工過程中的上浮，實(shí)施過程中做到每天對(duì)盾尾10～15環(huán)管片復(fù)測(cè)一次，當(dāng)發(fā)現(xiàn)管片上浮時(shí)，加緊管片測(cè)量頻次，可以每5環(huán)測(cè)一次或者每2環(huán)測(cè)一次。同時(shí)設(shè)立警戒值，當(dāng)管片上浮的速率＞30mm/d，可視為警戒，當(dāng)管片上浮的速率＞50mm/d，立即停機(jī)，實(shí)施二次注漿，并對(duì)下階段的掘進(jìn)采取必要的糾偏措施。

6 結(jié)語

本文通過長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線北辰三角洲站～開福寺站區(qū)間長(zhǎng)距離穿越板巖地層的工程實(shí)例，得出管片上浮并不是只由其中一個(gè)因素獨(dú)立產(chǎn)生的，而是一個(gè)各方面共同作用下的結(jié)果。為此，本項(xiàng)目針對(duì)前期出現(xiàn)的管片上浮，分析總結(jié)的管片上浮的原因，針對(duì)所處工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，分別從漿液配合比及注漿壓力控制、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制、施工監(jiān)測(cè)以及管片上浮后的處理等方面提出控制管片上浮的措施，為今后類似工程施工提供借鑒。

[1]沈征難.盾構(gòu)掘進(jìn)過程中隧道管片上浮原因分析及控制[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，41（6）：51～56.

[2]葉飛.軟土盾構(gòu)隧道施工期上浮機(jī)理分析及控制研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[3]陳丹蓮.成型隧道管片碎裂分析[J].廣東建材，2014：55～57.

U455.43

A

1673-0038（2015）49-0249-02

收稿日期：2015-11-2