淺析盾構(gòu)隧道管片上浮原因及防治

唐福來(lái)，李冠華

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340)

0 引 言

盾構(gòu)法施工技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)有近200 a的歷史。我國(guó)最早進(jìn)行盾構(gòu)工程試驗(yàn)的是1962年上海市城建局隧道處的塘橋試驗(yàn)隧道工程。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多城市也開始大量應(yīng)用盾構(gòu)法施工地鐵、大型供水隧道。由于工程地質(zhì)環(huán)境的不同，施工中面臨的施工難度和施工措施仍然存在很大的差異，隧道的施工質(zhì)量因施工方法和采取措施的不同也有較大的差別。由于管片上浮引起隧道管片錯(cuò)臺(tái)、隧道侵限、漏水等質(zhì)量通病在隧道施工中依然存在。管片上浮的原因有多種，如盾構(gòu)姿態(tài)不正確、安裝水平、地質(zhì)因素、注漿方法不當(dāng)?shù)榷伎赡軐?dǎo)致管片的上浮。本文以廣州地鐵某線路區(qū)間隧道的盾構(gòu)施工為背景，闡述盾構(gòu)隧道施工中隧道管片上浮的原因，提出施工過(guò)程中的預(yù)防措施和糾正的方法。

1 工程條件與工程環(huán)境

某工程地處廣東省廣州市中心區(qū)東南部，主要由一組雙孔單線隧道組成，隧道全長(zhǎng)3 830.6 m，附屬工程主要有4個(gè)聯(lián)絡(luò)通道和1個(gè)廢水泵房。

線路地層由第四系、白堊系上統(tǒng)三水組西濠段，東湖段、康樂(lè)段組成。第四系(Q)上部為全新統(tǒng)海陸交互沉積的淤泥或淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂，下部為上更新統(tǒng)陸相沖積洪積形成的砂、黏性土層，底部為基巖殘積形成的黏性土層，白堊系上統(tǒng)三水組(K2S)由西濠段(K2S2b)紫紅色泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、夾含礫粗砂巖組成。隧道圍巖主要為砂、黏性土層、基巖殘積形成的黏性土層、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、粉砂巖等。

地下水為第四系砂層弱承壓水及基巖裂隙承壓水兩種類型。第四系孔隙水主要賦存于淤泥質(zhì)粉細(xì)砂及沖洪積砂層中，為中弱等透水含水層，由大氣降水及含水砂層的側(cè)向補(bǔ)給?；鶐r裂隙水主要賦存于中風(fēng)化巖的裂隙中，受巖性、埋深等方面的控制，基巖裂隙發(fā)育具有不均勻性，因而水量也存在明顯的區(qū)段性?；鶐r裂隙水在基巖中賦存及運(yùn)動(dòng)條件差，透水性弱。

2 管片上浮情況

在施工過(guò)程中，通過(guò)管片安裝完成后對(duì)隧道的變形觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)左線隧道525～530環(huán)，右線隧道394～400環(huán)和520～530環(huán)有較大的變形，并且隧道侵限最大達(dá)56 mm(524環(huán)，末次測(cè)量姿態(tài)為侵限46 mm)。左線520～530環(huán)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如下所示(見表1)右線394～400環(huán)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如下所示(見表2)。

表1 左線隧道局部環(huán)片變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 右線隧道局部環(huán)片變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)可以看出，左526～530環(huán)向右、向上有較大的偏移，其中向上侵限達(dá)11～48 mm；右394～402環(huán)向左、向上有較大的偏移，且394～400管片上浮嚴(yán)重，產(chǎn)生了侵限問(wèn)題，侵限為4～45 mm；右520～530環(huán)侵限達(dá)17～46 mm。

3 管片上浮原因分析

3.1 地質(zhì)原因

管片上浮在軟弱地層和硬巖地段均可能出現(xiàn)，但在硬巖中上浮的情況比較普遍。在軟弱地層尤其是砂層和淤泥質(zhì)土地層中，隨著盾構(gòu)機(jī)往前掘進(jìn)，管片上部的松散土層和注入的漿液及時(shí)充填管片周圍，起到固定管片的作用；因此，往往沒(méi)有規(guī)律性，在施工措施不到位的情況下，隨時(shí)都可能出現(xiàn)，上浮或超限的程度決定于盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。

