土壓盾構(gòu)施工過程中管片上浮控制技術(shù)探討

韓 學(xué) 志

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100124）

1 工程概況及水文地質(zhì)

1.1 工程概況

成都地鐵5 號線土建10 標(biāo)元華車輛段出入段線盾構(gòu)區(qū)間由南、北出入段線構(gòu)成，單線總里程3 218 m。區(qū)間隧道平面總體呈S 形，縱斷面總體走向呈V 形。隧道最大覆土厚度19.2 m，最小覆土厚度5.7 m。隧道水平曲線最小轉(zhuǎn)彎半徑350 m，最大縱坡為32‰。

盾構(gòu)管片采用C50 P12 混凝土預(yù)制。管片外徑6 000 mm，內(nèi)徑5 400 mm，環(huán)寬1 500 mm，1 200 mm，管片厚度300 mm。每環(huán)由6 塊管片組成，其中1 塊封頂塊、2 塊臨接塊、3 塊標(biāo)準(zhǔn)塊。本隧道采用左、右轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)相互組合的方式來完成不同轉(zhuǎn)彎半徑的曲線擬合需求。所有楔形環(huán)均為雙面楔形，楔形量38 mm。

襯砌環(huán)拼裝方式采用錯縫拼裝，封頂塊偏離正上方±54 °和±18 °，襯砌環(huán)連接采用M27 彎螺栓，環(huán)縫10 根，縱縫12 根。環(huán)縫及縱縫間防水材料采用三元乙丙彈性密封墊，管片間采用丁腈橡膠軟木襯墊緩沖。圖1 為襯砌管環(huán)連接示意圖。

本隧道使用1 臺海瑞克盾構(gòu)機(jī)開挖，盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑6 290 mm，盾尾標(biāo)準(zhǔn)間隙設(shè)定為30 mm，盾尾采用被動鉸接形式，盾尾四周共設(shè)置8 路同步注漿管（4 用4 備）。

1.2 水文地質(zhì)

本區(qū)間隧道除始發(fā)和接收段位于單一砂卵石地層，最低點前后共200 m 位于單一的中風(fēng)化泥巖地層外，其余區(qū)段全部走行于上部為松散卵石，下部為強風(fēng)化和中風(fēng)化泥巖的復(fù)合地層。隧道埋深在5.7 m～19.2 m 不等。

區(qū)間隧道內(nèi)地下水豐富，上部主要來自于地層潛水和地表降水，與錦城湖的湖水連通。下部主要來自于泥巖裂隙水，經(jīng)探查在巖層較破碎的區(qū)段有水壓較高的局部富水段。

2 管片上浮監(jiān)測情況分析

通過觀察統(tǒng)計，管片上浮主要有以下幾個規(guī)律。

1）管片上浮從脫出盾尾那一刻開始（嚴(yán)重時管片在盾尾內(nèi)就已開始上?。?4 h 內(nèi)完成上浮位移的80%，72 h 后管片達(dá)到基本穩(wěn)定的狀態(tài)。

2）管片上浮位移在離開盾尾約1 個盾構(gòu)機(jī)長度（6 m～9 m）的位置達(dá)到最高值。

3）管片最終上浮位移基本與理論建筑間隙持平，即管片實際最終上浮到了開挖隧洞的最頂部，已無上浮通道。

3 管片上浮影響因素分析

3.1 施工中管片受力分析

推進(jìn)過程中管片所受到的上升力可按下式計算：

式（1）中：F浮為管片在地層中受到的浮力，kN，主要由地下水（F水）和未固化的砂漿（F砂漿）提供，取其中最大值；P升為推進(jìn)過程中受隧道坡度、管環(huán)楔形及盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的影響，盾構(gòu)機(jī)的推力并不完全垂直于管環(huán)截面，而是與管環(huán)截面呈一定角度，推進(jìn)過程中產(chǎn)生的上升分力，kN；G管為管環(huán)自身重力，kN；F負(fù)為管片外部負(fù)載產(chǎn)生的重力，一般是指管環(huán)內(nèi)及管環(huán)上部壓覆在管片上的負(fù)載產(chǎn)生的重力，kN。在自立性好的地層，管環(huán)外側(cè)上部為開挖空隙無負(fù)載，因此一般取內(nèi)部負(fù)載的重力值，此處取1 塊管片的重力，約32 kN；F其他為由螺栓緊固產(chǎn)生的管環(huán)之間的摩擦力和牽引力，kN。

