全斷面硬巖地層盾構(gòu)隧道管片上浮控制技術(shù)研究

楊延棟，陳 饋，李鳳遠(yuǎn)，周建軍

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450001)

0 引言

管片襯砌作為一種安全快捷的隧道襯砌結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于城市地鐵建設(shè)中。然而，在我國(guó)多處城市的地鐵建設(shè)中，出現(xiàn)了不同程度的隧道管片結(jié)構(gòu)上浮現(xiàn)象。管片上浮往往導(dǎo)致管片錯(cuò)臺(tái)、裂縫、軸線偏移，甚至管片防水結(jié)構(gòu)失效等，已嚴(yán)重影響了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量，因此，有必要對(duì)造成管片上浮的原因與機(jī)制進(jìn)行深入研究，提出有針對(duì)性的對(duì)策，為制定控制管片上浮措施提供參考。

李鐵軍等［1］總結(jié)了盾構(gòu)隧道管片上浮的原因，主要有地質(zhì)條件、盾構(gòu)工法特性及施工參數(shù)、盾構(gòu)姿態(tài)、覆土厚度、管片接頭、施工擾動(dòng)、注漿工藝和漿液特性等，并提出了控制管片上浮的措施;杜闖東等［2］針對(duì)管片環(huán)之間規(guī)律性的錯(cuò)臺(tái)問(wèn)題進(jìn)行了分析，并針對(duì)管片環(huán)間摩擦阻力不足的原因，提出了取消傳力墊和改變定位銷材質(zhì)的建議;沈征難［3］從地質(zhì)條件、襯背注漿、盾構(gòu)姿態(tài)入手，對(duì)管片上浮的原因進(jìn)行了分析，并提出了控制措施。

上述研究分析了管片上浮的諸多原因，并提出了多種措施，但對(duì)管片在軟土地層和硬巖地層的上浮問(wèn)題上未進(jìn)行明確的區(qū)分，而在2種不同的地層下，管片的上浮機(jī)制是完全不同的。軟土地層管片上浮的本質(zhì)是管片外圍的地層發(fā)生變形后地層應(yīng)力重新分布的過(guò)程，需要的時(shí)間較長(zhǎng)［4］;硬巖地層管片上浮則是在滿足力學(xué)條件和空間條件的情況下，管片在較穩(wěn)定的空間內(nèi)發(fā)生位移的結(jié)果。本文對(duì)廣州地鐵7號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間全斷面硬巖地層遇到的管片上浮問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 工程概況與管片上浮監(jiān)測(cè)

廣州地鐵7號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計(jì)為雙線圓形隧道，隧道內(nèi)徑5 400 mm，外徑6 000 mm，采用C50P12預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，寬度1 500 mm，每環(huán)管片采用“3+2+1”(3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊)型式、錯(cuò)縫拼裝，彎曲螺栓連接，環(huán)與環(huán)間以10根縱向螺栓相連，塊與塊之間以12根環(huán)向螺栓緊密相連，接縫處設(shè)密封墊溝槽，采用三元乙丙橡膠彈性密封墊止水，管片背后注漿回填。隧道線路縱向?yàn)檫B續(xù)上坡，最大坡度為25.396‰，隧道頂覆土10.42～45.73 m。

該區(qū)段范圍內(nèi)地層自上而下分布有人工填土層、淤泥層及淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、粉細(xì)砂及中粗砂層、黏性土層、沖積－洪積土層、坡積土層、殘積土層、混合花崗巖全風(fēng)化帶、混合花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶、混合花崗巖中風(fēng)化帶和混合花崗巖微風(fēng)化帶。隧道洞身范圍穿越的主要地層有殘積土層、混合花崗巖全風(fēng)化帶、混合花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶、混合花崗巖中風(fēng)化帶和混合花崗巖微風(fēng)化帶。標(biāo)段前600 m，盾構(gòu)基本在穩(wěn)定性較好的中風(fēng)化、微風(fēng)化地層中掘進(jìn)，屬于全斷面硬巖段，平均飽和抗壓強(qiáng)度33.9 MPa，局部夾有最大飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度達(dá)到87.7 MPa的微風(fēng)化花崗巖。該硬巖段填土層、砂層以及積土層的地下水類型主要為第四系松散孔隙水，滲透系數(shù)可達(dá)9.23 m/d，屬中等透水層;全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖的地下水類型主要為基巖裂隙水，雖然滲透系數(shù)僅約0.5 m/d，但地表瀝滘水道與第四系松散孔隙水、基巖裂隙水相互水力聯(lián)系密切，相互補(bǔ)給，隧道經(jīng)過(guò)巖石強(qiáng)、中風(fēng)化帶時(shí)，開(kāi)挖面和圍巖有較大的地下水涌出。

