大斷面盾構(gòu)隧道管片上浮原因與糾正措施研究

岳誠東 寇佳泰

甘肅鐵科建設(shè)工程咨詢有限公司 甘肅 蘭州 730000

盾構(gòu)法施工在城市軌道工程中已經(jīng)大范圍的使用，有很成熟的設(shè)計和施工經(jīng)驗，但大斷面的單洞雙線鐵路盾構(gòu)隧道還處于起步和發(fā)展階段[1]，盾構(gòu)法施工最大的優(yōu)勢是其安全性和廣泛的地層適應(yīng)性，缺點是管片拼裝后線位不可逆及掘進(jìn)過程中的不可預(yù)見性，造成了盾構(gòu)拼裝成型管片存在浮動、開裂等現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)驗收、使用功能和壽命。因此，管片上浮控制是確保隧道線型符合設(shè)計要求、滿足隧道建筑限界及保障成型隧道質(zhì)量的關(guān)鍵[2]。本文通過工程實例，研究了大斷面盾構(gòu)隧道管片上浮的原因，提出了糾正和預(yù)防措施，希望能對同類工程起到借鑒作用。

1 工程概況與地質(zhì)

國內(nèi)某高速鐵路穿越市區(qū)段隧道采用大斷面盾構(gòu)法施工，為設(shè)計速度80km/h客專鐵路雙線隧道，盾構(gòu)區(qū)間隧道長2620m，采用12.79m土壓平衡盾構(gòu)機進(jìn)行施工，隧道外徑12.4m，內(nèi)徑11.3m，管片幅寬1.8m。線路縱坡設(shè)計為“V”字坡，縱坡最大坡度為-30‰，最小轉(zhuǎn)彎半徑為654m，主要穿越地層為弱風(fēng)化巖，部分為強風(fēng)化巖層，隧道拱頂最大埋深約60m。

地下水位-8～-11m，主要有三種類型：一是賦存于黏土層之上填土層的上層滯水，二是第四系砂、卵石土層的孔隙潛水，三是基巖裂隙水。

盾構(gòu)管片上浮較大的段落地質(zhì)為白堊系上統(tǒng)夾關(guān)組（Ki頃）泥巖，紅褐、紫紅色，中、弱等風(fēng)化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，中到厚層狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀平緩，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部含石膏條脈，見溶蝕小孔，巖體破碎，巖質(zhì)較軟，巖心呈柱狀及短柱 狀、餅狀、少量長柱狀。

2 管片上浮及開裂現(xiàn)象

在施工過程中，管片上浮量最大值達(dá)213mm，上浮量統(tǒng)計見圖1，已影響到盾構(gòu)隧道的限界和使用功能，并出現(xiàn)了脫出盾尾管片環(huán)間破損，破損形狀呈三角形，最大長度達(dá)到23cm，寬度45cm，深度7cm，破損面積及點位統(tǒng)計見圖2。

為了防止管片上浮造成成型隧道中線偏差超過建筑限界，盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中通過壓低前盾姿態(tài)，以此抵消一部分管片上浮量，但實際掘進(jìn)過程中上浮量不穩(wěn)定，難以平衡預(yù)留的上浮余量，還是存在成型隧道中線位置高低不一的現(xiàn)象和超出設(shè)計建筑限界的風(fēng)險，對后期設(shè)備安裝也會帶來一定的困難，因此必須找到盾構(gòu)管片上浮的原因并采取措施才能防止和解決管片發(fā)生大幅度浮動，從而保證盾構(gòu)施工質(zhì)量，避免變形、開裂、破損、滲漏水等一系列問題。

圖2 破損面積及點位統(tǒng)計圖

3 原因分析

出現(xiàn)管片浮動和破損開裂現(xiàn)象后，技術(shù)人員馬上召開分析會，對管片強度、原材料進(jìn)行了復(fù)查，結(jié)果全部合格，通過對破損點和破損面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)管片浮動量大的部位，相應(yīng)的破損和開裂點較多，且開裂面較大，可見管片脫出盾尾后的浮動，引起管片接觸面應(yīng)力集中，是產(chǎn)生局部破損的主要原因。而引起管片浮動、開裂的原因，主要有同步注漿量不足，二次注漿不及時，以及地質(zhì)情況和地下水位、水壓高低等綜合原因。

首先，排查同步注漿量及注漿工藝、注漿效果，本項目盾構(gòu)隧道開挖斷面12.79m，管片外徑12.44m，計算建筑間隙

式中V為建筑間隙，W為開挖斷面直徑12.79m，D為管片外徑12.4m，設(shè)計理論注漿量Vs為計算建筑間隙的1.5～2.0倍，即Vs=20.8～27.8m3，注漿壓力0.4～0.6MPa,但是通過調(diào)查，在實際施工中，為避免注漿壓力過大引起盾尾密封失效，注漿壓力未達(dá)到設(shè)計值，通常在0.3MPa以下，實際同步注漿量也未達(dá)到設(shè)計注漿量，只有不到14m3，同步注漿使用的水泥砂漿初凝時間約為7h，漿液比重1.7～1.8*103kg/m3，同步注漿配合比見表1。所以同步注漿量應(yīng)該是欠缺的。