3.1.1 管片在地層中受到的浮力

管片平均密度：ρ=2.4 t/m3。

管片環(huán)體積：V=8.05 m3。

管片產(chǎn)生的重力：G=193.2 kN。

管片在地層中受到的浮力：F水=423.9 kN；F砂漿=678.2 kN；F浮1=230.7 kN；F浮2=485.0 kN。

故單環(huán)管片在地層中受到上升力F浮1，F(xiàn)浮2取最大值：F升=485.0 kN。

由上述計算可看出在全泥巖地層，由于成洞效果好，在砂漿未凝固期間內(nèi)管片受到接近2.5 倍自身重量的上升力。

假設(shè)該上升力均勻在管環(huán)上半圓的圓周周面上，則抵消該上升力，砂漿必須在管片脫出盾尾后達(dá)到P≈0.034 MPa。

由此計算看出必須縮短同步砂漿的初凝時間，而且要保證砂漿的初凝強度。

實際施工中，1 個掘進(jìn)循環(huán)一般只有60 min～120 min，為保證砂漿的流塑性一般控制砂漿的初凝時間在6 h～8 h。因此在砂漿初凝前盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)完成3 環(huán)～4 環(huán)進(jìn)尺，此時脫出盾尾的管環(huán)全部浸潤在未初凝的砂漿中，累加后的上浮力大大增加，此時極易造成管片整體上浮、錯臺、破碎等現(xiàn)象，因此必須采取措施縮短漿液的初凝時間。

3.1.2 推進(jìn)分力

盾構(gòu)機(jī)在上下坡時千斤頂油缸對管片施加一個向上的分力P升，這里使用管片上浮量最大區(qū)段的坡度32‰，計算得：P升≈287.85 kN。

此處取在泥巖地層推進(jìn)過程中的平均推力P=9 000 kN，則在推進(jìn)過程中管片在脫出盾尾后受到的升力F：

管片在推進(jìn)過程中所受的向上的升力是管片自重的2.7 倍，在砂漿未凝固的情況下該升力急劇上升至管片自重的4 倍。

3.2 管片上浮原因總結(jié)

成型管片上浮為普遍現(xiàn)象，同時也是隧道工程建設(shè)領(lǐng)域的重點處理對象[1]，通過對實際情況的分析，探明引發(fā)管片上浮現(xiàn)象的主要原因，具體作如下分析。

1）地下水土壓力偏大，所設(shè)置的管片不具備完全抵抗水土浮力的能力，由于受力狀態(tài)失衡，導(dǎo)致管片上浮。

2）同步注漿施工期間漿液用量不足，部分建筑空隙難以得到填充，導(dǎo)致管片上浮。

3）同步注漿的工藝控制不合理，由于漿液初凝時間過長，難以快速硬結(jié)而導(dǎo)致管片上浮。

4）地層偏弱，盾構(gòu)機(jī)推力較低，難以在管片間形成足夠的約束力，導(dǎo)致管片上浮。

5）盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中未調(diào)整好盾構(gòu)機(jī)千斤頂推力截面，與隧道截面形成交角，正常推力給管片一個上升的分力，加劇了管片的上浮。

4 管片上浮控制基本措施

4.1 改良漿液，提高注漿壓力，增加注漿量

1）縮短初凝時間。在制備漿液時可適當(dāng)增加水泥的用量，使?jié){液初凝時間縮短至4 h。

2）增加漿液的稠度?？筛鶕?jù)漿液的配制情況選擇合適的增稠劑，保證砂漿的凝聚效果，提高其抗沖刷能力。

工程實踐中，具體應(yīng)從如下方面切入：①添加適量增稠劑和水泥用量，將漿液的初凝時間控制在4 h 以內(nèi)；②加強對盾構(gòu)機(jī)運行期間垂直姿態(tài)的控制；③加強二次注漿，保證結(jié)構(gòu)空隙得到有效充填，水灰比=1∶1，水泥漿：水玻璃混合液=2∶1，靜止?fàn)顟B(tài)下初凝時間25 s～30 s。表1 為增稠型同步砂漿漿液配比表。

表1 增稠型同步砂漿漿液配比表 kg/m3

需注意的是：一般在漿液車上調(diào)制漿液，調(diào)制完成后第一時間將漿液抽取到臺車漿液罐里進(jìn)行注漿，縮短漿液停滯時間。同時在添加增稠劑和水泥時一定要均勻撒開，否則會造成結(jié)塊、結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，易堵塞抽漿泵或抽漿管。

3）提高注漿壓力。將原來2.1 bar～2.3 bar 的注漿壓力，提高至4.0 bar～5.5 bar，使?jié){液擴(kuò)散得更遠(yuǎn)。增稠后漿液的流動性、擴(kuò)散性變差，因此要相應(yīng)提高注漿壓力設(shè)定值，確保漿液的擴(kuò)散范圍。

4）增加注漿量。注漿量由原來的6 m3增加到7.5 m3，由于漿液在運輸、轉(zhuǎn)移和注入地層的過程中均有不同程度的損失，因此增加漿液拌制量以保證充填飽滿。

5）均勻注漿。由原來的只使用上部2 根注漿管，改為4 根注漿管同時使用。保證漿液注入的速度和掘進(jìn)速度相匹配，同時縮短上部漿液充填建筑空隙的時間。

4.2 及時跟蹤雙液注漿

為控制管片上浮，在實際施工中雙液注漿頻率逐步由5 環(huán)1 注提高至3 環(huán)1 注、2 環(huán)1 注、直至每環(huán)1 注。雙液注漿的點位一般控制在2 點～11 點間，每環(huán)的注漿量則控制在0.3 m3～0.5 m3，雙液注漿比例按1∶1 配置，初凝時間基本控制在30 s，在上浮量較大的區(qū)段，縮短初凝時間到10 s～15 s。

