大粒徑、高強度富水砂卵石地層盾構(gòu)管片上浮原因分析及控制技術(shù)

鮑明星 李翔

【摘 要】成都地鐵4號線二期工程（不含同步實施工程）線路全長17.578公里，分東、西延伸線兩部分，其中東延線長6.683公里，西延線長10.859公里。出入場線長4.581公里，共設(shè)車站12座（東延線4座，西延線8座）、主變電所1座，文家車輛段擴容及西河停車場1座，B型車6輛編組（138輛）。依托成都地鐵市政軌道交通盾構(gòu)工程項目，對盾構(gòu)掘進管片上浮原因進行分析，提出有效的解決方案。

【關(guān)鍵詞】大粒徑、高強度 富水 砂卵石 盾構(gòu) 管片上浮 原因分析 控制技術(shù)

1 工程概況

成都地鐵4號線二期工程土建2標地處成都市溫江區(qū)，位于我國新華夏系第三沉降帶之川西褶帶的西南緣，界于江油～灌縣區(qū)域性斷裂帶和龍泉山褶皺帶之間，為一斷陷盆地。卵石粒徑最大值可以達到1m，單軸抗壓強度65.5～184MPa，平均102.2MPa，極值為206MPa。在該層中還存在鈣質(zhì)膠結(jié)、半膠結(jié)的礫石層，硬度大，本標段光西盾構(gòu)區(qū)間隧道所穿越的巖層以中密卵石土〈2-9-2〉、密實卵石土〈2-9-3>和密實卵石土〈3-8-3〉為主，砂卵石較為密實，所處地層透水性較好，除始發(fā)和到達端車站降水影響區(qū)域范圍外，隧道全斷面均處于地表水以下。

2 施工難點

（1）大粒徑、高強度富水砂卵石盾構(gòu)管片上浮的先決條件切實存在，盾構(gòu)掘進過程中，上浮原因分析不當，關(guān)鍵工序控制不到位，極易造成管片上浮，導(dǎo)致隧道中線偏線事故發(fā)生。

（2）控制管片上浮是一項系統(tǒng)工程，而不是靠某一道工序就能“包治百病”的，只有將各種關(guān)鍵技術(shù)手段發(fā)揮到最優(yōu)效果，才能從源頭解決管片上浮問題。

3 研究意義

隨著我國國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，作為隧道施工核心技術(shù)的盾構(gòu)法施工，更為廣泛應(yīng)用于市政地鐵隧道施工。通過本課題的研究及實踐，在特殊地質(zhì)條件下，盾構(gòu)掘進施工中找出控制管片上浮的關(guān)鍵原因，制定切實可行且經(jīng)實踐驗證的解決方案，不僅對當前成都地鐵4號線二期后續(xù)盾構(gòu)法施工具有重要意義，而且也可以為今后國內(nèi)外類似地質(zhì)條件下盾構(gòu)工程解決關(guān)鍵施工技術(shù)難題，都有著非常重要的意義。

4 管片上浮原因

4.1 環(huán)形空間

盾構(gòu)機的切削刀盤直徑D與隧道管片的外徑d有一定的差值，當管片脫出盾尾后，管片與地層間存在一圓環(huán)形建筑空間。在大粒徑、高強度富水砂卵石地層中盾構(gòu)掘進，由于圍巖自穩(wěn)性差，應(yīng)力釋放快，導(dǎo)致環(huán)形空間在管片脫出盾尾時，即便是及時進行了同步注漿固結(jié)處理，但仍然有一定數(shù)量的砂卵石緊貼管片，形成地層架空，該架空填充了一定的建筑空間，其處于松散型態(tài)，不具備足以抵抗管片上浮的作用力，所以托出盾尾時的建筑空間是為管片上浮提供了必要的空間基礎(chǔ)。

