盾構在長距離板巖地層掘進過程中的管片上浮原因分析及對策

郭茶發

（中鐵十七局集團第六工程有限公司 福建福州）

盾構在長距離板巖地層掘進過程中的管片上浮原因分析及對策

郭茶發

（中鐵十七局集團第六工程有限公司 福建福州）

通過對長沙地鐵1號線2標北辰三角洲站～開福寺站區間內板巖地段的監測與分析得出，盾構在板巖地層掘進過程中的管片普遍存在上浮現象，通過施工過程中分析總結，采取相應措施可減少在該類地層下管片的上浮。

地鐵施工；管片；板巖地層；抗浮措施

前言

目前在地鐵管片施工過程中，管片上浮多出現在軟土地層及復合地層中，管片上浮量較大。在盾構隧道中管片上浮控制是確保隧道線型符合設計要求和管片建筑限界的關鍵，如若無法控制管片上浮問題，就會出現管片裂縫、破損乃至整體軸線偏移等問題，影響工程質量，帶來工程隱患，增加工程造價。本文結合長沙地鐵1號線北辰三角洲站～開福寺站區間盾構施工過程中，盾構穿越近85%總長度板巖地層的實例，針對在施工過程中出現管片上浮情況，從多方面查找原因并進行分析，制定相應的控制措施。

1 工程概況

長沙地鐵1號線2標北辰三角洲站～開福寺站區間，線路出北辰三角洲站后沿規劃縱二路向南行進，下穿湘江二橋東引橋，沿規劃黃興北路繼續向南行進，到達開福寺路與規劃黃興北路交叉路口南面的開福寺車站。區間右線長1394.6m，左線長1385.758m。區間縱斷先以1.8%的坡度下坡，然后再以0.7105%到達湘江二橋東引橋，出湘江二橋后以1.9%的坡度上坡到達開福寺車站，區間覆土厚度約為8.6～21.2m。

2 工程及水文地質條件分析

2.1 工程地質

本區間地貌單元為湘江河的Ⅰ～Ⅱ級階地，地面標高變化30.60～36.20m。根據野外鉆探情況，本勘察范圍土、巖層從新到老主要有全新統人工填土層、全新統～上更新統沖積層、殘積層、白堊系砂礫巖、元古界板巖各風化帶巖石。北辰三角洲站～開福寺站區間盾構穿越全斷面板巖的地質占60%，隧道底部為板巖的地層占85%。

2.2 水文情況

本區間周邊地表水發育，西邊距湘江河0.5km，地形較平坦，本區間基巖裂隙水主要含水層為強風化砂礫巖層，滲透系數k＝0.80m/d、強～中風化板巖層，滲透系數 k＝0.08～0.20m/d，屬弱透水性地層。

3 管片上浮的環境特征

（1）從地層地質情況來看，管片在強風化板巖、中風化板巖、微風化板巖地層容易上浮，且地層越硬上浮情況越嚴重。

（2）從線路特征來看，在變坡點、上坡段、反坡點，尤其是在豎曲線的最低點，管片上浮比較嚴重。

（3）從管片上浮的速率和快慢來考慮，在開始上浮的第一天，數值一般可以達到穩定值的2/3，第二天上浮值為穩定值的1/4～1/3，到第三天、第四天管片就不再有上升的趨勢，逐步穩定下來。

（4）從其他方面，比如注漿不飽滿且水大時；上下千斤頂推力差過大時；螺栓未擰緊時；受漿液性質的影響時；管片由于螺栓的影響而自身帶有的特性等都或多或少的會引起管片的上浮。

4 管片上浮原因分析

針對我部在長沙地鐵1號線北辰三角洲站～開福寺站區間長距離穿越板巖地層的施工實例，從以下幾個方面對管片的上浮情況加以分析。

4.1 盾構工法特性的影響

本工程選用的是由鐵建重工生產的ZTE6250型盾構機，其刀盤開挖直徑為6280mm，管片外徑為6000mm，為此管片外側與土體之間存在140mm的環形間隙，但受管片自重的作用，底部與土體的間隙接近為零。盾構機在板巖地層掘進中，管片脫出盾尾后，圍巖自穩效應好，拱頂土體全部塌落到管片結構需要一定時間和過程，如管片外側空隙未及時填充，則脫出盾尾的管片周圍處于無約束的地下水的包圍狀態，給管片的位移提供了可能的條件。盾構隧道是空心的筒體，在混凝土自重作用下有下沉的趨勢，但在全斷面地下水壓力作用下，防水性能優良的襯砌隧道則有上浮的趨勢。以本區間盾構隧道外徑6.0m、內徑5.4m、寬1.5m的管片為例：

