盾構(gòu)隧道施工管片上浮因素分析及控制措施

紀(jì)銘銳 李 棟

（中交隧道工程局有限公司北京盾構(gòu)工程分公司，北京 100102）

本次根據(jù)上海軌道交通13號(hào)線108標(biāo)學(xué)林路站—張江路站盾構(gòu)區(qū)間工程，研究盾構(gòu)隧道施工管片上浮因素及相應(yīng)的控制措施。區(qū)間概況：盾構(gòu)從學(xué)林路東端頭井始發(fā)，向東北在中科路下穿行，過學(xué)林路、育人路、穿越中環(huán)線、順和路到達(dá)張江路站。本區(qū)間為單圓盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間長(zhǎng)1 368.111 m，埋深8.4～16.6 m之間，線路最大坡度-21.48‰，最小轉(zhuǎn)彎半徑800 m。盾構(gòu)穿越的土層主要為第④灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1灰色黏土。

1 施工期管片上浮情況

盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，剛剛脫出盾尾的管片表現(xiàn)出局部和整體上浮現(xiàn)象，管片出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、破損、裂縫甚至線路偏位。

根據(jù)上海工程地質(zhì)及設(shè)計(jì)方案，盾構(gòu)區(qū)間采用直徑6 760 mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。6塊環(huán)形預(yù)制鋼筋混凝土管段厚度為350 mm，環(huán)寬為1.2 m，在貫通接頭處組裝成內(nèi)徑為5.9 m，外徑為6.6 m的圓形隧道。管片監(jiān)測(cè)儀器采用徠卡 NA2水準(zhǔn)儀和標(biāo)尺用于收集不同時(shí)間和周期的管段標(biāo)高，將其減去初始的高程可得到管片上浮的位移量，以研究管片隨環(huán)數(shù)的上浮情況。

根據(jù)隧道監(jiān)控顯示，在區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，24環(huán)出現(xiàn)最大下沉量，在-3.8 cm左右；第30環(huán)區(qū)段管片開始出現(xiàn)上浮，后逐漸加劇。在掘進(jìn)至第68環(huán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)管片最大上浮趨勢(shì)10.28 cm。掘進(jìn)第80環(huán)后，通過合理設(shè)置掘進(jìn)參數(shù)，調(diào)整同步注漿、二次注漿方案和盾構(gòu)姿態(tài)，管片上浮控制到2 cm左右。

2 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)參數(shù)分析

盾構(gòu)機(jī)推力參數(shù)分析主要集中在盾構(gòu)機(jī)的總推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度和土壓力等方面展開研究。

2.1 盾構(gòu)機(jī)總推力

在始發(fā)井加固區(qū)內(nèi)掘進(jìn)過程中，推力控制在9 000 kN以內(nèi)，前期正常掘進(jìn)過程中，總推力控制在1 2000 kN左右，整體推力呈平穩(wěn)上升趨勢(shì)，在姿態(tài)調(diào)整過程中有一定波動(dòng)，屬于正?，F(xiàn)象。

2.2 刀盤扭矩及刀盤轉(zhuǎn)速

始發(fā)階段刀盤轉(zhuǎn)速較小，控制在0.6 rpm，正常掘進(jìn)后，根據(jù)推進(jìn)速度逐步調(diào)整至1.0～1.2 rpm，扭矩整體平穩(wěn)，穩(wěn)定在700 kN·m左右，符合地層特性。

2.3 刀盤推進(jìn)速度

端頭井加固區(qū)采用攪拌樁、高壓旋噴進(jìn)行加固，盾構(gòu)機(jī)必須在加固區(qū)域緩慢推進(jìn)，控制刀盤的扭轉(zhuǎn)距離和推力，以確保刀盤在前方加固土上完全切割，推進(jìn)速度控制20 mm/min以內(nèi)；脫出加固體后逐步提高推進(jìn)速度。然而推進(jìn)速度過快時(shí)，同步注漿漿液不能及時(shí)補(bǔ)充，不能保證管片脫出盾尾時(shí)管片空隙和注漿量平衡，地面有一定的沉降。因此將推進(jìn)速度控制在40 mm/min以內(nèi)，地表沉降得到有效緩解。

通過對(duì)以上始發(fā)階段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)范圍的分析，確定了下階段盾構(gòu)掘進(jìn)主要參數(shù)指標(biāo)：根據(jù)地質(zhì)條件、推進(jìn)速度、盾構(gòu)姿態(tài)等情況，扭矩在600～1000 kN·m，推力控制在1600 T以下，掘進(jìn)速度40 mm/min左右。

2.4 土壓的設(shè)定

正平衡壓力：P=k0gh，其中，P為平衡壓力（包括地下水）；k0為土壤的側(cè)向靜態(tài)平衡壓力系數(shù)；g為土體的平均重度（kN/m3）；h為隧道埋深（m）。

在盾構(gòu)隧道施工中，參照上述方法可以得到平衡壓力的設(shè)定值。具體的施工設(shè)定值根據(jù)盾構(gòu)的埋深、該位置的土壤狀況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整。通過經(jīng)驗(yàn)計(jì)算土壓值控制在0.24 MPa左右。