表1為右線259～264環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)15 d后的管片上浮量，最大達(dá)到118 mm，嚴(yán)重破壞了管片的防水能力，導(dǎo)致隧道內(nèi)該段連續(xù)漏水。

表1 右線259～264環(huán)的管片上浮量Table 1 Up-floating values of No.259 to No.264 segment rings of right tunnel tube mm

2 全斷面硬巖地層管片上浮原因分析

盾構(gòu)施工中，隧道管片同時(shí)具備上浮的力學(xué)條件和空間條件之后才可能發(fā)生上浮。盾構(gòu)工法的特性為管片上浮提供了外部條件，而漿液包裹或地下水包裹所產(chǎn)生的浮力是管片上浮的內(nèi)在原因。除此之外，推進(jìn)油缸對(duì)管片的偏心載荷、管片壁后填充漿液的流失、盾構(gòu)栽頭導(dǎo)致盾尾上抬等都會(huì)導(dǎo)致管片上浮。

2.1 盾構(gòu)工法特性是管片上浮的外部條件

為了保證盾構(gòu)掘進(jìn)和管片拼裝的順暢性，盾構(gòu)的開(kāi)挖直徑必須與管片的外徑有一定的差值。如該項(xiàng)目采用的土壓平衡盾構(gòu)開(kāi)挖直徑為6 280 mm，管片外徑為6 000 mm，管片與圍巖之間平均存在140 mm的間隙。盾構(gòu)在中風(fēng)化、微風(fēng)化地層中掘進(jìn)，圍巖自穩(wěn)性較好，管片與圍巖之間的間隙一直存在，圍巖對(duì)管片不能產(chǎn)生抗浮作用。硬巖含水地層管片后方容易匯水，加之土壓平衡盾構(gòu)在全斷面硬巖地層中往往采用敞開(kāi)式掘進(jìn)，同步注漿漿液容易被稀釋和沖走，無(wú)法及時(shí)填充空隙，為管片上浮提供了外部條件。由表1可知，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的管片上浮量最大值達(dá)118 mm，接近管片壁后間隙的理論平均值140 mm(可能由于刀具磨損，開(kāi)挖直徑減小)，這說(shuō)明，由于盾構(gòu)工法特性造成的管片壁后環(huán)形建筑空間是導(dǎo)致管片上浮的根本原因。

2.2 注漿漿液或地下水包裹產(chǎn)生的浮力

對(duì)于管片受到的浮力，戴志仁［5］認(rèn)為包括由注漿漿液或地下水包裹而產(chǎn)生的靜態(tài)上浮力和隨地層條件與隧道埋深而變化的廣義動(dòng)態(tài)上浮力。廣義動(dòng)態(tài)浮力是由于管片受上下地層壓力差造成的，僅在不能自穩(wěn)的軟土地層存在。對(duì)于硬巖地層，圍巖能夠自穩(wěn)，對(duì)管片不產(chǎn)生地層壓力，因此，硬巖地層管片不受廣義動(dòng)態(tài)上浮力。葉飛［6］認(rèn)為管片受到的浮力包括由注漿漿液或地下水包裹產(chǎn)生的靜態(tài)浮力和注漿壓力引起的動(dòng)態(tài)浮力。楊方勤［7］認(rèn)為動(dòng)態(tài)浮力屬于瞬間壓力，將會(huì)隨著空間被填和盾殼的移動(dòng)而消失，實(shí)測(cè)表明，上海長(zhǎng)江隧道管片上浮與注漿壓力關(guān)系不大。根據(jù)上述分析，硬巖地層管片上浮所受到的浮力主要為注漿漿液或地下水包裹而產(chǎn)生的靜態(tài)上浮力。