表1 同步注漿配合比（kg/m3）

在一次開倉換刀的時候，發(fā)現(xiàn)圍巖開挖面整齊堅硬，刀具劃痕紋路清晰，少量水滲出，可見在自穩(wěn)性較好的粉質(zhì)粘土層掘進(jìn)，上覆土不會在短時間內(nèi)發(fā)生沉降[3]，致使管片脫出盾尾后，完全懸浮在注漿漿液和地下水混合物中，水泥砂漿在地下水的稀釋和沉淀作用下，更容易沉積在管片下部，與砂漿液體的浮力共同作用形成管片上浮，隨著注漿材料凝固，管片的上浮成了一種不可逆的狀態(tài)，隨后的二次注漿填充下部空隙和上部地下水占據(jù)的空間，可能進(jìn)一步抬升管片上浮，為了驗證，下面對管片在脫出盾尾后受到的浮力（式2）和自重進(jìn)行計算比較，見表2。

V浮為每環(huán)管片所受浮力，ρ取地下水比重1*103kg/m3，g為9.8N/kg，v為管片外徑D=12.4m、幅寬1.8m的管片所占體積。

表2 盾構(gòu)管片材料用量統(tǒng)計表

G為幅寬1.8m/環(huán)管片的重量。V浮/G=2.2可見管片所受浮力約為自重的2.2倍，所以管片脫出盾尾后必然產(chǎn)生上浮。

下面我們計算任意外徑D的管片，所受浮力差F與直徑D的關(guān)系。

F為管片所受浮力與重力之差；γ為管片混凝土比重24.5KN/m3；D為管片外徑12.4m；L為管片計算長度1.8m。

對F分別求一階、二階導(dǎo)數(shù)，

因F″恒大于0，所以F有最小值，令F′=0，得D=2.8，即正圓形盾構(gòu)隧道管片外徑為2.8m時所受到的浮力最小，且隨著盾構(gòu)隧道截面增大，管片所受的浮力也越大，這就是大斷面盾構(gòu)隧道相比小斷面隧道管片更容易產(chǎn)生上浮的原因[4]。但隧道截面需滿足設(shè)計要求，不能任意改變，故只能采取其它措施控制管片上浮，使成型隧道中線位置偏差在設(shè)計及規(guī)范允許的偏差范圍內(nèi)，從而保證施工質(zhì)量。

掘進(jìn)過程僅以注漿量為控制指標(biāo)，限定每環(huán)的注漿量范圍，導(dǎo)致注漿量偏少，不能有效地對盾尾間隙進(jìn)行填充。而實際的盾尾間隙可能比計算值更大，如某些特殊地段或較小的轉(zhuǎn)彎半徑上土層損失加大，或者由于地質(zhì)條件或其他特殊原因，掘進(jìn)過程某環(huán)出土量增大而沒有相應(yīng)增大注漿量，另外盾構(gòu)機在粘性較高的粘土層掘進(jìn)時，盾殼外壁會附著一層較厚的固結(jié)土體，與盾構(gòu)機同步前進(jìn)，無形中增大了盾尾間隙。

綜合上述分析可見，出現(xiàn)管片上浮量大的主要原因是注漿量偏少，沒有按照設(shè)計要求采取注漿壓力和注漿量雙控指標(biāo)進(jìn)行同步注漿，另外漿液選型不當(dāng)，漿液早期強度偏低、漿液初凝時間控制不當(dāng)，不能及時與圍巖土體形成共同作用，沒有及時填充盾尾間隙或填充效果不佳。

4 控制措施和效果

常規(guī)的同步注漿采用水泥砂漿單液漿，具有較強的流動性，注漿可操作性強，漿液能填充管片背后的大部分空隙，如果與管片周圍松動的土體共同包裹管片，能起到一定的固定、防水作用，而在圍巖完整性較好的地層，管片脫出盾尾后，背后間隙多半為地下水，同步注漿漿液遇水稀釋，使管片受到的浮力進(jìn)一步增大，從而抬升管片，漿液凝固后形成上空下實的空間，使得管片上浮成為不可逆的狀態(tài)，為了控制管片上浮，必須使同步注漿具有早期強度，具有一定的粘聚性，且不能遇水離析，按照經(jīng)驗和試驗，提出以下改善注漿效果的措施。

