巖層盾構(gòu)隧道管片及道床板上浮分析與處治*

吉艷雷，謝君泰，吳文彪

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧院，陜西 西安 710043；2.粵水電軌道交通建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510610)

本文對(duì)某鐵路隧道盾構(gòu)區(qū)間全斷面硬巖地層遇到的成型管片及道床板上浮病害問題進(jìn)行分析，提出可行整治措施。

1 工程概況

某城際鐵路全長(zhǎng)5.9km，為雙洞單線盾構(gòu)隧道，采取φ8.8m土壓盾構(gòu)施工，局部盾構(gòu)段位于河涌正下方。地表河涌寬30～35m，正常水深2m。管片上浮段長(zhǎng)約73m，該段線路坡度為2.35%，下坡掘進(jìn)，覆土厚度為31～34m，兩管盾構(gòu)隧道間凈距11m。盾構(gòu)管片采用 C50混凝土，管片內(nèi)徑 7.7m、外徑8.5m、厚40cm、環(huán)寬1.6m，管片環(huán)分塊采用6+1模式，設(shè)置19個(gè)M30環(huán)縫螺栓。管片斷面如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)管片斷面(單位：m)

隧道內(nèi)CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕、道床板等組成。

道床板為縱向連續(xù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，直接在隧道仰拱回填層上構(gòu)筑。道床板寬2 800mm，厚260mm。道床板寬度范圍內(nèi)，仰拱回填層及底板表面進(jìn)行鑿毛處理。

盾構(gòu)洞身地質(zhì)為弱風(fēng)化砂巖，其飽和抗壓強(qiáng)度為22.6～25MPa。褐紅色及灰白色，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較好，巖質(zhì)較硬，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD=93%。局部節(jié)理、裂隙發(fā)育，各鉆孔節(jié)理、裂隙帶位置無明顯規(guī)律，水量一般，其滲透性受基巖裂隙發(fā)育程度影響，具有一定的隨機(jī)性。地質(zhì)剖面如圖2，3所示。

圖2 隆起段剖面

圖3 洞身段巖芯照

2 施工及監(jiān)測(cè)

上浮段(660～705環(huán))掘進(jìn)時(shí)間為2017年12月7—26日，推力約18 000kN，刀盤扭矩約3 800kN·m，平均速度約12mm/min，每環(huán)同步注漿量約為15m3，巖層裂隙水適中，地層與設(shè)計(jì)基本相符，掘進(jìn)過程中無異常情況。

2018年5月21—22日，隧底回填第1層；2018年6月6—7日，隧底回填第2層；2018年7月6—7日，電纜溝槽施工；2018年9月3—4日，無砟道床施工。

在盾構(gòu)管片5點(diǎn)鐘和7點(diǎn)鐘方位布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從2018年11月開始監(jiān)測(cè)，期間對(duì)該段盾構(gòu)左線進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，左線數(shù)據(jù)無變化，右線監(jiān)測(cè)成果如圖4～6所示，管片最大隆起70mm，觀測(cè)值隨時(shí)間上下波動(dòng)。

圖4 管片變形觀測(cè)

圖5 電纜槽沿縱斷面上浮觀測(cè)

圖6 單雙電纜槽變形對(duì)比

監(jiān)測(cè)顯示，沿線路方向660～690環(huán)，在2019年1月18日后發(fā)生明顯上浮。

630～662環(huán)，電纜單槽上浮大于雙槽；662～700環(huán)電纜雙槽上浮大于單槽上浮。630～680環(huán)，管片左、右兩側(cè)與拱頂變化基本一致。680～712環(huán)，管片左側(cè)上浮稍大于右側(cè)，右側(cè)與拱頂基本一致。

2019年2月8日后，上抬速率平緩，現(xiàn)場(chǎng)放水泄壓后回落明顯。

從圖4～6分析，該段隧道管片左右兩側(cè)、道床板、拱頂變化趨勢(shì)基本一致，說明該段管片整體上浮，各環(huán)上浮量值不同。

3 病害調(diào)查

病害調(diào)查結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 隆起段管片總體效果

圖8 管片邊角破損

圖9 道床板環(huán)向裂紋及滲水

圖10 電纜槽開裂

1)管片接縫未有明顯滲漏水現(xiàn)象，未有明顯錯(cuò)臺(tái)發(fā)生，未見超過規(guī)范(徑向12mm、環(huán)向17mm)的錯(cuò)臺(tái)。

2)2019年2月20日，667，668，691環(huán)管片8點(diǎn)鐘位置(電纜溝槽單槽側(cè))，管片環(huán)向邊角發(fā)生破損，未見明顯錯(cuò)臺(tái)、漏水、螺栓拉出。

