探討盾構(gòu)法管片上浮控制施工技術(shù)

吳凱

中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司 陜西 西安 710000

前言

隨著時(shí)代的進(jìn)步及我國(guó)交通行業(yè)的飛速發(fā)展，安全、環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，盾構(gòu)法以其適應(yīng)性強(qiáng)、安全、快速等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)地鐵、輕軌等行業(yè)得到了的快速發(fā)展和普遍應(yīng)用，成為城市交通隧道建設(shè)的首選工法。而在施工過(guò)程中管片上浮是盾構(gòu)施工控制錯(cuò)臺(tái)、破損、線(xiàn)性的一道難題，如何控制管片上浮成為盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵。

1 工程概況

（1）工程簡(jiǎn)介。西安北客站至機(jī)場(chǎng)城際鐵路項(xiàng)目機(jī)場(chǎng)站-機(jī)場(chǎng)西站盾構(gòu)區(qū)間左線(xiàn)全長(zhǎng)2815.079m；右線(xiàn)全長(zhǎng)2850.8m。隧道拱頂覆土7m～30m，線(xiàn)間距13m～21.4m。區(qū)間線(xiàn)路共設(shè)計(jì)了3條曲線(xiàn)，曲線(xiàn)半徑分別為R680、R800、R550，其中R680及R800為左轉(zhuǎn)彎，R550為右轉(zhuǎn)彎。線(xiàn)路從機(jī)場(chǎng)站北段始發(fā)，向西北方向進(jìn)入機(jī)場(chǎng)保護(hù)區(qū)，下穿機(jī)場(chǎng)現(xiàn)狀滑行道和停機(jī)坪后，在T1航站樓前出租車(chē)停車(chē)場(chǎng)穿出?？v斷面采用V字坡設(shè)計(jì)，最大坡度26.15‰，線(xiàn)路最低點(diǎn)位于3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道處，軌面埋深約30m。設(shè)四處聯(lián)絡(luò)通道，其中3#聯(lián)絡(luò)通道與廢水泵房合建，聯(lián)絡(luò)通道采用礦山法施工。

隧道襯砌采用6塊厚度300mm、環(huán)寬1.5m的環(huán)形預(yù)制鋼筋混凝土管片，錯(cuò)縫拼裝，組成外徑6.0m，內(nèi)徑5.4m的圓形單洞隧道。采用同步注漿填充管片與地層空隙。

（2）地形、地貌。本區(qū)間場(chǎng)地地貌單元簡(jiǎn)單，為黃土塬區(qū)，地勢(shì)開(kāi)闊，地形較平坦，勘探點(diǎn)地面高程474.27m～477.81m。

（3）地層巖性。盾構(gòu)施工穿過(guò)的機(jī)場(chǎng)內(nèi)地層主要由第四系更新統(tǒng)地層水上老黃土（4－1－1）和古土壤構(gòu)成（古土壤4－2－1）。機(jī)場(chǎng)內(nèi)場(chǎng)地地層總體分布穩(wěn)定，沉積韻律清晰，各層地基土的均勻性較好，承載力從上至下逐漸增高，工程性能較好。

第四系中更新統(tǒng)地層，根據(jù)本次鉆探揭示，勘探深度范圍內(nèi)地層詳細(xì)描述如下：

4-1-1水上老黃土（Q2eol）：褐黃-黃褐色，具針狀孔隙，含少量 鈣質(zhì)結(jié)核及零星蝸牛殼，可塑狀態(tài)為主，局部軟塑。壓縮系數(shù)平均值 a1-2=0.17MPa-1，屬中偏低壓縮性土。層厚0.7～9.8m，層底高程426.48～448m。屬Ⅲ級(jí)硬土，該層土在本區(qū)間連續(xù)分布。

4-2-1古土壤（Q2el）：褐紅色，具針狀孔隙，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，局部結(jié)核較富集（粒狀、未形成鈣層），粒徑0.5～2cm，硬塑狀態(tài)為主，局部可塑。壓縮系數(shù)平均值a1-2=0.17MPa-1，屬中等偏低壓縮性土。層厚1.8～3.3m，層底高程428.03～452.08m。屬Ⅲ級(jí)硬土，在本區(qū)間連續(xù)分布，與4-1-1層老黃土以互層形式存在。

（4）水文地質(zhì)特征。區(qū)間地下水主要為第四系孔隙潛水，主要賦存于中更新統(tǒng)黃土和古土壤層孔隙和裂隙中。根據(jù)收集的資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果和勘探結(jié)果分析，線(xiàn)路YDK28+539.6-線(xiàn)路終點(diǎn)段場(chǎng)地地下水標(biāo)高介于445.25～447.21m，水位埋深29～30.5m。地下水位位于結(jié)構(gòu)底板以上[1]。