管片混凝土自重：G＝ρ×g×Vc＝2400×9.8×8.06≈189.6（kN）（1）

水浮力：F＝ρw×g×V＝1000×9.8×42.39≈415.4（kN）（2）

式中：混凝土比重ρ為2400kg/m3，管片混凝土方量Vc約為8.06m2，一環管片所占空間體積V約為42.39m3。

根據計算所得，可見管片混凝土自重G小于水浮力F，而板巖地層拱頂有較好的自穩性，土體施加在管片結構上需要時間，這就解釋了在拼裝管片初期為何隧道上浮位移發展快的原因。

4.2 同步注漿砂漿配合比對管片上浮的影響

根據施工所得經驗表明，如果配置的漿液無法保證盾尾后5環的管片壁后間隙得以完全充填并快速形成早期強度，使隧道與周圍土體形成穩定的整體構造物，則在漿液為凝固的階段可將注漿層仍看作液體，管片環完全浸泡在溶液中。根據阿基米德定律，處于漿液的襯砌環受到的浮力F大于管片自重G，當管片環受到的浮力遠大于自身重力，在豎直向上力的作用下，管片會產生豎直向上運動的趨勢。

4.3 同步注漿量對管片上浮的影響

由于管片外側與開挖土層存在140mm的環形建筑空隙，如果注漿不飽滿，管片外側與土層之間的間隙沒有及時有效地充填，就必然出現管片上浮的空間。

在同步注漿不飽滿時，地層土軟硬不同，產生的管片上浮情況也不同。一般情況下，軟地層不容易上浮，而硬地層卻有空間導致管片上浮。這是因為在掘進過程中，對于軟地層，上部松軟地層土的自穩性差，會因為自重、存在空隙而有相對的下沉，從而使因注漿不飽滿造成的管片和土層之間的剩余空隙基本消失。硬地層由于自穩能力強，完整性好，能很好的控制自身沉降。再者同步注漿采用凝結時間為5～7h的砂漿，使管片有足夠的上浮空間和時間，且地層越硬，管片上浮的情況越嚴重。

4.4 總推力豎向分力對管片上浮的影響

總推力豎向分力受管片設計坡度、盾構機俯仰角、總推力等因素影響，千斤頂豎向分力按下式計算。Fy＝F總×sin（θ1+θ2）式中，F總為千斤頂總推力；F豎為千斤頂豎向分力；θ1為盾構俯仰角；θ2為管片設計坡度。如圖1所示，為總推力反力豎向分力示意圖。

由圖1及公式可知，隨著總推力增大，豎向分力也增加；當盾構仰角向下越大時，向上的豎向分力也隨之增大；當管片坡度向下增大時，向上的豎向分力也隨之增大，為此，隨著總推力豎向分力的增大，管片上浮的幾率也隨之增大。

圖1 總推力反力的豎向分立示意圖

4.5 其它影響因素

除上述主要影響板巖地層中管片上浮的因素外，還包含有其它的原因如下：

（1）土層軟硬不均，包括軟硬交接面的傾斜度、長度、上覆土層情況等都能影響管片的上浮，尤其在上軟下硬地層中，管片上浮情況最為嚴重；

（2）管片拼裝完成后螺栓未及時緊固，導致前后管片連接未形成整體；

（3）測量不及時，導致后續相應的措施滯后；

（4）管片拼裝點位選擇不恰當。

5 管片上浮的控制措施

5.1 調整同步注漿材料配比

采用同步注漿工藝對管片外側進行漿液填充后，由于漿液材料存在時效性，隨著漿液強度的形成和漿液初凝，注漿層會逐漸起到穩定管片的作用，而同時注漿層未凝結到一定強度以前會存在對管片的浮力，引發管片上浮。為此，本項目在施工過程中通過采用不同砂漿的配合比，調整漿液的凝結時間以控制管片的上浮。本項目在水量較小的地層掘進中采用表1配合比，在水量較大的地層掘進中采用表2配合比。