3)道床板有4處(652，655，662，666環(huán))貫穿裂紋。655環(huán)道床板處有滲水現(xiàn)象，655環(huán)管片邊墻及拱部未見滲水現(xiàn)場(chǎng)。

4)電纜槽單槽側(cè)有14處裂紋，電纜槽雙槽側(cè)有8處橫向裂紋。

5)現(xiàn)場(chǎng)道床邊水溝未見明顯滲水、冒水。

4 上浮原因分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 上浮原因分析

1)盾構(gòu)施工中，隧道管片同時(shí)具備上浮的力學(xué)和空間條件后才可能發(fā)生上浮。隧道管片上浮的影響因素主要包括管片所處的地質(zhì)條件、覆土條件、注漿工藝及漿液性質(zhì)、建筑間隙、盾構(gòu)姿態(tài)等。管片外圍有液體產(chǎn)生浮力、上部有浮動(dòng)或可壓縮空間、外周產(chǎn)生的浮力要大于管片或盾構(gòu)機(jī)自重，是盾構(gòu)隧道管片產(chǎn)生上浮需具備的必需條件。

本工程上浮段隧道埋深31～34m，地層為全斷面砂巖，不會(huì)發(fā)生類似覆土不足、上覆土層被壓縮變形引起上浮現(xiàn)象，且本段左、右線掘進(jìn)時(shí)左線未發(fā)生管片上浮現(xiàn)象，上浮段小里程段也未發(fā)生異常上浮。

全斷面硬巖地層圍巖自穩(wěn)性好，本段盾構(gòu)開挖直徑為8 780mm，管片外徑為8 500mm，管片與圍巖間平均存在140mm間隙。如同步注漿工藝及質(zhì)量控制不好，漿液易被稀釋和沖走，無法及時(shí)填充空隙，管片與圍巖間的間隙一直存在，間隙內(nèi)被地下水填充，造成部分管片約束破壞，在局部相對(duì)密閉空間內(nèi)地下水無處排泄，在水壓力作用下引起管片和道床板上浮。當(dāng)建筑間隙內(nèi)充填水位變化時(shí)，管片發(fā)生沉降、隆起波動(dòng)現(xiàn)象。建筑間隙內(nèi)充水程度越高，管片上浮量越大。

本段為盾構(gòu)下坡掘進(jìn)段，即將進(jìn)入接收洞，需不斷姿態(tài)調(diào)整，易造成過量超挖，在盾構(gòu)及管片間形成間隙，引起上浮。管片圍巖間隙如圖11所示。

圖11 管片圍巖間隙示意

2)上浮計(jì)算。忽略管片與周邊地層的摩擦力及管片環(huán)間約束作用，進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。G管片=π(R2-r2)=254kN，G回填=3.83×22=84.3kN，F(xiàn)浮=ρgV排=567kN，F(xiàn)浮>G管片+G回填，即管片所受到的浮力大于管片及回填的自重?？梢?當(dāng)隧道管片在全斷面地下水工況下,隧道管片有上浮趨勢(shì)，當(dāng)管片與圍巖存在空隙，將會(huì)引發(fā)上浮，且在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。當(dāng)管片上浮至頂部巖體或同步注漿層，將停止運(yùn)動(dòng)。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)放水測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證查明上浮原因、制訂可靠的治理方案，現(xiàn)場(chǎng)在676環(huán)管片9點(diǎn)鐘位置、677環(huán)管片3點(diǎn)鐘位置各打1個(gè)排水孔進(jìn)行了放水試驗(yàn)，放水持續(xù)2h，每分鐘流量約63L。然后關(guān)閉閥門，進(jìn)行變形觀測(cè)記錄，觀測(cè)結(jié)果如圖12所示。

圖12 放水試驗(yàn)管片豎向變形對(duì)比

由放水試驗(yàn)可知：①管片上抬與地下水力變化關(guān)聯(lián)密切；②泄水孔水量、水壓一般，可知地下水未與地表水連通，主要為裂隙滲水。

5 整治方案

5.1 總體方案

根據(jù)管片及道床板監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析顯示，對(duì)右線區(qū)間管片及道床隆起段采用泄壓孔限量放水、管片背后填充注漿加固結(jié)合精細(xì)化監(jiān)測(cè)指導(dǎo)方式對(duì)隆起段落進(jìn)行整治，使得無砟道床復(fù)位到軌道精調(diào)允許范圍。對(duì)左線對(duì)應(yīng)范圍管片、道床加強(qiáng)觀測(cè)，必要時(shí)采取注漿補(bǔ)強(qiáng)加固，保證盾構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