調(diào)整同步注漿配合比，提高同步注漿質(zhì)量，使其遇泥水后不產(chǎn)生離析和沉淀，并要求漿液具有一定的流動性，能均勻地布滿隧道周圍，及時充填建筑空隙。原砂漿配合比膠凝時間為7h，根據(jù)地層條件和掘進(jìn)速度，通過現(xiàn)場試驗加入速凝劑調(diào)整膠凝時間，進(jìn)一步縮短膠凝時間至3h，以保證良好的注漿效果。調(diào)整后的漿液稠度＜14cm，漿液比重1.7-1.8*103kg/m3，漿液傾析率（靜置沉淀后上浮水體積與總體積之比）小于5%。通過調(diào)整同步注漿配合比，增大注漿量和壓力，有效抑制了成型隧道管片上浮量，后續(xù)的管片上浮最大5cm且基本維持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大幅的上下波動，成型隧道線型和偏差以及盾構(gòu)機姿態(tài)得到有效控制。

采取由水泥砂漿等攪拌成的A液與由水玻璃等組成的B液混合而成的漿液雙液漿對脫出盾尾的拼裝成型管片進(jìn)行二次注漿措施，以割斷泥水繼續(xù)流失的路徑，填充漿液不密實的空隙，穩(wěn)定管片。采用水泥漿+水玻璃組成的雙液漿（表3），A液水泥漿采用42.5R普通硅酸鹽水泥，水灰比為1:1；B液水玻璃采用波美度35的溶液與水按1.5:1進(jìn)行稀釋。A：B雙液漿的體積比按1:1配合，初凝時間35s，終凝時間60s，注漿壓力控制在比該位置水土壓力增加1～2bar，使?jié){液具有一定的擴散能力，又不至于對周邊土體和注漿體產(chǎn)生較大影響。

表3 雙液漿配合比

加強隧道縱向變形的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行針對性的注漿參數(shù)修正，如調(diào)整注漿部位，從拱頂位置左右45°范圍內(nèi)注漿，按注漿壓力與注漿量雙控指標(biāo)控制，防止注漿壓力過大使管片變形開裂或地面隆起。

通過改良同步注漿，結(jié)合二次補注漿，使管片背后的建筑空隙及時得到填充，抵消一部分地下水浮力，限制管片浮動，從而使管片脫出盾尾后的上浮量變小，再對盾尾附近的管片頂部范圍及時二次補充注漿，進(jìn)一步起到糾偏、加固和抗?jié)B漏的效果，還能堵截盾構(gòu)機后方的地下水通道，減少螺旋機發(fā)生噴涌的現(xiàn)象。

5 結(jié)論和建議

在弱風(fēng)化地層中盾構(gòu)管片脫出盾尾后由于地層變形量小，管片處于自由浮動狀態(tài)，在地下水和同步注漿漿液的共同作用下，產(chǎn)生上浮是必然的，且斷面越大，上浮力越大，為了控制管片上浮，需要采取以下幾項措施：

加強同步注漿質(zhì)量控制，拌制應(yīng)漿液具有充填性、和易性，且離析少，有合適的稠度，以便不被地下水稀釋，漿液硬化后的體積收縮率要小，有一定的早期強度，以便更好地固定管片，抵抗地下水和漿液產(chǎn)生的浮力，防止管片上浮超限。

同步注漿時要求在地層中的漿液壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補而不宜劈裂。注漿壓力過大，會使盾尾密封失效，地下水向盾構(gòu)機內(nèi)泄漏，嚴(yán)重影響施工安全；而注漿壓力不足，漿液填充速度過慢，填充不充足，會使地表變形增大，管片容易產(chǎn)生浮動、變形、開裂或滲漏，所以，同步注漿壓力要基本和土倉壓力基本平衡。

采用雙液漿進(jìn)一步對脫出盾尾的3～10環(huán)管片進(jìn)行二次補注漿，不管是軟弱巖層或硬質(zhì)巖層，二次注漿都很必要，能進(jìn)一步填充管片背后的空隙，使空隙附近的泥沙快速固結(jié)，穩(wěn)定管片浮動。

在地層結(jié)構(gòu)較好的中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層情況下[5]，由于管環(huán)頂部土層不宜塌落到管環(huán)上部或需要較長的時間，需要結(jié)合地層情況，壓低盾構(gòu)機前端標(biāo)高，以此抵消部分不可消除的上浮量，而軟弱地層恰好相反，一般要抬高盾構(gòu)機姿態(tài)，防止盾構(gòu)機栽頭或后期管片下沉量偏大。

盾構(gòu)機設(shè)計制造時應(yīng)根據(jù)地層情況選擇不同的盾尾注漿方式。在條件允許的情況下盡可能采用通過安裝在盾尾的注漿管進(jìn)行同步注漿的方式，注漿工藝應(yīng)既可選擇單液漿也可選擇雙液漿，注漿過程應(yīng)設(shè)計為自動控制而將通過管片注漿孔注漿作為備選注漿方案或補充應(yīng)急方案。

合理選擇注漿液類型，單液漿由于其強度較低、抗?jié)B性能差不利于隧道襯砌的早期穩(wěn)定和隧道防滲效果。雙液漿制備成本相對較高，初凝時間短，早期具有一定強度對于隧道襯砌的穩(wěn)定較為有利，地層沉降量更小，注漿效果更佳，且能廣泛適用于各種地層。