4.2 浮力作用

在中密卵石土〈2-9-2〉、密實卵石土〈2-9-3>和密實卵石土〈3-8-3〉地層中，水位為地面以下2米，隧道中心線平均埋深為17.4米，隧道外徑6m，內(nèi)徑5.4m、刀盤直徑6.28m，管片環(huán)寬為1.5m，以砂漿密度1500kg/m?為例計算結(jié)果如下：

漿液浮力F浮1=1500×9.8×（3?×π×1.5）=623KN

地下水浮力F浮2=1000×9.8×（3.14?×π×1.5）=455KN

管片自重： G=ρ×Vc=24×8.05=193.2KN

管片浮力隨時間的曲線可以表訴如下：

F浮1>F浮2>G，所以浮力作用是引起管片上浮的主要源動力。

4.3 推力差作用

盾構(gòu)機在掘進過程中的運動軌跡實際上是一條不規(guī)則的蛇形運動軌跡，始終圍繞著隧道軸線作蛇形運動，要通過不斷調(diào)整各分區(qū)油缸千斤頂?shù)耐屏碜尪軜?gòu)機運動中不斷趨近于隧道設(shè)計軸線。在盾構(gòu)掘進中，由于盾構(gòu)機自身重心位于前盾，盾構(gòu)機自身重力方向線與管片提供的反作用力，在盾構(gòu)機姿態(tài)平行于隧道中心線的情況下，盾構(gòu)機存在一向前下的分力，將導(dǎo)致盾構(gòu)機不斷偏離隧道設(shè)計中線，正常情況下，盾構(gòu)機掘進姿態(tài)保持盾尾略低于盾首；當盾構(gòu)機姿態(tài)處于異常情況下，要加大下部千斤頂?shù)耐屏σ钥朔軜?gòu)機身的自重，導(dǎo)致管片底部受到的作用力大于頂部，管片環(huán)面上受力不均，加劇了管片上浮的趨勢。

所以異常情況下，上下油缸推力差f的作用是引起管片上浮的另一主要原因。

4.4 掘進超方

盾構(gòu)機在掘進過程中由于渣土改良差、地下水豐富和圍巖遇水穩(wěn)定性差等因素，導(dǎo)致掘進出土方量超出理論出土方量，在刀盤前方形成空腔或破壞了原有地層的自穩(wěn)性，導(dǎo)致抑制管片上浮作用力降低或提供更大的上浮空間，非管片上浮的主要原因。

4.5 管片姿態(tài)測量滯后

管片托出盾尾后，管片的姿態(tài)呈現(xiàn)一定不穩(wěn)定性，如果不能及時地跟蹤托出盾尾后的管片姿態(tài)，及時地將管片姿態(tài)與盾構(gòu)機姿態(tài)進行比對分析，就不能及時發(fā)現(xiàn)管片上浮的趨勢和程度，不能采取行之有效地處置措施，將導(dǎo)致管片上浮境況的不斷惡化，導(dǎo)致隧道中心線偏離設(shè)計中心線，進而導(dǎo)致質(zhì)量事故的發(fā)生。

所以管片姿態(tài)測量滯后，是導(dǎo)致管片上浮的又一主要原因。

5 解決方案及關(guān)鍵技術(shù)

5.1 注漿控制

盾構(gòu)掘進過程中洞內(nèi)注漿可分為同步注漿和二次注漿兩種，是填充地質(zhì)環(huán)形空間和少量掘進超方最有效的手段，漿液初凝后，能夠有效的填充環(huán)形空間，可以避免管片滯后上浮情況的發(fā)生。

5.5.1同步注漿

盾構(gòu)掘進過程中應(yīng)保障掘進施工與同步注漿工作一并進行，根據(jù)注漿能力適當調(diào)整掘進速度，確保二者相互匹，配同步注漿采用注漿壓力和注漿量雙控的措施，注漿時管片中心線以下的注漿點位，以填充為原則，壓力不易過大，主要是為了避免管片下部因漿液填充不密實，導(dǎo)致管片在枯水時段，易出現(xiàn)管片下沉及其衍生事故發(fā)生；中心線以上的注漿點位點位注漿時，既要保障注漿量又要保障注漿壓力達到要求，壓力一般不得低于2.5bar，這樣既能保障地層環(huán)形空間的有效填充，又能保障漿液在壓力作用下，縮短漿液初凝時間，盡早提供控制管片上浮的作用力，進而約束管片上浮。