待全部措施施工完畢，監(jiān)測(cè)至管片及道床板穩(wěn)定，如仍無法滿足軌道鋪設(shè)要求，必要時(shí)進(jìn)行無砟軌道局部拆換，重新施作。經(jīng)研究本段不具備線路調(diào)整條件。

處理范圍：根據(jù)管片及軌道板監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析顯示，右線區(qū)間道床隆起里程范圍為DK6+168—DK6+095(長(zhǎng)73m)，綜合考慮，右線整治里程適當(dāng)擴(kuò)大，范圍為DK6+184—DK6+085。

本次調(diào)查的總樣本為江蘇省S縣的農(nóng)村初中學(xué)生。 S縣隸屬于江蘇省，現(xiàn)共有農(nóng)村初級(jí)中學(xué)14所，初等職業(yè)學(xué)校1所。本調(diào)查采取抽樣調(diào)查法，在S縣的5所鄉(xiāng)鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)共發(fā)放900份問卷，回收891份，回收率99%，剔除無效問卷40份，最后得到有效問卷851份，有效率94.5%。因此，本次問卷調(diào)查的有效人數(shù)為851人，其中男生為464人，占總?cè)藬?shù)的54.5%，女生人數(shù)為387人，占總?cè)藬?shù)的45.5%。七年級(jí)學(xué)生304人，占比35.7%，八年級(jí)學(xué)生326人，占比38.3%，九年級(jí)學(xué)生221人，占比26%。

5.2 整治措施

5.2.1放水泄壓

管片環(huán)利用原注漿孔在3點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘方向以下設(shè)置2個(gè)泄水孔，注漿前利用泄壓孔控制限量放水泄壓。泄壓孔應(yīng)設(shè)在注漿環(huán)上游，并與注漿環(huán)間隔2～3環(huán)，泄水孔應(yīng)安裝閥門。

5.2.2管片背后填充注漿加固

適當(dāng)泄水后對(duì)管片背后存在的空隙進(jìn)行充填注漿，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)初擬右線DK6+184—DK6+085段，加固長(zhǎng)度99m。

管片補(bǔ)充注漿環(huán)向設(shè)置4～5孔，注漿順序?yàn)閺纳贤?。泄水孔及注漿孔位布置如圖13所示。

圖13 泄水孔位及注漿孔位布置

5.2.3注漿材料及工藝

注漿以充填注漿為主，注漿材料應(yīng)具有膠凝固結(jié)強(qiáng)度高、膠凝收縮率小、環(huán)保等特點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)泄水試驗(yàn)，水量及水壓不大，綜合分析后選用單液水泥漿，添加一定量的水玻璃外加劑進(jìn)行注漿充填加固，填充管片后剩余空隙，達(dá)到長(zhǎng)期固結(jié)管片的目的。

1)注漿選擇P·O42.5R水泥，注漿材料采用單液水泥漿，水泥漿水灰比W∶C=1∶1～0.7∶1，外加劑水玻璃用量5%～7%，水玻璃濃度35～40Be′，模數(shù)為2.6，凝固時(shí)間200min左右。注漿濃度可在注漿過程中及時(shí)調(diào)整。

2)補(bǔ)充注漿壓力要考慮管片的最大承受力，覆蓋層地質(zhì)條件、水壓條件等因素，不得使管片出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)及破損。注漿壓力為0.25～0.35MPa，注漿流量50～80L/min。注漿前要進(jìn)行注漿試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)確定注漿的初步壓力，在后續(xù)正式注漿時(shí)先采用初步壓力進(jìn)行注漿，在注漿過程中根據(jù)管片及軌道板監(jiān)測(cè)情況可進(jìn)行調(diào)節(jié)。注漿過程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止道床板二次抬升。

3)終止注漿標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)漿液從泄水孔流出時(shí)，封堵檢查孔，當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.3MPa時(shí)，暫時(shí)停止注漿，稍后再進(jìn)行注漿，若壓力不減少，增大至0.35MPa，注漿量、速率變小，單孔進(jìn)漿量小于初始進(jìn)漿量的1/4且≤10～12L/min，達(dá)到穩(wěn)定壓力并穩(wěn)壓10min則停止該環(huán)注漿，移至下一循環(huán)。

4)環(huán)向注漿時(shí)，在自動(dòng)監(jiān)測(cè)指導(dǎo)下，同步對(duì)稱注漿。如管片與線路平面偏差較大，可從偏大側(cè)先注。