2 管片上浮原因分析

管片上浮指管片在地面荷載、土壓力、水壓力等荷載的作用下，隧道管片偏離預(yù)定高程，發(fā)生地面方向起拱現(xiàn)象。而引起管片上浮的原因有許多，就本工程而言，引起管片上浮的原因如下：

（1）地下水作用力。工程概況中已提及，本工程局部隧道結(jié)構(gòu)位于地下水水位以下。盾構(gòu)機(jī)制造時(shí)，為保證盾構(gòu)隧道順利掘進(jìn)及盾尾間隙，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)切削直徑與管片外徑之間肯定有一定差值，本工程盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)直徑6.27m，管片外徑6m。這必然導(dǎo)致管片在脫出盾尾后，四周處于無(wú)約束狀態(tài)，因地下水產(chǎn)生浮力遠(yuǎn)大于管片自重，使管片產(chǎn)生上浮現(xiàn)象。

（2）工程地質(zhì)及線(xiàn)路縱坡的影響。因本工程始發(fā)段長(zhǎng)度約80m范圍內(nèi)以前為機(jī)場(chǎng)φ1200mm雨水管，后期因雨水管線(xiàn)改遷，對(duì)該段采取放坡開(kāi)挖后回填。該段地質(zhì)存在上軟下硬情況，不利于盾構(gòu)掘進(jìn)軸線(xiàn)控制，易形成錯(cuò)臺(tái)、破損且管片上浮嚴(yán)重。

（3）同步注漿工藝影響。同步注漿原理是使?jié){液在填充隧道建筑間隙后，讓管片與周?chē)翆泳o密接觸，形成穩(wěn)定的復(fù)合構(gòu)造體共同抵抗外力。

同步注漿通常采用惰性漿液，原材料：沙子、粉煤灰、水泥、膨潤(rùn)土、水。因漿液失水固結(jié)，加之部分漿液會(huì)擴(kuò)散至周?chē)貙?，?dǎo)致實(shí)際注漿量遠(yuǎn)超理論注漿量，且注漿量難以掌握?？赡茉斐蓾{液的不飽滿(mǎn)。惰性漿液強(qiáng)度低且初凝時(shí)間長(zhǎng)，易被地下水稀釋。管片脫出盾尾后，一定程度上，低強(qiáng)度漿液不僅不能對(duì)管片提供約束力，相反提供了上浮力。

（4）盾構(gòu)機(jī)反向推力。在下坡地段盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，由于盾構(gòu)機(jī)油缸頂推力方向?yàn)樾焙蠓较蛏希軜?gòu)機(jī)反推進(jìn)力可分解為一個(gè)豎向方向和一個(gè)水平方向的分力。管片脫出盾尾后在豎向分力作用下向上產(chǎn)生位移，最終可表現(xiàn)為管片在高程方向上浮現(xiàn)象。

（5）盾構(gòu)掘進(jìn)速度。盾構(gòu)掘進(jìn)速度如果過(guò)快會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)通過(guò)區(qū)域地層不穩(wěn)定，而同步注漿惰性漿液不能在管片脫出盾尾后及時(shí)凝結(jié)，將會(huì)使管片上浮現(xiàn)象概率大大提高[2]。

3 管片上浮控制措施

右線(xiàn)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中管片上浮最大約4～5cm，管片脫出盾尾后，管片破損、錯(cuò)臺(tái)，且很不利于隧道軸線(xiàn)控制。發(fā)生該類(lèi)問(wèn)題后，對(duì)引起管片上浮的各種因素進(jìn)行了分析和研究后，在后續(xù)施工中采取了針對(duì)性施工處理措施，以確保把管片上浮控制在1～2cm合理范圍內(nèi)。

（1）首先檢查盾構(gòu)機(jī)各個(gè)油缸是否存在偏差。嚴(yán)格控制推進(jìn)千斤頂?shù)挠透讐毫?，及時(shí)檢查設(shè)備完好性，確保管片均勻受壓。

（2）選擇合適的注漿漿液及方法。根據(jù)隧道管片在縱向長(zhǎng)度上為兩端固定梁的假定，只要管片侵泡在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)形成的“圓形坑道”中內(nèi)的“液體”中，管片就永遠(yuǎn)存在上浮的趨勢(shì)。要想消除或減緩這一趨勢(shì)，就必須使管片脫出盾尾后，不再受到盾尾及其他介質(zhì)的約束。因此，必須確保盾尾空隙注入的漿液具有充填性、初凝時(shí)間短、具有一定的早起強(qiáng)度且收縮率小。