表1 同步注漿砂漿配合比（M2.5）

表2 同步注漿砂漿配合比（M5）

在施工過程中，我項目通過控制不同點位的注漿壓力變化可以起到管片抗浮的目的，當管片上浮量較大時，在盾構掘進過程中，可控制同步注漿操作中注漿點位和注漿壓力，使用管片上半側的注漿點位注漿時，采用該位置靜止土壓力1.1～1.2倍的注漿壓力，而管片下半側的注漿點位則少注或不注，從而減小管片上浮的趨勢。

5.2 盾構機掘進控制

（1）盾構推進油缸分區控制

盾構掘進過程中，千斤頂總推力受開挖面水土壓力、盾殼外側摩擦阻力等因素的影響，而水土壓力和摩阻力受埋深、土性因素影響，故總推力要與地層相匹配，不可過度調節其大小。隧道線型在設計階段已經確定，故在總推力和設計坡度不可控時，可控制盾構機姿態來影響總推力豎向分力的變化。

（2）盾構掘進姿態控制

根據掌握地面地層情況及盾構檢測裝置反映的數據及時調整推進參數及推進方向，避免引起更大的偏差，當盾構機出現蛇形運動時，應以長距離慢慢修正為原則，做到糾偏及時、連續、不過量，研究猛糾猛調，并且要注意避免糾偏時由于單側千斤頂推力過大對管片造成的破損，保證拼裝后的管片軸線偏差滿足規范要求。

（3）控制掘進速度

為保證管片外側同步注漿質量，盾構掘進速度控制需要與漿液的有效初凝固結時間相匹配，如無法達到良好的固結效果，需要適當調整盾構掘進速度，采取勻速緩慢推進，速度控制在30mm/min，保證管片外側空隙注漿飽滿，避免形成空隙后漿液被地下水沖刷、稀釋后漿液性能降低。

（4）盾構掘進軸線控制

在上述抗浮措施均采取后，但管片仍發生較大上浮時，可采取保證隧道實際掘進軸線在隧道設計軸線以下一定高度的措施。在本區間隧道推進中，項目技術人員根據統計的管片拼裝后上浮經驗值，將盾構機推進軸線高程降至設計軸線下50mm，以此來抵消管片襯砌后期的上浮量，使隧道中心軸線近可能地接近設計軸線。

5.3 加強螺栓復緊

為提高管片整體抗拉浮能力，需要加強對管片螺栓連接的復緊工作，為此，本項目在施工過程中要求三次緊固來實現：在盾殼內（拼裝時）進行第一次緊固；脫離盾尾后進行第二次復緊；進入1號臺車前進行第三次復緊。

5.4 加強施工監測

為嚴格控制好管片施工過程中的上浮，實施過程中做到每天對盾尾10～15環管片復測一次，當發現管片上浮時，加緊管片測量頻次，可以每5環測一次或者每2環測一次。同時設立警戒值，當管片上浮的速率＞30mm/d，可視為警戒，當管片上浮的速率＞50mm/d，立即停機，實施二次注漿，并對下階段的掘進采取必要的糾偏措施。

6 結語

本文通過長沙地鐵1號線北辰三角洲站～開福寺站區間長距離穿越板巖地層的工程實例，得出管片上浮并不是只由其中一個因素獨立產生的，而是一個各方面共同作用下的結果。為此，本項目針對前期出現的管片上浮，分析總結的管片上浮的原因，針對所處工程地質與水文地質情況，分別從漿液配合比及注漿壓力控制、盾構機姿態控制、施工監測以及管片上浮后的處理等方面提出控制管片上浮的措施，為今后類似工程施工提供借鑒。

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[3]陳丹蓮.成型隧道管片碎裂分析[J].廣東建材，2014：55～57.

U455.43

A

1673-0038（2015）49-0249-02

收稿日期：2015-11-2