5)泄水孔兼作下一循環(huán)注漿孔。

5.2.4施工工序

1)先對(duì)監(jiān)測(cè)管片上浮最大的幾環(huán)進(jìn)行泄壓注漿。放水泄壓至管片下沉快至設(shè)計(jì)標(biāo)高+5mm附近，立刻啟動(dòng)注漿作業(yè)，先注雙液漿，待泄水孔出現(xiàn)濃漿時(shí)關(guān)閉泄水閥門，繼續(xù)注漿直至達(dá)到終止注漿的標(biāo)準(zhǔn)。

2)從中間往兩端設(shè)置2組隊(duì)伍進(jìn)行平行作業(yè)。

3)管片環(huán)向設(shè)置注漿順序?yàn)閺纳贤伦ⅲ褂霉芷习雮?cè)的注漿點(diǎn)位注漿時(shí)，采用該位置水壓力 1.1～1.2 倍的注漿壓力，管片下半側(cè)的注漿點(diǎn)位則壓力適當(dāng)減小，從而減小管片上浮趨勢(shì)。

4)選擇合適的注漿孔位，戴上注漿單向逆止閥后，用電錘鉆穿孔位，接上注漿管。注漿拆除注漿頭后應(yīng)用快速水泥砂漿進(jìn)行封孔，戴上塑料密封螺堵，然后進(jìn)行下一孔位注漿。

5)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況可重復(fù)補(bǔ)充單液漿。用漿液完全填充空隙，消滅水囊。

6)注漿施工調(diào)整到位后繼續(xù)監(jiān)測(cè)，直至數(shù)據(jù)最終穩(wěn)定，滿足鋼軌扣件鋪設(shè)要求。

注漿工藝及施工分段布置如圖14，15所示。

圖14 管片背后補(bǔ)漿示意

圖15 施工分段布置

5.2.5自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

由于道床板已鋪設(shè)，注漿作業(yè)必須保證不導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形波動(dòng)超過允許范圍。因此，道床板及管片上浮治理施工過程中，必須對(duì)隧道變形、道床變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)指導(dǎo)放水泄壓及充填注漿作業(yè)。

管片的變形監(jiān)測(cè)≥5個(gè)點(diǎn)、無砟道床監(jiān)測(cè)2個(gè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)成果能反映隧道的豎向、水平變形，無砟道床的監(jiān)測(cè)應(yīng)能反映豎向、水平變形及與設(shè)計(jì)線路中線之間的關(guān)系。每4環(huán)布設(shè)1個(gè)斷面，即每6.4m布設(shè)1個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面，共布設(shè)27個(gè)斷面。分別在拱頂、道床及拱腰位置布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體布設(shè)位置如圖16所示。

圖16 斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

5.2.6道床板拆換

對(duì)于放水補(bǔ)漿后監(jiān)測(cè)仍不滿足無砟軌道靜態(tài)鋪設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)地段，道床板完全拆除，重新施作。為確保道床板破除不影響其他段道床板，在破除前，需在分界點(diǎn)切割分界縫。分段依次對(duì)道床板進(jìn)行切割，每段1.5m。

管片上浮段自2019年5月整治完成后，通過對(duì)管片及道床板進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)1年的連續(xù)觀測(cè)，變形速率及累計(jì)變形量均在0.8mm以內(nèi)。

6 結(jié)語

1)全斷面硬巖地段盾構(gòu)施工，要控制好盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)、嚴(yán)控管片同步注漿及二次注漿工藝與質(zhì)量，避免發(fā)生上浮。

2)測(cè)試表明，當(dāng)管片外存在空隙、地下水達(dá)到一定力學(xué)條件時(shí)，硬巖地段管片發(fā)生上浮或下沉需要的時(shí)間較短。

3)隧道內(nèi)沉降觀測(cè)斷面的布設(shè)一般根據(jù)地質(zhì)圍巖級(jí)別確定，硬巖地段盾構(gòu)沉降觀測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)適當(dāng)加密，防止觀測(cè)點(diǎn)間存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)導(dǎo)致鋪軌后局部管片發(fā)生上浮。

4)成型管片及道床出現(xiàn)上浮，應(yīng)弄清其破壞機(jī)理、查明原因，可通過適當(dāng)泄水降壓減少盾構(gòu)隧道承受的水浮力，待隧道結(jié)構(gòu)回落至穩(wěn)定時(shí)，采用管片背后充填注漿穩(wěn)固隧道，可較好地整治隧道上浮病害。整治過程中應(yīng)進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。