盾構(gòu)施工中隧道管片上浮的影響因素及控制措施

李 磊，徐軍哲

（中鐵工程裝備集團技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構(gòu)施工中隧道管片上浮的影響因素及控制措施

李 磊，徐軍哲

（中鐵工程裝備集團技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450016）

[摘 要]結(jié)合南寧市軌道交通1號線鵬南盾構(gòu)區(qū)間工程實例，從盾構(gòu)工法特性，同步注漿工藝，盾構(gòu)姿態(tài)控制及線路走向等方面著手，對土壓平衡盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生的隧道管片上浮現(xiàn)象及原因進行了分析研究，并提出了相應(yīng)的施工控制對策。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)工法；管片上?。挥绊懸蛩?；二次注漿

在盾構(gòu)掘進過程中，常出現(xiàn)管片上浮現(xiàn)象，在硬巖等穩(wěn)定圍巖條件下，上浮尤其明顯，甚至達到140mm以上。管片上浮會導(dǎo)致管片錯臺、破損等問題，在施工中必須解決上浮的問題。管片上浮主要受工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、管片襯砌注漿質(zhì)量、盾構(gòu)姿態(tài)控制等方面的影響。本文結(jié)合南寧市軌道交通1號線鵬南盾構(gòu)區(qū)間隧道管片上浮的工程實例，從盾構(gòu)工法特性、同步注漿、盾構(gòu)姿態(tài)及線路走向等方面著手，重點對土壓平衡盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生的管片上浮的現(xiàn)象、影響因素及應(yīng)對措施進行分析研究，為解決盾構(gòu)隧道管片上浮問題提供一些參考建議。

1 工程概況及地質(zhì)分析

1.1 工程概況

本工程位于廣西省南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)大學(xué)西路沿線，起于鵬飛路站，終于南職院站。鵬南區(qū)間起止里程為YSK2+914.721～YSK2+083.134，區(qū)間長831.587m，區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間在YSK2+604.755處設(shè)置有一聯(lián)絡(luò)通道，采用礦山法施工。隧道埋深9.5～14.5m。本區(qū)間左、右線各有2個曲線段，曲線半徑均為2 000m，線間距13.5m。線路出鵬飛路站后，先以45m的2‰的上坡，再以217m的22.1‰的下坡到達區(qū)間隧道最低點，最后以4‰、24‰、2‰的上坡到達南職院站。本區(qū)間隧道采用中鐵裝備生產(chǎn)的中鐵110號盾構(gòu)掘進，開挖直徑為?6 280mm。

1.2 線路區(qū)間工程及水文地質(zhì)分析

鵬飛路站西端頭盾構(gòu)始發(fā)地層從上到下依次為雜填土、素填土、粉質(zhì)粘土、泥質(zhì)粉砂巖，區(qū)間隧道穿越的主要地層為細(xì)砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，其中區(qū)間隧道始發(fā)段穿越的地層主要為穩(wěn)定的泥質(zhì)粉砂巖。

本區(qū)間地下水主要為賦存于第四系土層中的孔隙潛水和基巖的基巖裂隙水?？辈鞎r測得孔隙潛水穩(wěn)定水位標(biāo)高為69.43～78.28m，基巖裂隙水的穩(wěn)定水位標(biāo)高為71.87～78.62m。隧道中心線高程60.564～67.136m，隧道處于地下水位線以下。

2 隧道管片上浮位移跟蹤及分析

2.1 管片上浮位移跟蹤

本區(qū)間隧道縱斷面總體縱向成“V”字形，最大埋深14.5m，隧道坡度大，地層穩(wěn)定，含水量小。在施工過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)隧道處于下坡段盾構(gòu)掘進時，管片出盾尾后上浮程度較大。以右線為例，在下行線坡度為22.1‰的第42環(huán)～58環(huán)的雙數(shù)環(huán)管片中心高程上浮值監(jiān)測情況詳見表1。

表1 鵬南盾構(gòu)區(qū)間右線環(huán)片姿態(tài)檢測成果表（垂直方向） (mm)