在洞身地層為硬巖的情況下，由于地層相對(duì)比較穩(wěn)定，在管片安裝完成后，管片外壁與圍巖間往往有較大的間隙；在地下水豐富的破碎地層中，間隙充滿地下水，往往造成管片上浮。

由相關(guān)的地質(zhì)勘察資料和補(bǔ)充勘察資料可知，在394～400環(huán)處，洞身地層為中～微風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，頂部為中～粗砂層(補(bǔ)充勘探資料顯示該處砂質(zhì)泥巖層有一組裂隙發(fā)育，巖芯的RQD值為41%)；在520～530環(huán)處，洞身地層為微風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，頂部為中～粗砂層(補(bǔ)充勘探鉆孔資料顯示，該孔砂質(zhì)泥巖層巖芯呈短柱狀，破碎，巖石質(zhì)量RQD值僅為8%)。左線526～530環(huán)的地質(zhì)資料也顯示該處存在地層破碎與地下水豐富的問(wèn)題。

因此，這幾處的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，地下水十分豐富，掘進(jìn)出碴過(guò)程中產(chǎn)生較大的噴涌，從而導(dǎo)致了注入的水泥砂漿被稀釋，水泥成分流失，漿液的強(qiáng)度低。同時(shí)，隧道頂部因?yàn)闈{液被稀釋導(dǎo)致砂石沉淀，存在較大的空隙，致使管片產(chǎn)生上浮。

每環(huán)管片的上浮力估算：

F=ρ漿gV=1.3×10×3.14×32×1.5=551 kN

環(huán)管片的重量：

G=γ砼V=24.5×3.14×(32-2.72)×1.5=197.3 kN

F>>G，由于新裝管片與上一環(huán)管片之間和盾殼的緊固作用，在沒(méi)有脫出盾尾之前，新裝管片是相對(duì)穩(wěn)定的。管片一旦脫出盾尾，緊固力降低，在浮力的作用下有上浮的趨勢(shì)；因此，要求漿液有一定的早期強(qiáng)度和較快的初凝速度。而在噴涌的地層中掘進(jìn)，水泥漿被稀釋或水泥被沖走的可能性很大，從而導(dǎo)致管片不能被漿液包裹、固結(jié)，產(chǎn)生上浮。在較長(zhǎng)距離上若注漿量不足或注漿后漿液性能改變，則表現(xiàn)為較長(zhǎng)距離的管片整體上浮。但這種上浮到一定距離后因管片的累加重量和注漿質(zhì)量的改變，兩端受到固定，表現(xiàn)為上浮量逐漸變小，最終消失。

3.2 掘進(jìn)管理的原因

掘進(jìn)管理方面造成管片上浮或其他方向侵限的原因有盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)管理、管片排列不當(dāng)和注漿方面的原因。

現(xiàn)代的盾構(gòu)機(jī)通常裝備計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)以控制盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)，但是在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工過(guò)程中，因各種因素的影響，如地層的變化、機(jī)械、操作、管片姿態(tài)的影響、測(cè)量誤差糾正等原因，均會(huì)出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的水平或垂直軸線偏離盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)線，即盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的偏移，往上方偏移時(shí)亦可視為盾構(gòu)機(jī)的上浮。在軟硬地層交替變換的過(guò)程中，偏移的情況更加容易出現(xiàn)，由硬巖變?yōu)檐浲恋貙訒r(shí)，往往表現(xiàn)為“低頭”；而由軟巖變?yōu)橛矌r時(shí)，盾構(gòu)機(jī)一般會(huì)向更硬地層的一方偏移，但此時(shí)往往因?yàn)椴僮魇旨庇谡{(diào)整至正確的方向，過(guò)急往反方向調(diào)整，又會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的偏移，從而產(chǎn)生所謂的“蛇行”。因盾體的移動(dòng)而呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的變化曲線，其波形與姿態(tài)糾正的急、緩及波形的變化幅度呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，應(yīng)盡量避免急劇變化，以免盾構(gòu)機(jī)侵限過(guò)多影響管片的拼裝，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制最終為管片的拼裝姿態(tài)服務(wù)，應(yīng)通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的調(diào)整，使其適應(yīng)管片的拼裝。

管片排列不當(dāng)時(shí)，尤其轉(zhuǎn)彎環(huán)拼裝的提前或滯后均會(huì)產(chǎn)生隧道出現(xiàn)較大的偏移，往上偏移時(shí)，視為上浮。