由質(zhì)檢人員、試驗(yàn)員、物資收料員共同對(duì)進(jìn)場(chǎng)注漿材料原材料進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收，對(duì)于不合格原材料堅(jiān)決予以退場(chǎng)。在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程、水文地質(zhì)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后，不斷對(duì)漿液配合比進(jìn)行改進(jìn)，漿液凝結(jié)時(shí)間控制在6小時(shí)左右，漿液配合比7d強(qiáng)度可以達(dá)到2Mpa，28d強(qiáng)度5.6Mpa，漿液體積收縮率＜10%。調(diào)整同步注漿量控制在5.5～6.5m3/環(huán)，注漿壓力提高0.4～0.6bar，控制在2.5～4bar，嚴(yán)格控制注漿量。加強(qiáng)同步注漿過(guò)程控制，保證注漿管路暢通，同步注漿4根管路均衡連續(xù)對(duì)稱(chēng)注漿。

（3）嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，過(guò)量的蛇形運(yùn)動(dòng)會(huì)造成糾偏過(guò)程中使管片環(huán)面受力不均而對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生擾動(dòng)，所以必須控制好盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，發(fā)現(xiàn)偏差時(shí)勤糾、緩糾，不得過(guò)急、過(guò)猛糾偏，本項(xiàng)目制定了盾構(gòu)機(jī)操作規(guī)程要求糾偏量不得超過(guò)3mm/環(huán)。同時(shí)跟蹤測(cè)量管片法面上的變化，及時(shí)利用環(huán)面貼片的方法糾偏，粘貼時(shí)上下左右呈階梯狀分布，同時(shí)根據(jù)管片上浮經(jīng)驗(yàn)值，將盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)軸線(xiàn)高程控制在設(shè)計(jì)軸線(xiàn)高程一下限定值，以此來(lái)抵消管片脫出盾尾后上浮值。

（4）及時(shí)進(jìn)行二次注漿。由于同步注漿漿液存在一定的收縮現(xiàn)象，因此在管片脫出盾尾后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次注漿，在管片脫出盾尾4～5環(huán)后采用雙液漿進(jìn)行二次補(bǔ)漿，雙液漿在填充性能、初凝時(shí)間、早起強(qiáng)度及防止流失等方面性能指標(biāo)需達(dá)到一定要求，盡早使管片與周?chē)貙咏Y(jié)成結(jié)構(gòu)整體，可很好地控制管片上浮現(xiàn)象。

（5）優(yōu)化掘進(jìn)速度。正常情況下，盾構(gòu)機(jī)最大掘進(jìn)速度為80mm/min，一般情況下，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度為40～60mm/min，同步注漿及二次注漿施工工序的作業(yè)時(shí)間短而忙亂，可能導(dǎo)致管片與隧道周?chē)貙又g空隙填充質(zhì)量較差，漿液不能及時(shí)提供擬制管片上浮所需的強(qiáng)度。本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，采取的掘進(jìn)速度控制在30～40mm/min，加強(qiáng)管片螺栓復(fù)緊，可以很好地控制管片在脫出盾尾后上浮現(xiàn)象。

（6）效果檢測(cè)。施工實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)械、壁厚注漿原材料、配合比、注漿量、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、二次注漿采用雙液漿、掘進(jìn)速度的調(diào)整及控制，管片上浮趨勢(shì)得到了有效控制，基本控制在1～2cm。證明所采取的上浮控制措施是科學(xué)有效的[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

管片上浮是盾構(gòu)法施工過(guò)程中不可避免的，也是盾構(gòu)施工的一大難題，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的摸索和研究，可以如下得出結(jié)論：盾構(gòu)法施工管片上浮問(wèn)題實(shí)際是漿液凝結(jié)時(shí)間與管片上浮時(shí)間上的競(jìng)賽，因此，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)不同的工程水文地質(zhì)、隧道埋深等情況的變化而不斷調(diào)整，嚴(yán)控注漿材料原材料質(zhì)量控制、優(yōu)化同步注漿漿液配合比、控制好同步注漿漿液工程量、注漿壓力尤為重要。同時(shí)加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備保養(yǎng)、嚴(yán)控掘進(jìn)姿態(tài)、及時(shí)進(jìn)行二次注漿、優(yōu)化掘進(jìn)速度。本項(xiàng)目針對(duì)管片上浮這一難題，通過(guò)以上措施，管片上浮量基本可以控制在1～2cm，上浮量得到了有效擬制。