5.5.2二次注漿

二次注漿封堵可以采用單液、雙液漿間歇交叉注入的方式，分多次、均勻、少量進行，以達到擴散填充和加固均勻有效，填充同步注漿未注漿飽滿區(qū)域，以達到控制管片上浮的目的。

5.2 盾構(gòu)掘進控制

在成都富水砂卵石地層不穩(wěn)定、易坍塌，在掘進速度、出渣、地面沉降可控情況下，建議以小推力、大貫入度、適度轉(zhuǎn)速和大扭矩為原則控制盾構(gòu)掘進施工。

在密實砂卵石相對穩(wěn)定地層中盾構(gòu)掘進，對刀盤面板及刀具噴灑改良劑以到達減磨降溫的目的，以加快掘進速度，減輕盾構(gòu)各類設(shè)備的損耗。當渣土改良差時，刀盤、土倉很容易結(jié)泥餅，嚴重影響掘進施工出渣量控制，甚至威脅地面及周邊建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、地表環(huán)境情況，應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)泡沫劑，輔以添加對應(yīng)地層特性的化學(xué)試劑，使之成為密水性、流塑性與和易性良好的土倉承壓介質(zhì)。改良好的渣土在土倉中準確傳遞開挖面的水、土壓力，實施土壓平衡掘進，減小對地層的擾動，同時也可減小對刀盤、刀具和螺旋輸送機的磨損。

5.3 管片姿態(tài)測量

測量管片前應(yīng)確保聯(lián)系測量成果的時效性，充分考慮管片上浮對控制點三維坐標成果的影響，控制點使用前必須對其穩(wěn)定性進行檢查和評估，且應(yīng)使用聯(lián)系測量成果中的點位作為測站點進行管片姿態(tài)測量。管片測量的頻率應(yīng)根據(jù)每日掘進的環(huán)數(shù)來確定，一般情況10環(huán)復(fù)測一次，當管片姿態(tài)超限時，應(yīng)每環(huán)進行管片姿態(tài)測量。每次測量搬站時對數(shù)據(jù)輸入前后結(jié)果必須進行檢查復(fù)核，搬站前后的坐標成果需要進行比對，確保盾構(gòu)機導(dǎo)向系統(tǒng)與管片測量系統(tǒng)之間偏差在可控范圍內(nèi)。當坐標較差值超限時，應(yīng)查明原因后，方可恢復(fù)掘進施工。

6 研究成果

通過工程實踐，對盾構(gòu)掘進管片上浮的原因分析和控制措施關(guān)鍵技術(shù)的研究和歸納總結(jié)，提出了合理的施工方案、質(zhì)量控制方法和控制要點，形成了一套高效的施工技術(shù)體系，確保盾構(gòu)掘進這項系統(tǒng)性工程能夠圍繞控制管片上浮開展各項相關(guān)工作，保證了盾構(gòu)法掘進工程施工的質(zhì)量和安全。

7 結(jié)語

本次課題研究技術(shù)已經(jīng)在成都地鐵4號線二期工程西沿線盾構(gòu)法施工中得到大規(guī)模應(yīng)用，確保了盾構(gòu)施工安全、優(yōu)質(zhì)和高效地完成，應(yīng)用效果良好，取得了良好的經(jīng)濟、社會效益，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

作者簡介：鮑明星（1980—），男，四川成都人，大學(xué)，工程師，中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，多年從事水利水電工程施工、地基與基礎(chǔ)工程施工技術(shù)及管理工作；李 翔（1983—），男，四川成都人，大學(xué)，工程師，中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，多年從事水利水電工程施工、地基與基礎(chǔ)工程施工技術(shù)及管理工作。