2.2 跟蹤數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上的管環(huán)檢測成果，繪制出管片上浮位移趨勢圖，如圖1所示。

圖1 右線第42～60環(huán)段(雙數(shù)環(huán))管片上浮位移趨勢圖

從上面管片上浮位移趨勢圖來看，在下坡22.1‰的第42環(huán)～60環(huán)段管片拼裝24h后最大上浮位移達142mm。盾構(gòu)開挖直徑為6 280mm，管片外徑6 000mm，管片與圍巖之間間隙為140mm?？梢姡芷摮龆芪?4h后快速上浮，直到頂住圍巖。

3 隧道管片上浮的影響因素分析

3.1 襯砌環(huán)形建筑空間

盾構(gòu)切削刀盤直徑與隧道管片外徑有一定的差值，當(dāng)管片脫出盾尾后，管片與圍巖間產(chǎn)生一環(huán)形建筑空間，就給管片提供了上浮條件。

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3.2 地質(zhì)

在軟弱地層中，由于圍巖自穩(wěn)性差，應(yīng)力釋放快，塑性變形大，這一環(huán)形空間在管片脫出盾尾后，拱頂圍巖極有可能發(fā)生變形或拱頂圍巖下沉，減小了圍巖與管片之間的間隙，同時建壓掘進和及時地同步注漿使此間隙能得到有效填充，有利于管片快速穩(wěn)定。

在穩(wěn)定較好的基巖地層中，管片脫出盾尾后，由于圍巖的收斂變形小，環(huán)形建筑空間在相對長時間內(nèi)是穩(wěn)定的；同時在此類較穩(wěn)定的地層中掘進時通常采用敞開式或半敞開式掘進模式，盾尾處的同步注漿與前方掌子面間存在一定的壓力差，造成同步注漿漿液前竄；若在有裂隙水的情況下，特別是在下坡段掘進時，必然導(dǎo)致漿液前竄現(xiàn)象加劇。這樣，就使靠近盾尾一定范圍內(nèi)的脫出盾尾的管片與圍巖之間的間隙長時間得不到及時有效填充。

3.3 管片受力分析

由于管片與圍巖的間隙的存在，使脫出盾尾后一定范圍內(nèi)的管片處于無約束的狀態(tài)或未被固結(jié)的流體所包圍，在推進缸隧道縱向力產(chǎn)生的兩端的摩擦力和該段所有的重力不足以抵消隧道垂直方向的強大浮力時，就造成中部管片發(fā)生上浮撓曲變形或錯臺現(xiàn)象。

3.4 盾構(gòu)姿態(tài)及推力影響

在盾構(gòu)掘進施工中，盾構(gòu)通常保持微微抬頭姿勢掘進，一般底部油缸推力較大，此推力會在設(shè)計軸線法線上產(chǎn)生一個向上的分力，特別是下坡段時，底部推進壓力增大，分力隨之增大，這個分力加劇了管片的上浮，特別是在同步注漿漿液沒有完全提供約束力的情況下。

4 管片上浮的控制措施

結(jié)合以上分析，為保證隧道成型，在后續(xù)的施工過程中針對不同的因素提出以下相應(yīng)的應(yīng)對措施以指導(dǎo)施工生產(chǎn)。

4.1 二次雙液補充注漿和同步注漿

在穩(wěn)定性較好的基巖段成功解決管片上浮問題的關(guān)鍵是要確保管片背后建筑間隙的及時有效填充，也是管片壁后注漿約束的有效性與管片上浮的競賽，盾構(gòu)自身的構(gòu)造和現(xiàn)場施工組織特點決定了若通過盾構(gòu)的注漿系統(tǒng)同步注入傳統(tǒng)的水泥砂漿料，在漿液性能上的特點決定了漿液不可能有效控制管片上浮現(xiàn)象，唯有雙液速凝漿液方可徹底解決管片上浮的問題。雙液速凝漿液在漿液性能的選擇上應(yīng)在保證漿液的充填性能基礎(chǔ)上，嚴(yán)格控制初凝時間、早期強度與盾構(gòu)掘進速度的匹配性，有效限定漿液的擴散范圍和防止大量流失，才能保證隧道管片與圍巖共同作用形成一體化的構(gòu)造物。

