盾構(gòu)機到達(dá)階段管片上浮形成機理及控制研究

喻青儒 肖飛 張道彬

摘 要：隨著國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)的大面積展開，盾構(gòu)施工技術(shù)也在不斷向前發(fā)展。在此背景下，盾構(gòu)管片姿態(tài)偏差已經(jīng)成了盾構(gòu)施工中一項常見的質(zhì)量通病，輕則出現(xiàn)錯臺、滲漏水等現(xiàn)象，重則造成隧道中心軸線嚴(yán)重偏離設(shè)計、隧道管片破裂、螺栓剪斷等事故發(fā)生。管片上浮屬于姿態(tài)偏差的一種情況，管片上浮控制技術(shù)一直是業(yè)內(nèi)非常關(guān)注，也是一直進(jìn)行研究的一項課題。管片上浮的控制與盾構(gòu)掘進(jìn)、測量控制、同步注漿、二次注漿以及地層情況均有較為密切的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：管片上??；二次注漿；錯臺

中圖分類號：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）08-0110-02

相對于盾構(gòu)機掘進(jìn)過程中的管片上浮管控，本文從盾構(gòu)工法、地層情況、注漿材料、注漿工藝等方面探討在盾構(gòu)機到達(dá)階段管片上浮管控的技術(shù)，并提出相應(yīng)的措施和建議。

1 管片上浮的理論基礎(chǔ)與主要應(yīng)對措施

一般認(rèn)為做好掘進(jìn)施工的精確測量、控制好盾構(gòu)機的姿態(tài)基本上就能保證管片的拼裝質(zhì)量與姿態(tài)，但是在多數(shù)情況下，管片脫出盾尾后必然會產(chǎn)生上浮的現(xiàn)象。就目前的理論研究方面來看，盾構(gòu)掘進(jìn)的工法決定了管片上浮是必然存在的。

盾構(gòu)機刀盤直徑D>成型隧道外徑d，D與d之間的空隙一般情況下由同步注漿的漿液進(jìn)行填充，當(dāng)ρ漿液×g×V1>ρ混凝土×g×V2（V1為單環(huán)切削土體理論體積，V2為單環(huán)混凝土管片體積，一般情況下ρ漿液V1必定大于ρ混凝土V2）時，在管片脫出盾尾失去約束后，臺車及后配套的重量無法抵抗上浮的力，管片必然造成上浮。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及研究表明：Ⅴ級及以上等級的圍巖中，盾構(gòu)管片上浮主要是出現(xiàn)在管片脫出殼體后產(chǎn)生的；而在軟弱土層中，管片上浮共分為兩個階段，第一階段是管片脫出盾尾時擠壓填充漿液時出現(xiàn)的，第二階段是成型隧道抵抗上部軟土的過程中出現(xiàn)的。在前一階段的管片上浮理論基礎(chǔ)基本相同，均是由于開挖截面大于隧道成型截面造成的，后一階段主要是由上覆土的情況決定。

根據(jù)規(guī)范的要求，管片拼裝軸線高程和平面的允許偏差為±50mm。為解決管片上浮這個必然的問題，盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中可以根據(jù)不同的情況來采取措施：

（1）在第一階段（管片脫出盾尾階段），在實際盾構(gòu)施工操作中（如圖1），首先根據(jù)地質(zhì)條件和試掘進(jìn)的參數(shù)，將盾構(gòu)機的實際軸線往下垂直偏移50mm左右，以消除或減小管片上浮后與設(shè)計中心軸線的偏差。

（2）第二個措施就是控制好同步注漿和二次注漿漿液的配合比與類型。當(dāng)前漿液共有三種形式的同步注漿漿液：一種惰性漿液，一種普通水泥漿液，另外一種為雙液漿。