在富水的盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)段，注漿漿液性能差、注漿不及時(shí)、注漿量不足是不能抑制管片脫出盾尾后產(chǎn)生上浮的主要原因。在松散砂質(zhì)地層或破碎巖層中，地下水的水力聯(lián)系往往較好且水量豐富；在硬巖地層中發(fā)育較多的裂隙或構(gòu)造破碎帶時(shí)，地下水多表現(xiàn)為承壓水；在隧道埋深大的情況下，水頭壓力往往很高；因此，富水區(qū)段盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，管片和地層間的間隙往往充滿地下水。對(duì)于一般的漿液，注入后即刻被稀釋，尤其在注入一般的水泥砂漿后，砂石立刻離析產(chǎn)生沉淀，直接沉至盾構(gòu)底部和兩側(cè)，充水間隙變成水泥漿液，比重增大，加快管片的上浮；因此，對(duì)于該類地層，注入一般的水泥砂漿并不能有效抑制管片的上浮。即使性能良好的漿液，注入不及時(shí)、漿液注入不足，管片仍然出現(xiàn)上?。恢饕且?yàn)楣芷摮龆芪埠蠹词茌^大的浮力，而注入量不足，漿液被稀釋，漿液性能下降，不能及時(shí)凝固，管片被“固定”的時(shí)間變長(zhǎng)，仍會(huì)持續(xù)上浮。

4 防治措施

通過(guò)以上分析，盾構(gòu)隧道管片上浮的原因主要在于地層本身、盾構(gòu)姿態(tài)的管理、管片安裝和注漿幾個(gè)方面。因此在施工過(guò)程中，對(duì)這幾個(gè)方面加以注意，及時(shí)防范，采取相應(yīng)的有效措施，對(duì)于防治管片上浮和防止隧道滲漏有較大的實(shí)際意義。

4.1 加強(qiáng)測(cè)量與校核工作，確保盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的正確

人工測(cè)量盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測(cè)量姿態(tài)的擬合作為盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測(cè)量誤差修正值，以排除非正常因素的偶然誤差，確保計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的精度校核。始發(fā)階段必須每環(huán)進(jìn)行人工姿態(tài)測(cè)量。在積累足夠多的校核參數(shù)后，建立計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的誤差限制標(biāo)準(zhǔn)。后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行盾構(gòu)施工測(cè)量導(dǎo)向管理，在控制誤差的前提下減小人工測(cè)量的時(shí)間,提高施工效率。

4.2 根據(jù)地層的變化，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，確保掘進(jìn)姿態(tài)的正確

地層軟硬變化易產(chǎn)生盾構(gòu)掘進(jìn)方向的偏移，因此，要熟悉掘進(jìn)前方的地層，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)和注漿參數(shù)。由硬巖變?yōu)檐浻矔r(shí)，除保證水平方向正確外，要適當(dāng)加大下方千斤頂?shù)耐屏?，使盾?gòu)機(jī)有往上掘進(jìn)的趨勢(shì)，以消除盾體自重作用向下的趨勢(shì)。由軟巖進(jìn)入硬巖時(shí)，由于刀盤旋轉(zhuǎn)有向硬巖偏向的趨勢(shì)，因此，要適當(dāng)加大硬巖一側(cè)的推力。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)線路產(chǎn)生較大偏離時(shí)，糾偏應(yīng)逐環(huán)進(jìn)行，應(yīng)避免急劇調(diào)整；應(yīng)通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的逐步調(diào)整，使其適應(yīng)管片的拼裝，避免出現(xiàn)因變化過(guò)大，超限部位應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生管片開裂、漏水現(xiàn)象。

推力的大小與速度對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)有較大的影響，本例掘進(jìn)過(guò)程證明，對(duì)于一般性硬巖(如砂巖、中～微風(fēng)化花崗巖等)和軟土地層，采取以下掘進(jìn)參數(shù)(見表3)，對(duì)控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和提高掘進(jìn)速度是有效的。

表3 依據(jù)巖土的類別選用掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)(φ6 400土壓平衡盾構(gòu)機(jī))