由于雙液漿在同步注漿管過程中易堵管，可選擇在管片注漿孔進行注漿，即管片脫出盾尾后采用人工對管片進行注漿。但通過吊裝孔注雙液漿往往要停止掘進，為減小注漿對施工進度的影響，可根據(jù)管片脫出盾尾后管片間相對上浮量不超過限界要求的前提下，選擇隔環(huán)注雙液漿的方式減小管片懸臂距離，同時優(yōu)化同步漿液配合比。一方面可有效封堵后部來水，減小同步注漿漿液前竄機率；二是有效填充管片壁后建筑間隙以達到防止管片上浮和穩(wěn)定管片的目的。另外，也可在管片與管片之間焊連槽鋼，保持管片間有效摩擦力的措施控制錯臺和減小管片上浮量。

4.2 盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)過量的蛇形運動必然造成頻繁的糾偏，糾偏的過程就是管片環(huán)面受力不均勻的過程，所以要求盾構(gòu)掘進過程中必須控制好盾構(gòu)的姿態(tài)，盡可能地沿隧道軸線作小量的蛇形運動。發(fā)現(xiàn)偏差時應(yīng)及時逐步糾正，不要過急過猛地糾正偏差，人為造成管片環(huán)面受力不均勻，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果每環(huán)管片糾偏量不應(yīng)大于每環(huán)5mm。

4.3 推力控制

推力過大，會導(dǎo)致各組油缸壓力差增大，增大管片所受的向上分力，引起上浮、錯臺等問題。在漿液未形成初期強度前，較大的推力會對管片造成擾動，影響漿液的凝結(jié)和管片的穩(wěn)定。

4.4 合理控制盾構(gòu)掘進高程

在本區(qū)間施工過程中，根據(jù)檢測到的管片上浮的統(tǒng)計值，通過和隧道設(shè)計軸線的比較，發(fā)現(xiàn)管片上浮較嚴(yán)重時，及時地將盾構(gòu)掘進高程降至設(shè)計軸線以下100mm，以此來抵消后續(xù)掘進的管片上浮值，使隧道軸線最大程度的接近設(shè)計軸線。但此法中盾構(gòu)下降幅度不易把握，且易造成管片長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可作為不得已情況下的應(yīng)急措施，不宜長期使用，且需適時進行二次補充注漿，以確保管片的最終穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

隧道處于穩(wěn)定的圍巖地層，管片背后環(huán)形建筑空間的存在給管片上浮造成客觀的外部條件，而在軟弱滲水土層或砂層中，雖然隧道管片也存在上浮的趨勢，但由于隧道圍巖收縮、覆土下沉等能夠縮小管片與圍巖之間的建筑空間，管片上浮的情況就會很小，本文所列舉管片上浮的主要原因是因為隧道管片有上浮的空間，由于未對上浮空間及時進行填充固結(jié)而造成的。在施工中針對復(fù)雜多變的地質(zhì)情況，準(zhǔn)確預(yù)測地質(zhì)，對各種施工信息進行動態(tài)分析及控制，通過技術(shù)與經(jīng)濟的比較，適時做出合理的適應(yīng)不同地質(zhì)條件的漿液配合比，動態(tài)管理漿液，同時，不斷收集總結(jié)盾構(gòu)掘進過程中的各種掘進參數(shù)，摸索出不同地質(zhì)條件下與之相適應(yīng)的掘進參數(shù)的變化規(guī)律，最大限度地控制隧道管片在施工過程階段的位移和變形，以滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

[參考文獻]

[1] 梁永釗，鞠世?。疁\談盾構(gòu)隧道施工管片上浮的控制[J]．廣東建材，2009，(6)：87-90.

（編輯 張海霞）

Analysis and control of the upward moving of tunnel segments in the process of shield excavation

LI Lei, XU Jun-zhe

［中圖分類號］TU621

［文獻標(biāo)識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)06-0060-03

［收稿日期］2015-02-12