微膨脹地層中盾構(gòu)管片上浮控制技術(shù)研究

夏成旭

(合肥市軌道交通集團有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

膨脹土亦稱“脹縮性土”，浸水后體積劇烈膨脹，失水后體積顯著收縮的黏性土。合肥地區(qū)黏土地層中因含有高嶺土顆粒，而具有微膨脹的潛勢，屬于微膨脹土。在盾構(gòu)掘進因需要注漿，會使微膨脹土地層的含水量發(fā)生改變，因而管片周圍土?xí)a(chǎn)生脹縮應(yīng)力，導(dǎo)致管片出現(xiàn)不同程度的上浮，對于成型隧道的限界控制產(chǎn)生不利影響[1-4]。

1 工程概況

合肥地鐵4號線金桂路站-科學(xué)大道站盾構(gòu)隧道區(qū)間地層中黏土含有伊利石、高嶺石等親水性顆粒而具有遇水膨脹，失水收縮，反復(fù)脹縮的特性，具有微膨脹性，屬于微膨脹地層。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機為中鐵裝備CTE6250H土壓平衡盾構(gòu)機，刀盤直徑6 280 mm，刀盤開口率到達(dá)60%。管片設(shè)計外徑6 m，厚0.3 m，內(nèi)徑5.4 m，長度1.5 m。

2 管片上浮位移觀測

表1為管片上浮統(tǒng)計表，表中初測時間為：該環(huán)管片拼裝完成當(dāng)天，該環(huán)管片一般位于盾尾位置；二測時間為：該環(huán)管片拼裝完成第二天，該環(huán)一般位于盾尾后6環(huán)位置；三測時間為：該環(huán)管片拼裝完成第三天，該環(huán)一般位于盾尾后12環(huán)位置；四測時間為：該環(huán)管片拼裝完成第四天，該環(huán)一般位于盾尾后18環(huán)位置。

表1 管片上浮統(tǒng)量(單位：mm)

從表1可以看出，單環(huán)管片最大總上浮量達(dá)到56 mm，最小總上浮量也有14 mm。如不控制管片上浮現(xiàn)象，極容易出現(xiàn)管片侵限問題。

管片累計上浮量與時間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 管片累計上浮量與時間關(guān)系圖

由圖1可知，管片第一次的上浮量較大，占總上浮量的比例超過82.4%。其中91環(huán)第一天的上浮量達(dá)到59mm，上浮量最大極易出現(xiàn)管片侵限；從第2天開始除96環(huán)，其他管片上浮量不在變化，趨于穩(wěn)定，有部分管片的上浮量略有減小。通過管片與盾構(gòu)機的相對位置關(guān)系以及每天掘進速度等情況，分析可知：當(dāng)管片脫出盾尾后管片開始出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，直到盾尾后6環(huán)管片上浮量趨于穩(wěn)定。

3 管片上浮原因分析

隧道管片上浮主要受地質(zhì)條件、注漿浮力、管片與土體間的間隙、盾構(gòu)姿態(tài)等因素影響[5]。下面對此次觀測區(qū)間內(nèi)隧道中管片上浮的具體原因進行分析。

3.1 同步注漿

文獻[6]研究受注漿液的影響，管片脫離盾尾后，漿液的浮力為管片自重的4倍。通過現(xiàn)場注漿后觀察管片上浮情況發(fā)現(xiàn)同步注漿可以很好地填充管片與土體之間的間隙，減少管片的移動空間，但由于注漿量不足或者漿液初凝時間長，不能很好地限制管片的移動，也會導(dǎo)致管片上浮。

3.2 二次注漿

二次注漿可以很好地填充同步注漿未充滿的空隙，二次注漿跟進不及時，對管片上浮也會有一定的影響。

3.3 注漿點位選擇

文獻[7]研究發(fā)現(xiàn)，管片上浮與注漿壓力有關(guān)。通過觀察現(xiàn)場注漿發(fā)現(xiàn)注漿點位置對注漿壓力有影響。當(dāng)注漿點偏下，下部注漿壓力會大于上部注漿壓力，就會給管片一個向上的力，加劇管片的上?。划?dāng)注漿點偏上時，上部注漿壓力大于下部注漿壓力時，就會給管片一個向下的力，抑制管片上浮。因此注漿過程中注漿點的位置特別關(guān)鍵。

3.4 千斤頂壓力

當(dāng)盾構(gòu)機保持正趨向時，盾構(gòu)機千斤頂會給管片一個向下的分力，限制管片的上浮。當(dāng)盾構(gòu)機的趨向為負(fù)時，盾構(gòu)機千斤頂會給管片一個向上的分力，劇管片的上浮[8,9]。盾構(gòu)垂直姿態(tài)控制不穩(wěn)，導(dǎo)致趨向變動較大，可能使上浮量呈波浪狀變化。