3 管片上浮控制措施

3.1 壁后同步注漿

3.1.1 注漿量

漿液配比嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)配比進(jìn)行拌制，依據(jù)盾構(gòu)機(jī)開挖直徑和管段外徑的計(jì)算，每個(gè)環(huán)的理論空隙約為3.6 m3，把漿液擴(kuò)散系數(shù)定位1.6，同步注漿總量理論值在5.5 m3。針對(duì)前期地表沉降監(jiān)測(cè)（盾尾整體隆起），減小同步注漿量，由原來的7 m3減小為6 m3，最后漿量調(diào)整為5 m3。

3.1.2 注漿壓力

注漿壓力通常是靜土壓力和同步注漿壓力的1.1～1.2倍，隨著地層的埋深逐步加大。由于注漿壓力傳感器距離漿液出口較遠(yuǎn)，注漿過程中管道有一定壓力損失，所以從數(shù)據(jù)顯示壓力較大，屬正?，F(xiàn)象，同步注漿壓力控制在0.30～0.45 MPa。

3.1.3 注漿位置

盾尾包括4個(gè)同步注漿孔，上部2個(gè)，下部2個(gè)。調(diào)整注漿方式，前期上部注漿孔注漿量為下部注漿孔2倍，在上浮趨勢(shì)不控制不明顯的情況下，僅注上部注漿孔，下部注漿孔不注漿；由于過程中出現(xiàn)了管片錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，目前調(diào)整為上部注漿4.5 m3左右，下部注漿0.5 m3左右。

3.2 管片開孔二次注漿

二次注漿在推進(jìn)過程和同步灌漿同步進(jìn)行。注漿位置是脫出盾尾4環(huán)，分2次注漿，兩環(huán)一注，水泥漿水灰比為1∶1，注漿量為0.2 m3，水泥漿與水玻璃的比例為1∶1，注漿位置位于隧道頂部。采用帶管口的注漿方法容易清理，雙液注漿設(shè)備簡(jiǎn)潔易操作，方便清洗。水泥水玻璃雙液漿初凝時(shí)間快，13 s左右，對(duì)管片形成環(huán)箍抑制管片上浮。

3.3 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制

3.3.1 盾構(gòu)機(jī)自身的姿態(tài)控制

自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工手動(dòng)測(cè)量被用來監(jiān)測(cè)防護(hù)罩的姿態(tài)。該系統(tǒng)可以在盾構(gòu)機(jī)主控室內(nèi)顯示盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前垂直和水平位置與隧道設(shè)計(jì)軸線之間的偏差和趨勢(shì)。相應(yīng)地調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)，掘進(jìn)姿態(tài)由盾構(gòu)機(jī)的鉸鏈系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)控制。

根據(jù)規(guī)范要求，隧道軸線水平和垂直位移應(yīng)控制在±50 mm以內(nèi)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)良好時(shí)，可以依靠盾構(gòu)機(jī)適當(dāng)矯正管片姿態(tài)。

3.3.2 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)對(duì)管片上浮控制

偏差校正應(yīng)逐環(huán)進(jìn)行，少量偏差校正，以防止過度偏差而損壞組裝好的管件和屏蔽尾密封。在曲線段掘進(jìn)時(shí)，在進(jìn)入曲線之前，應(yīng)保留靠近曲線內(nèi)部的偏移。根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)反映的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)信息和線路狀況，結(jié)合隧道地層，通過選擇盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸模式來控制掘進(jìn)方向。與此同時(shí)，在曲線段的掘進(jìn)中，根據(jù)曲線半徑計(jì)算鉸鏈角，并調(diào)整鉸鏈筒的伸長(zhǎng)以輔助曲線的施工。

推進(jìn)缸的液壓調(diào)節(jié)不應(yīng)過快或過大，過快的切換速度會(huì)導(dǎo)致管段應(yīng)力狀態(tài)的突然變化，損壞管段；掘進(jìn)參數(shù)應(yīng)根據(jù)地下地層情況及時(shí)調(diào)整。調(diào)整隧道方向時(shí)，應(yīng)設(shè)置警告值和限值。當(dāng)達(dá)到警告值時(shí)，應(yīng)立即啟動(dòng)偏差校正程序，以計(jì)算偏差校正曲線。偏差校正操作只能在管件相對(duì)于盾構(gòu)機(jī)處于良好狀態(tài)時(shí)進(jìn)行。在糾偏操作期間，嚴(yán)格監(jiān)控盾尾間隙。盾尾間隙每提前30 cm測(cè)量一次，以確保盾構(gòu)機(jī)不會(huì)卡住，盾尾刷不會(huì)損壞。

4 結(jié)語

（1） 針對(duì)前期地表沉降監(jiān)測(cè)出現(xiàn)的一定隆起，減小同步注漿量，由原來的6 m3減小為5.2 m3，減小對(duì)管片的上浮力；在發(fā)現(xiàn)地表有沉降趨勢(shì)的情況下，逐步上調(diào)注漿量至5.7 m3；后期為減小管片的上浮趨勢(shì)，將注漿量控制在5 m3。

（2） 為了控制管片上浮并抑制管片錯(cuò)臺(tái)，調(diào)整為上部注漿4.5 m3，下部注漿0.5 m3；注漿壓力持續(xù)控制在0.4 MPa左右。

（3） 采用管片開孔注漿方式，進(jìn)行二次雙液漿注漿，縮短漿液的凝固時(shí)間，對(duì)管片形成環(huán)箍抑制管片上浮。為了防止?jié){液前竄干擾破壞盾尾刷，距離盾尾約4環(huán)位置進(jìn)行二次注漿。