由于管片連接螺栓與螺栓孔之間有5 mm左右的間隙，在不考慮螺栓約束的條件下，管片受到的浮力為

式中:R為管片外環(huán)半徑;B為管片寬度;γ1為包裹管片漿液的重度，介于水的容重10 kN/m3與水泥砂漿容重20 kN/m3之間。

管片自重為

式中:t為管片厚度，一般而言，管片厚度t與管片外環(huán)半徑R的比值近似為一個(gè)常數(shù)，如常用的管片外環(huán)半徑為3 000 mm的管片厚度為300 mm，取t=0.1 R;γ2為鋼筋混凝土重度，取25 kN/m3。

管片受到的浮力與自重的比值

根據(jù)包裹管片漿液或地下水的重度與鋼筋混凝土重度的取值，管片受到的浮力與自重的比值K的計(jì)算值為2～4，可見(jiàn)管片受到的浮力遠(yuǎn)比重力大。因此，管片環(huán)剛脫出盾尾時(shí)完全具備管片上浮的力學(xué)條件，且與管片尺寸無(wú)關(guān)。

2.3 漿液流失構(gòu)成上浮空間

管片壁后填充的漿液是通過(guò)盾構(gòu)的止?jié){板防止?jié){液沿盾體的外壁與圍巖的間隙流向刀盤前部。通過(guò)向3道密封刷與管片形成的2個(gè)腔體內(nèi)注盾尾油脂，防止?jié){液沿盾尾內(nèi)壁與管片環(huán)外壁的間隙流向盾體內(nèi)部，盾尾密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。隨著掘進(jìn)距離的增大，止?jié){板會(huì)發(fā)生磨損，尤其在硬巖中掘進(jìn)，磨損尤為嚴(yán)重，導(dǎo)致止?jié){板起不到封堵漿液的作用。漿液流失后，管片壁后與圍巖之間出現(xiàn)無(wú)漿液填充的間隙，隨著管片從盾尾脫出，間隙進(jìn)一步增大，為管片上浮提供了空間條件。

圖1 盾尾密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of shield tail sealing

2.4 盾構(gòu)栽頭導(dǎo)致盾尾上抬

盾構(gòu)設(shè)計(jì)存在頭重腳輕的問(wèn)題，盾構(gòu)主機(jī)的質(zhì)量大部分集中在刀盤和前盾上，該項(xiàng)目使用的盾構(gòu)主機(jī)各部件質(zhì)量如表2所示。刀盤與前盾的質(zhì)量約占整個(gè)主機(jī)質(zhì)量的50%，當(dāng)土倉(cāng)有碴土?xí)r質(zhì)量更大。因此，盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)頭朝下栽的現(xiàn)象，導(dǎo)致盾尾朝上抬起，而管片在脫出盾尾之前在盾尾內(nèi)和盾尾一起向上抬起，導(dǎo)致管片上浮。

表2 某6 m級(jí)盾構(gòu)主機(jī)各部件的質(zhì)量分布Table 2 Weight of main parts of a φ6 m shield machine t

2.5 推進(jìn)油缸的偏心載荷

由于盾構(gòu)栽頭前行，為了調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，需要通過(guò)下部油缸組與上部油缸組的壓力差和行程差來(lái)使盾構(gòu)抬頭，盡可能不偏離設(shè)計(jì)軸線。該工程盾構(gòu)下部油缸組的壓力約為15 MPa左右，而上部油缸組的壓力僅為5 MPa左右，大約要達(dá)到3∶1的比例關(guān)系。管片受到推進(jìn)油缸的偏心反力，使整個(gè)管片環(huán)受到如圖2所示的彎矩，導(dǎo)致整個(gè)管片縱向向上彎曲，致使部分管片上浮。

圖2 管片縱向受彎矩上浮Fig.2 Up-floating of segment rings caused by longitudinal bending moment