3.5 螺栓復(fù)緊

通常螺栓緊固分3次進行，分別是管片拼裝時、推進至1 200 mm時、脫出盾尾時。緊固的螺栓能有效增加管片之間的整體性，從而減少管片環(huán)與環(huán)之間、片與片之間的錯動，特別是環(huán)與環(huán)之間的縱向螺栓，使環(huán)與環(huán)之間連成一個整體，有效減少管片上浮。

3.6 地層的脹縮性

由于地層土為微膨脹性黏土，具有遇水膨脹，失水收縮，反復(fù)脹縮的特性，故同步注漿、二次注漿、渣土改良等能夠使地層含水量發(fā)生變化，對管片的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

4 控制措施

管片安裝后存在上浮主要是因為盾構(gòu)機刀盤的直徑要大于管片直徑，導(dǎo)致管片脫出盾尾后與土體之間存在空隙，從而管片安裝后會出現(xiàn)上浮[10]。為了解決管片上浮量較大這一問題，根據(jù)上述原因分析提出同步注漿、二次注漿、控制千斤頂推力和螺栓復(fù)緊等措施。

4.1 同步注漿

同步注漿的配合比、初凝時間和注漿量是影響管片的重要因素。在隧道盾構(gòu)掘進過程中，通過調(diào)整注漿材料和優(yōu)化配合比，以縮短漿液初凝時間，漿液材料配比表如表2所示。注漿過程中，適當(dāng)增加注漿量，由原來的5方改為5.5方，減小管片與土體之間的間隙。通過調(diào)整注漿方式來減小管片上浮，由均勻注漿改為適當(dāng)增大上部注漿量。上部注入70%的漿量，下部注入30%的漿量，以增大上部壓力，減小下部壓力，從而減少管片上浮量。

表2 漿液材料配比表(1m3漿液)

4.2 二次注漿

二次注漿及時跟進到一號臺車附近，及時填充同步注漿遺留下的空隙，加速漿液的凝固，限制管片上浮；開孔位置選擇在管片環(huán)上半部，以壓力控制為主。

4.3 千斤頂推力

穩(wěn)定盾構(gòu)機姿態(tài)，盾構(gòu)機糾偏采取勤糾、緩糾的方式，嚴(yán)禁大趨向糾偏，保持盾構(gòu)機抬頭推進，使千斤頂始終給管片向下的分力，抑制管片的上浮。

4.4 螺栓復(fù)緊

加強對于螺栓復(fù)緊的管理，確保螺栓復(fù)緊及時、全面，減少環(huán)與環(huán)之間的位置錯動，控制管片上浮。

5 結(jié)果分析

采取上述措施后，管片上浮量情況見表3。由表3所列可知，管片的總上浮量明顯減小，105環(huán)管片上浮量最大，但也只有18mm。其他兩個管片的上浮量基本為0。

表3 采取措施后管片上浮量(單位：mm)

采取措施后管片的累計上浮量隨時間變化的曲線如圖2所示。

圖2 采取措施后管片累計上浮量與時間關(guān)系圖

從圖2可以看出，管片的上浮量在第一天仍未最大，但是與未采取措施前相比上浮量有明顯的減小，初次上浮量最大僅為17 mm，僅為采取措施之前最大上浮量59 mm的28.8%，減小了71.2%。從圖中還可以看出，第二天開始，曲線開始下降，說明采取措施后管片累計上浮量開始減小，管片的整體上浮情況得到緩解。結(jié)果表明，在采取了增加同步注漿量和調(diào)整注漿方式、及時跟進二次注漿、控制千斤頂壓力和及時螺栓復(fù)緊等措施之后，管片上浮狀況得到了有效的控制，證明所采取的措施具有有效性。

6 結(jié)束語

通過對合肥市盾構(gòu)管片上浮量的研究分析，在微膨脹地層中盾構(gòu)掘進時出現(xiàn)的管片上浮量較大的現(xiàn)象，可以通過適當(dāng)增加注漿量，增大上部注漿量，采用初凝快的硬性漿，盾構(gòu)姿態(tài)抬頭穩(wěn)定推進，二次注漿及時跟進，加強螺栓復(fù)緊等措施進行有效控制。另外根據(jù)調(diào)查及實踐盾構(gòu)機選型時可選用刀盤直徑較小的盾構(gòu)機也有利于管片上浮控制。由于管片上浮的原因較多，控制管片上浮應(yīng)采取綜合治理的措施，單一措施難以達(dá)到理想效果。