在巖層中，同步注漿漿液主要為填充縫隙，上部巖層不會產(chǎn)生沉降變形剪切漿液，所以一般情況下根據(jù)管片上浮的情況注入較便宜的普通水泥漿，在二次注漿的過程中通過調(diào)整注漿的順序和壓力來控制上浮。如若在上浮較大的情況下，可注入價格較貴的雙液漿，注入順序可先上后下。整個管片上浮基本上是在初凝階段發(fā)生的，配合比方面主要控制漿液的初凝時間即可。

在軟弱地層中掘進(jìn)時，考慮地層沉降的趨勢，注漿材料采用惰性材料即能夠獲取較良好的初期控制，并能減少成本。遠(yuǎn)期上浮則需要對地質(zhì)條件、覆土厚度以及列車運行震動等方面進(jìn)行多方位的考慮。

（3）軟弱土層中成型隧道抵抗上部軟土形成上浮的現(xiàn)象是一個長期、緩慢的過程，如若覆蓋土層不能抵抗上浮力時，隧道管片上浮將會朝著隧道嚴(yán)重破壞的方向發(fā)展。在某些時候，列車的運營帶來的震動也可能造成軟弱土層的敏感性液化，進(jìn)而將這一過程嚴(yán)重化，甚至導(dǎo)致隧道漏水、管片破裂影響運營安全。在這種情況下，就必須對隧道上方軟弱地層進(jìn)行加固處理。常見的加固措施有三軸攪拌樁、雙管旋噴樁等加固措施。

2 到達(dá)階段管片姿態(tài)上浮研究與控制措施

2.1 到達(dá)階段推力不均導(dǎo)致管片上浮

在常見的盾構(gòu)隧道線型設(shè)計中，到達(dá)階段基本上為一個上坡段，盾構(gòu)機的姿態(tài)主要依靠主動或被動鉸接來進(jìn)行調(diào)整，但在鉸接調(diào)整垂直或是水平姿態(tài)的過程中，也有出現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整達(dá)不到要求的情況。在這種情況下，為滿足姿態(tài)調(diào)整的需要，盾構(gòu)機的操作手往往會對各千斤頂施加不同大小的力來輔助調(diào)整姿態(tài)。一般情況下先拼裝底部的管片，然后拼裝周邊與頂部管片，在利用千斤頂調(diào)盾構(gòu)機姿態(tài)時，操作手將千斤頂推力調(diào)整成F2>F1時（如圖2），Δ=F2-F1的水平分力產(chǎn)生了向上的作用力，導(dǎo)致脫出盾尾的管片產(chǎn)生向上移動的趨勢，從而導(dǎo)致管片上浮。

以上情況在到達(dá)階段也會因覆土層變淺，地質(zhì)斷面出現(xiàn)上軟下硬的情況時，盾構(gòu)底部千斤頂推力加大也有可能產(chǎn)生圖2的情況。

因推力造成的管片受力不均，開挖斷面內(nèi)的管片必然進(jìn)行上浮，在這樣的情況下，就必須考慮調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)，從設(shè)計上直接設(shè)計成直線出洞。如果設(shè)計沒有在線性上考慮，這需在施工階段考慮盾構(gòu)機直線出洞，然后在后期調(diào)整管片姿態(tài)以滿足設(shè)計要求。出洞后管片的糾偏工作主要依靠二次注漿來進(jìn)行糾正，具體操作同常規(guī)的糾偏措施，滿足規(guī)范要求即可。

2.2 同步注漿導(dǎo)致的管片上浮

同步注漿是填充盾構(gòu)開挖面與管片界面之間間隙的一種手段，考慮到地下水的作用，漿液的選用方面和使用上主要考慮地層的問題。最終管片姿態(tài)的形成和控制均需要通過二次注漿來進(jìn)行調(diào)整。多數(shù)情況下，二次注漿的選擇基本為水泥漿。二次注漿的漿液采用普通水泥漿時，初凝時間在外部地下水的影響下時間難以控制。這樣的二次注漿反而會對原先留置在空隙中正在進(jìn)行初凝的同步注漿材料進(jìn)行擾動，管片上浮產(chǎn)生的剪切破壞將會進(jìn)一步加劇。