為了控制管片上浮，本工程曾一度將雙液注漿點選在了管片出盾尾的第1 環(huán)，效果較明顯。但是在抵近盾尾使用雙液漿時，需注意注漿時機(jī)，建議在推進(jìn)的過程中注雙液漿，可以避免盾尾被漿液包裹。實踐證明，使用雙液漿補充注漿可以有效解決管片上浮問題，建議后續(xù)施工中主動使用雙液注漿對管片壁后進(jìn)行補充注漿，降低管片的上浮幾率。

4.3 其他措施

1）調(diào)低垂直控制姿態(tài)。根據(jù)本區(qū)間經(jīng)驗，在措施做得足夠好的情況下管片仍然普遍存在均勻的上浮現(xiàn)象，隧道整體上浮的幅度基本維持在30 mm～40 mm。因此在實際施工過程中，可以將導(dǎo)向系統(tǒng)的垂直控制點向下壓40 mm，以抵消隧道整體上浮的位移量。

2）螺栓復(fù)緊。在地質(zhì)條件復(fù)雜、管片上浮嚴(yán)重的區(qū)段必須嚴(yán)格控制螺栓復(fù)緊頻次，嚴(yán)格按照要求復(fù)緊3 次以上。同時由于復(fù)緊頻次增加，人工復(fù)緊質(zhì)量不能保證，建議使用專用快速工具復(fù)緊，以防出現(xiàn)人工復(fù)緊不到位的現(xiàn)象。

3）槽鋼拉錨。為增強管片的抗浮能力，將盾尾后部1 環(huán)～2 環(huán)管片使用［100 的槽鋼與盾尾內(nèi)的管片連接起來，使盾尾前后的幾環(huán)管片成為一個整體，提高此區(qū)域管片的抗浮能力[2]。一般拉2 道即可，壓力較大的地層可以增加到3 道。

4）嚴(yán)格把控施工進(jìn)尺。正常工況下，單日進(jìn)尺量可達(dá)到1 個盾構(gòu)機(jī)長度或更長，期間管片上浮的發(fā)生概率相對較大，若缺乏有效的控制措施則容易出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)抬頭困難等異常狀況[3]。受此影響，盾構(gòu)機(jī)上、下兩部分的盾尾間隙處于動態(tài)化的變化狀態(tài)，加大了誤差的控制難度。

5）調(diào)整盾構(gòu)機(jī)工作姿態(tài)。盾構(gòu)機(jī)的反推力將作用于管片處，隨即形成方向向上的分力，在其影響下管片存在上浮現(xiàn)象。對此，操作人員應(yīng)合理控制盾構(gòu)機(jī)，保證其推力與管片截面形成相垂直的關(guān)系，盡可能削弱向上的分力。若盾構(gòu)機(jī)的推力偏小易導(dǎo)致管片間的應(yīng)力快速釋放，管片間的約束力被削弱，發(fā)生更為明顯的管片上浮現(xiàn)象。

6）加大荷載。處理區(qū)域為盾尾與1#臺車之間，可向其中增加荷載，例如采取堆載管片的方式，以維持管片的穩(wěn)定性，從而達(dá)到抑制管片上浮的效果。

7）放水降壓。施工期間存在難以有效注入漿液的情況，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)隧道具有高度的密封性且壓力較大。對此，通過開孔的方式卸壓，在釋放承壓水后即可恢復(fù)正常注漿施工狀態(tài)。

8）開孔檢查。隧洞成型效果與地質(zhì)條件具有緊密關(guān)聯(lián)，需根據(jù)實際地質(zhì)情況針對性檢查壁后注漿效果，分析漿液的注入情況。若局部漿液不飽滿應(yīng)探明具體原因，采取相適應(yīng)的處理措施，保證縫隙內(nèi)漿液的飽滿度，力爭在源頭上處理好問題，以免因后續(xù)出現(xiàn)大范圍質(zhì)量問題而返工。

4.4 管片上浮防治效果

1）管片垂直姿態(tài)和管片上浮位移部分觀測數(shù)據(jù)顯示，使用增稠漿液后管片垂直姿態(tài)最終平均值為-26.2 mm，管片上浮位移平均值為16.6 mm，管片最終垂直姿態(tài)偏差為-9.6 mm，在設(shè)計允許偏差范圍內(nèi)。

2）控制效果。在嚴(yán)格執(zhí)行同步注入增稠漿液和雙液漿的情況下，管片上浮得到了有效控制，24 h前后測量差值約穩(wěn)定在30 mm，基本解決了管片上浮的問題。

5 結(jié)論與建議

在本工程隧道施工過程中，針對成都富水泥巖、砂卵石復(fù)合地層容易發(fā)生管片上浮現(xiàn)象，通過采用改良砂漿稠度、加大注漿量、及時補充雙液漿、調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)等措施，有效填充壁后空洞，保證管片拼裝穩(wěn)定性，達(dá)到控制盾構(gòu)管片上浮的目的，充分發(fā)揮出管片在隧道工程中的作用。按照本文所提的內(nèi)容有序組織施工，本工程最終取得了良好的效果，可為今后類似工程提供借鑒。