2.6 導(dǎo)致管片上浮的其他原因

對(duì)于全斷面硬巖地層，除了上述導(dǎo)致管片上浮的主要原因外，還有以下影響因素。1)漿液特性與注漿工藝。一般雙液漿(水泥+水玻璃)的抗浮性優(yōu)于單液漿(水泥砂漿)，但雙液漿作為同步注漿材料容易堵管，單液漿通過(guò)改變配比來(lái)縮短初凝時(shí)間，可以提高抗浮能力;注漿時(shí)由管片上部向下部注漿更有利于防止管片上浮。2)管片接頭的形式和抗剪強(qiáng)度。一般斜螺栓比彎螺栓抗剪性更好，抗剪強(qiáng)度越高，管片越不易上浮。3)盾構(gòu)主機(jī)、后配套和電瓶車的振動(dòng)造成注漿漿液離析，使混凝土強(qiáng)度大幅度降低，且降低了混凝土的防滲能力，不利于管片抗浮。

3 全斷面硬巖地層防止管片上浮新措施

為了防止全斷面硬巖地層的管片上浮，需要通過(guò)有效的方式來(lái)克服導(dǎo)致管片上浮的力學(xué)條件和空間條件。主要新措施包括:采用豆礫石回填注漿工藝進(jìn)行管片壁后填充、利用止?jié){環(huán)與隔水環(huán)防止?jié){液流失、采用前盾底部設(shè)計(jì)液壓千斤頂防止盾構(gòu)栽頭等。

3.1 采用豆礫石回填灌漿工藝進(jìn)行管片壁后填充

現(xiàn)階段盾構(gòu)施工廣泛采用水泥砂漿回填管片壁后間隙的工藝，當(dāng)盾尾止?jié){板磨損時(shí)易返漿而導(dǎo)致卡盾;同步注漿漿液產(chǎn)生的浮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)管片自重，容易導(dǎo)致管片上浮;水泥砂漿凝固時(shí)，在管片后形成較大的收縮空間，易導(dǎo)致管片止水結(jié)構(gòu)失效，而豆礫石回填灌漿工藝可以避免上述缺陷［8］。

豆礫石回填灌漿工藝已經(jīng)在盾構(gòu)過(guò)空推段施工中得到了廣泛應(yīng)用，在盾構(gòu)正常掘進(jìn)階段使用較少。盾構(gòu)過(guò)空推段時(shí)，豆礫石通過(guò)干噴鋼管由刀盤向剛脫出盾尾的管片與成型隧道之間的間隙噴射［9］，但在盾構(gòu)正常掘進(jìn)中，條件不允許。要將豆礫石回填灌漿工藝用于盾構(gòu)在全斷面硬巖段正常掘進(jìn)時(shí)管片的壁后填充，需要解決的主要問(wèn)題是豆礫石填充途徑。由于管片二次注漿孔的有效直徑僅有32 mm，噴射豆礫石容易堵塞，若通過(guò)管片二次注漿孔進(jìn)行豆礫石填充，則需要在預(yù)制管片時(shí)，在不影響管片強(qiáng)度的情況下盡可能增大二次注漿孔的有效直徑;另外，也可以在盾構(gòu)殼體上預(yù)設(shè)用于豆礫石填充的專用管道。

豆礫石回填灌漿的管片壁后填充工藝減少了液體漿液的注入量，豆礫石亦占據(jù)了漿液或地下水的空間，因此，注漿漿液和地下水對(duì)管片的浮力大大減小，克服了管片上浮的力學(xué)條件;另外，豆礫石密實(shí)地填充了管片與圍巖之間的間隙，克服了管片上浮的空間條件;再則，水泥漿凝固產(chǎn)生的收縮空間小，有利于止水。

3.2 利用止?jié){環(huán)與隔水環(huán)防止?jié){液流失

由于盾尾止?jié){板的磨損，同步注漿漿液在地下水的沖刷下容易沿盾體的外壁與圍巖的間隙向前流失。為了阻止?jié){液的流失，需要在盾體外壁與圍巖之間形成一道止?jié){環(huán)來(lái)代替盾尾止?jié){板的功能，采用傳統(tǒng)的雙液漿(水泥漿+水玻璃)會(huì)將盾構(gòu)抱死，因此，需要注入一種可以止?jié){但又不會(huì)抱死盾構(gòu)的填充材料。

