粉質(zhì)黏土地層盾構(gòu)施工管片上浮原因及預(yù)防措施研究

劉媛媛

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司)，山西 太原 030006)

1 隧道工程概況

太原市地鐵二號線盾構(gòu)隧道下穿迎澤湖工程區(qū)間隧道采用單層管片襯砌，材料為鋼筋混凝土。管片內(nèi)徑5400 mm、外徑6000 mm，厚度為300 mm。管片拼裝采用六分塊方案：三塊標準塊，兩塊鄰接塊，一塊封頂塊。管片組合方式為通用型管片，拼裝方式為錯縫拼裝，管片接頭采用彎螺栓[1]。

1.1 地質(zhì)概況

太原市地鐵二號線穿越迎澤湖，迎澤湖水深約 1.5～5.0 m，湖寬約 40～300 m。太原地鐵二號線左右線開挖擾動范圍內(nèi)處于迎澤湖湖底范圍的地層自上而下依次為雜填土、黏質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉細砂、中砂層。盾構(gòu)右線隧道頂距離湖底約 13.50～17.67 m，其中湖底雜填土厚度 7.67～11.80 m，右線下穿湖體長度約 429 m。盾構(gòu)左線隧道頂部有大范圍液化黏質(zhì)粉土層存在(長度約 145 m，厚度約14.5 m)，盾構(gòu)左線下穿湖體長度約 176 m。

1.2 水文地質(zhì)

太原市地鐵二號線穿越迎澤湖工程區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水，主要賦存于湖底雜填土中，以上層滯水為主，水量微弱，透水性和富水性均較弱[2-5]。隧道穿越區(qū)頂部有大范圍液化黏質(zhì)粉土層存在，來源主要為雨水、灌溉水、河流流水、生活廢水、污水等地下管線漏水垂直滲漏補給，排泄方式為蒸發(fā)、人工抽降地下水和向下補給潛水等方式。

2 管片上浮原因分析

2.1 硬塑型粉質(zhì)黏土對盾構(gòu)施工的影響

盾構(gòu)機刀盤直徑大于盾體直徑，盾構(gòu)機在掘進過程中，管片與地層之間會有14 cm寬的建筑空隙。由于硬塑型粉質(zhì)黏土自穩(wěn)能力強，地層基本不會坍塌，刀盤經(jīng)過之后與管片之間的空腔就一直存在。盾構(gòu)掘進過程中，刀盤前方的水以及一部分氣體會經(jīng)過盾體外側(cè)流通到管片背后，影響盾構(gòu)同步注漿質(zhì)量，管片背后的空隙填充不飽滿，漿液中的水得不到滲透，短時間漿液達不到凝固狀態(tài)，管片得不到自穩(wěn)定，就會產(chǎn)生管片上浮、錯臺和破損現(xiàn)象。

2.2 地層中裂隙水影響

區(qū)間上方人工湖湖底距離隧道拱頂約6 m，地層中裂隙水較多，盾構(gòu)掘進一段距離后，地層中裂隙水逐漸匯集到管片壁后，很容易形成浮力。對于剛拖出盾尾的管片可能馬上就被游離態(tài)的水包圍，從而更容易形成水浮力[6]。

2.3 同步注漿漿液影響

當(dāng)管片脫離盾尾時，根據(jù)阿基米德原理，如果同步注漿漿液不能及時初凝并達到一定的早期強度，管片被包圍在漿液中，會產(chǎn)生比水更大的浮力。在管片脫出盾構(gòu)過程中，隨著漿液的注入及地層中水的逐漸匯集，會產(chǎn)生一個動態(tài)的上浮力。隨著同步注漿量及地層中裂隙水匯集量的多少會影響這個動態(tài)上浮力，導(dǎo)致管片不均勻上浮而造成管片錯臺破損。因此如果砂漿不能及時凝固對管片產(chǎn)生約束，管片就一直處于懸浮狀態(tài)，就有上浮的可能。

2.4 盾構(gòu)機推力影響

盾構(gòu)機在掘進過程中需要通過調(diào)整各組油缸推力來達到糾偏目的，以符合設(shè)計軸線要求。但受盾構(gòu)機自重影響，盾構(gòu)機下部油缸推力一般大于上部油缸推力，疊加下坡段盾構(gòu)機下部油缸推力增大在線路設(shè)計軸線法線上誘發(fā)的向上分力，結(jié)合管片壁后水與砂漿產(chǎn)生的浮力將加大管片上浮量[7-9]。

3 管片上浮技術(shù)控制措施

3.1 前期控制措施

為縮短同步注漿漿液凝固時間，及時有效地包裹管片和約束管片上浮，前期控制過程中優(yōu)化了同步注漿漿液的配合比。具體表現(xiàn)為：

(1)砂漿+水玻璃交錯注入能夠加快同步砂漿凝結(jié)時間，砂漿+水玻璃在接觸面快速形成骨架層，減小砂漿向刀盤流動量(可以考慮管片開孔注同步雙液漿，能夠提前在混合器內(nèi)混合，減少交叉注入出現(xiàn)的混合不均勻的現(xiàn)象)。

(2)砂漿∶水玻璃=10∶1玻璃摻量能夠使砂漿較快凝固。

3.2 過程中控制措施

3.2.1 密封環(huán)施工

地層中裂隙水較多，形成水流匯流至剛脫出盾尾的管片壁后，造成砂漿凝固時間加長，管片持續(xù)上浮。因此，在管片脫出后配套后，及時進行密封環(huán)施工，截斷管片后部來水，保證管片壁后是砂漿包裹管片。密封環(huán)施工作業(yè)時注意以下幾點：