4.3 注漿

注漿通常有同步注漿和二次或多次注漿。

同步注漿的及時(shí)進(jìn)行一般可以穩(wěn)定隧道管片，控制隧道管片的變形，防止隧道管片在脫出盾尾后發(fā)生上浮現(xiàn)象。

對(duì)于軟土地層，同步注漿所用的漿液可以選用一般的水泥砂漿，為提高漿液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，可以摻入5%～10%的黏土。同步注漿量要控制適中，嚴(yán)格控制注漿壓力，既不能因過(guò)少而造成地面大量沉降，也不能因過(guò)多而擊穿上部軟土層，造成涌砂、涌水等事故的發(fā)生。從本工程施工的情況看，在掘進(jìn)過(guò)程中，一定要隨時(shí)對(duì)出土量進(jìn)行控制。實(shí)踐證明，當(dāng)出土量不超過(guò)理論出土量的120%時(shí)，只要注漿及時(shí)、足量(一般宜大于理論注入量的120%)，地面沉降會(huì)得到較好的控制。為確保注漿量及注漿效果，一般情況下，注漿壓力可以控制在0.2～0.35 MPa；對(duì)于已經(jīng)發(fā)生噴涌、沉陷的地段，注漿的壓力應(yīng)適當(dāng)提高，上限可以提高到0.5 MPa，一般會(huì)取得比較好的效果。

但是，對(duì)于硬巖地層，由以上分析可知，一般的水泥砂漿因初凝時(shí)間較長(zhǎng)，往往不能起到及時(shí)固定管片的作用。因此，需要采取流動(dòng)性好、初凝時(shí)間短的漿液，如水泥漿+水玻璃漿液或水泥黏土漿+水玻璃漿液，初凝時(shí)間的確定要根據(jù)到達(dá)隧道壁后的管路的長(zhǎng)短和充滿間隙、注漿壓力等來(lái)確定，可以建立以下函數(shù)關(guān)系：

T=K(L，V，1/P)

式中，T為初凝時(shí)間(s)；K為常數(shù)；L為管路的長(zhǎng)度(m)；V為注入空間(m3)；P為壓力(MPa)，通常取0.2～0.35。

二次注漿通常在管片脫出盾尾后進(jìn)行，其作用在于及時(shí)填充同步注漿不足產(chǎn)生的空隙以及水泥漿凝固后產(chǎn)生的空隙，防止后續(xù)沉降的出現(xiàn)，尤其是在軟土地層中。二次注漿的壓力與同步注漿壓力的控制相同，流量則一般不加以控制，以壓力的大小來(lái)控制注漿的質(zhì)量。二次注漿漿液一般采用水泥黏土+水玻璃漿液。

4.4 糾偏

糾偏一般在管片出現(xiàn)上浮后進(jìn)行，而且在二次注漿過(guò)程中及時(shí)采取措施，會(huì)有一定的效果。此時(shí)，二次注漿孔必須選用隧道管片上浮最大點(diǎn)頂部的管片吊裝孔，管路安裝完成后，將隧道上浮范圍內(nèi)管片底部的吊裝孔擊穿以釋放底部的壓力；首先采用普通的水泥漿液注入，以較大的注入壓力(一般取平時(shí)注入壓力的1.2～1.5倍)開始注漿；底部翻漿后，換用初凝時(shí)間較短的混合漿液注入；管片移動(dòng)后，保持恒定的壓力30 min。條件具備時(shí)，可以采用多點(diǎn)注入的方式，效果會(huì)更好。在本工程實(shí)施過(guò)程中，用二次注漿糾偏的辦法，取得了較好的效果；在表1及其所述的超限管片，糾偏量均有10～25 mm。

5 結(jié) 語(yǔ)

盾構(gòu)隧道施工是個(gè)動(dòng)態(tài)的管理過(guò)程，隧道管片上浮的原因很多，在施工過(guò)程中應(yīng)密切關(guān)注，及時(shí)分析原因，采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

(1)加強(qiáng)施工管理，尤其對(duì)注漿方面的管理，通過(guò)對(duì)注漿壓力、注入量的控制，及時(shí)、足量注入漿液，保證掘進(jìn)過(guò)程中的注漿質(zhì)量。

(2)在地下水豐富的地層中掘進(jìn)，應(yīng)采用初凝速度較快、早期強(qiáng)度較高的漿液。

(3)在地質(zhì)條件差的地層中及時(shí)進(jìn)行管片壁后注漿，尤其要保證在管片脫出盾尾后能及時(shí)補(bǔ)充注漿。

(4)及時(shí)分析地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)成，根據(jù)管片偏離及上浮的情況，采取合理的糾偏措施。