克泥效工法是一種不會(huì)硬化的壁后填充方法，它是一種雙液型注入材料，用特制黏土的泥漿與強(qiáng)塑劑(水玻璃)以一定比例混合后，瞬間形成的一種可塑性黏土添加材料［10］。通過(guò)中盾的超前注漿孔向盾構(gòu)殼體外圍徑向注入克泥效材料，將盾構(gòu)包裹，在盾構(gòu)殼體周圈形成一道可靠的密封阻水黏土環(huán)，有效隔絕盾構(gòu)殼體與圍巖間的間隙，防止同步注漿漿液沿該間隙向刀盤前部流失。

另外，為了減少地下水對(duì)漿液的沖刷作用，可利用水泥砂漿與水玻璃雙液漿在盾尾后5環(huán)打設(shè)隔水環(huán)，隔斷盾構(gòu)后部的來(lái)水。通過(guò)止?jié){環(huán)與隔水環(huán)的共同作用，能夠有效地防止同步注漿漿液的流失，同步注漿漿液充分填充管片外的間隙后，管片上浮便沒(méi)有了空間條件。

3.3 半敞開(kāi)式掘進(jìn)提高同步注漿的填充效果

在全斷面硬巖地層中，由于盾尾止?jié){板的磨損，同步注漿漿液在地下水的沖刷下容易流向盾構(gòu)前方的土倉(cāng)。為了阻止?jié){液的流失，盾構(gòu)采用半敞開(kāi)模式掘進(jìn)(又稱局部氣壓模式)，掘進(jìn)中土倉(cāng)內(nèi)的渣土只填充了一部分，尚有很大的空間，通過(guò)盾構(gòu)的泡沫注入系統(tǒng)向土倉(cāng)內(nèi)輸入壓縮空氣，提高土倉(cāng)內(nèi)的壓力，防止同步注漿漿液向土倉(cāng)流動(dòng);同時(shí)，可減緩地下水的滲入，降低地下水對(duì)同步注漿漿液的沖刷和稀釋，使同步注漿填充更飽滿，限制管片上浮的空間。

3.4 采用前盾底部設(shè)計(jì)千斤頂防止盾構(gòu)栽頭

為了防止盾構(gòu)由于栽頭而導(dǎo)致的管片上浮，光靠利用推進(jìn)油缸下方油缸組與上方油缸組的推力和行程差是不夠的。盾構(gòu)在硬巖段掘進(jìn)時(shí)，圍巖可以自穩(wěn)，在前盾底部?jī)蓚?cè)對(duì)稱增設(shè)徑向千斤頂(如圖3所示)，通過(guò)千斤頂伸出盾體撐圍巖壁來(lái)獲得反力，使盾構(gòu)強(qiáng)行抬頭。通過(guò)這種特殊設(shè)計(jì)，克服盾構(gòu)結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量分布不均的缺陷。

圖3 前盾底部千斤頂設(shè)計(jì)Fig.3 Cylinders at bottom of front shield

3.5 防止管片上浮的其他措施

對(duì)于全斷面硬巖地層，除了上述防止管片上浮的新措施外，還有其他一些常規(guī)措施。在隧道內(nèi)堆放重物，抵消注漿漿液和地下水對(duì)管片的浮力;加設(shè)剪力銷增加接頭抗剪強(qiáng)度，增大對(duì)管片浮力的抗力;改善漿液特性和注漿工藝，縮短漿液初凝時(shí)間，使?jié){液由上向下填充;盾構(gòu)掘進(jìn)軸線適當(dāng)?shù)陀谒淼涝O(shè)計(jì)中線，抵消管片部分上浮量。

4 結(jié)論與討論

為了減少全斷面硬巖地層的管片上浮，分析了管片上浮的原因和機(jī)制，其根本原因在于導(dǎo)致管片上浮的力學(xué)條件和空間條件。針對(duì)管片上浮的原因，提出了有針對(duì)性的防止管片上浮的新措施，包括采用豆礫石回填灌漿工藝進(jìn)行管片壁后填充、利用止?jié){環(huán)與隔水環(huán)防止?jié){液流失、半敞開(kāi)式掘進(jìn)提高同步注漿效果、采用前盾底部設(shè)計(jì)千斤頂防止盾構(gòu)栽頭等。新措施的抗浮效果需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工來(lái)驗(yàn)證。另外，對(duì)于管片上浮問(wèn)題，還需要進(jìn)一步延伸到軟土地層，并結(jié)合地層沉降問(wèn)題做更深層次的研究工作。

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