雙液漿的好處就是凝固時間較短，能夠有效的控制和調(diào)整管片的姿態(tài)。但是雙液漿也有它的缺點，比如在使用過程中易堵管且費用高，在操作不當(dāng)?shù)那闆r下還有可能因壓力集中造成管片破壞。如果二次注漿全部采用雙液漿進(jìn)行注漿，工程施工中是難以接受的。通過工程實例得出的結(jié)果，二次注漿過程中每隔5～8環(huán)采用雙液漿做一環(huán)的止水固定環(huán)，注漿壓力控制在0.2MPa以內(nèi)，然后其他環(huán)管片外部二次注漿采用普通水泥漿進(jìn)行調(diào)整和填充，這樣能夠很好的解決以上存在的各種問題。

2.3 到達(dá)接收架階段管片上浮控制

達(dá)到接收架時，為保證二次注漿不污染盾尾刷，盾尾管片二次注漿的及時性將大大的延后?？紤]管片脫出盾尾上浮的情況下，在接收架安裝點較低時，盾構(gòu)機機頭落架時整體的重量會拉扯后部管片，形成一個非常大的向下的力。這樣極端的情況下，到達(dá)階段靠近洞口的管片將有可能造成螺栓拉裂，非常嚴(yán)重的管片錯臺，漏水漏水或是災(zāi)難性事故的發(fā)生。圖3所示就是到達(dá)階段脫出盾尾部分管片與盾構(gòu)機內(nèi)的管片產(chǎn)生嚴(yán)重錯臺、螺栓拉裂的情況。

產(chǎn)生這樣的問題主要原因有以下兩個方面：（1）盾構(gòu)機姿態(tài)控制不到位；（2）接收架與出洞后盾構(gòu)機的刀盤位置未進(jìn)行嚴(yán)格核算和調(diào)整，導(dǎo)致接收架過低。要解決此類問題，就必須在刀盤露出洞口后，精確測量刀盤中心與盾尾姿態(tài)，根據(jù)測算的數(shù)據(jù)，重新調(diào)整接收架高度；同時在到達(dá)階段將盾構(gòu)機整個姿態(tài)中心控制在設(shè)計軸線上。

2.4 精確測量

管片上浮的情況，在施工過程中可以通過管片拼裝質(zhì)量及管片的間隙來進(jìn)行初步判斷。但管片上浮很大一部分是在管片剪切漿液或土體時因浮力產(chǎn)生的，這就需要對管片的情況及時掌控，以便在后續(xù)二次注漿或是掘進(jìn)施工中采取措施和調(diào)整參數(shù)。

通過實踐表明，每日（24小時）掘進(jìn)8～10環(huán)就必須進(jìn)行一次管片姿態(tài)人工測量、盾構(gòu)機姿態(tài)人工測量，這樣能更好的合理設(shè)置盾構(gòu)機的掘進(jìn)姿態(tài)以及管片外二次注漿的要點和時間點。

3 結(jié)語

通過不斷的實踐和理論研究，管片上浮現(xiàn)象是不可避免的，但控制和調(diào)整的手段也越來越得到一線作業(yè)人員與管理者的關(guān)注。隨著盾構(gòu)施工越來越智能化、自動化，在管片上浮理論研究及控制方面仍舊需要人工不斷的進(jìn)行校正和調(diào)整，并將其得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

控制好管片上浮就必須根據(jù)不同地層選擇不同漿液，做好精確測量、同步注漿、二次注漿的工作。在到達(dá)階段，二次注漿的及時性不同于一般情況下的施工，應(yīng)做到及時、可靠，達(dá)到預(yù)先控制的目的，提高管片成型后的質(zhì)量，降低到達(dá)階段的施工風(fēng)險。

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