(1) 密封環(huán)要求拖出后備套后每十環(huán)進行一次，除封頂塊之外，每個孔都需要進行注漿。

(2) 密封環(huán)采用水泥+水玻璃雙液漿形式，水泥∶水=1∶1，水泥漿∶水玻璃=1∶1。

3.2.2 同步注漿

同步注漿漿液應(yīng)滿足以下要求：具有良好的和易性和流動性、初凝時間短、收縮率小，具有早強特性。經(jīng)過室內(nèi)試驗與現(xiàn)場應(yīng)用測試，確定的配比為水泥∶細骨料∶水∶粉煤灰∶膨潤土=200∶720∶450∶360∶50。根據(jù)太原地鐵二號線穿越迎澤湖工程區(qū)現(xiàn)場情況，同步注漿施工時應(yīng)注意以下幾點：

(1)每環(huán)同步注漿量不低于5 m3，同時注意注漿壓力不大于3 bar，防止注漿壓力過大漿液竄流至刀盤。

(2)注漿司機在掘進過程中時刻關(guān)注掘進速度，注意注漿速度要與掘進速度匹配，保證漿液均勻填充管片壁后空隙。

(3)管片上浮量較大階段，可采用上部兩路注漿量加大、下部兩路注漿量減少的方式進行注漿，可抵消部分管片動態(tài)上浮力。

(4)由于該配合比漿液初凝時間較短，要求每個班組必須每天清洗一次注漿系統(tǒng)，包括砂漿罐、下料口、注漿管，保證同步注漿質(zhì)量。

3.2.3 二次注漿

二次注漿水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃為35°Bé，配比為：水泥∶水=1∶1，水泥漿∶水玻璃=1∶1方式進行注漿。

(1) 二次注漿目的。① 縮短砂漿凝固時間，讓砂漿從液體盡快轉(zhuǎn)換成固態(tài)，增加對管片的約束力。② 填充管片壁后上部注漿不夠飽滿的空隙，防止上部空隙過大，下部漿液產(chǎn)生浮力。③ 作為襯砌防水的第一道防線，提供長期、均勻、穩(wěn)定的防水功能，同時能截斷管片后不來水。④ 二次注漿時分解部分管片上浮力。

(2) 二次注漿技術(shù)要求。① 當(dāng)管片拖出盾尾第三環(huán)位置開始進行二次注漿，二次注漿應(yīng)在掘進過程中進行，讓同步注漿漿液與雙液漿更好的混合。② 注漿頻率根據(jù)本當(dāng)前階段上浮量來確定，當(dāng)上浮量大于4 cm時每環(huán)進行一次二次補充注漿，小于4 cm時候，每兩環(huán)進行一次二次注漿。③ 二次注漿開始階段只注入水玻璃，讓水玻璃與砂漿混合，結(jié)束階段采用注水泥+水玻璃雙液漿形式封口。④ 注漿點位選擇在隧道3—9點以上部位，注漿時采用注漿量與注漿壓力雙重控制原則，注漿壓力不超過0.3 MPa，每環(huán)二次注漿量不大于1 m3。

3.2.4 盾構(gòu)機掘進速度控制

盾構(gòu)機掘進速度直接影響管片上浮的程度和速度。一般情況下，推進速度過快時會導(dǎo)致同步注漿漿液跟不上推進的步伐，造成管片外的建筑空隙充填不密實，漿液也不能及時地提供一定的強度限制管片位移。太原地鐵二號線穿越迎澤湖工程隧道施工時采用了緩慢推進的技術(shù)方案，控制推進速度小于50 mm/min，確保了管片在脫出盾尾后不會因漿液的問題而產(chǎn)生上浮導(dǎo)致的錯臺、變形問題。

3.2.5 盾構(gòu)機姿態(tài)控制

控制盾構(gòu)機姿態(tài)的關(guān)鍵在于發(fā)現(xiàn)偏差時應(yīng)逐步糾正，控制油壓差不宜過大，與盾構(gòu)中心線相對稱區(qū)域的千斤頂油壓差應(yīng)小于70bar，其伸出長度差應(yīng)小于70 mm。盾構(gòu)推進過程中如果糾正過快將導(dǎo)致盾構(gòu)發(fā)生過量的蛇形運動，進而導(dǎo)致管片環(huán)面受力不均以及周圍土體擾動。盾構(gòu)主司機在盾構(gòu)糾偏時要采取“勤糾、少糾”原則，不得過急過猛地糾正偏差，每環(huán)糾偏量不大于5 mm。

3.2.6 出渣量控制

盾構(gòu)掘進過程中嚴格控制出渣量，在渣量超出設(shè)計值(連續(xù)兩車出渣油缸行程小于300 mm)，或者出渣量無法有效控制時，應(yīng)立即停機并分析原因，采取相應(yīng)控制措施。

3.2.7 管片姿態(tài)測量

在盾構(gòu)掘進過程中，測量組每天需要進行一次管片測量，測量范圍為拖出盾尾30環(huán)位置，每天將測量數(shù)據(jù)進行匯總、處理、上報，相關(guān)技術(shù)人員及時分析當(dāng)前階段管片上浮量，及時采取相應(yīng)的處理措施，嚴控管片上浮。

4 結(jié) 語

本文針對太原市地鐵二號線穿越迎澤湖工程，從已完成的盾構(gòu)掘進區(qū)間來看，在裂隙水較大的泥質(zhì)砂巖與硬塑型粉質(zhì)黏土中掘進時，截斷管片后部來水、保證漿液有效填充管片壁后空隙、縮短管片壁后砂漿凝固時間是控制管片上浮的三個關(guān)鍵因素。在通過采取密封環(huán)施工+同步注漿+二次注漿三重控制的措施下，能夠有效控制管片上浮。