大粒徑、高強度富水砂卵石地層盾構管片上浮原因分析及控制技術

鮑明星 李翔

【摘 要】成都地鐵4號線二期工程（不含同步實施工程）線路全長17.578公里，分東、西延伸線兩部分，其中東延線長6.683公里，西延線長10.859公里。出入場線長4.581公里，共設車站12座（東延線4座，西延線8座）、主變電所1座，文家車輛段擴容及西河停車場1座，B型車6輛編組（138輛）。依托成都地鐵市政軌道交通盾構工程項目，對盾構掘進管片上浮原因進行分析，提出有效的解決方案。

【關鍵詞】大粒徑、高強度 富水 砂卵石 盾構 管片上浮 原因分析 控制技術

1 工程概況

成都地鐵4號線二期工程土建2標地處成都市溫江區，位于我國新華夏系第三沉降帶之川西褶帶的西南緣，界于江油～灌縣區域性斷裂帶和龍泉山褶皺帶之間，為一斷陷盆地。卵石粒徑最大值可以達到1m，單軸抗壓強度65.5～184MPa，平均102.2MPa，極值為206MPa。在該層中還存在鈣質膠結、半膠結的礫石層，硬度大，本標段光西盾構區間隧道所穿越的巖層以中密卵石土〈2-9-2〉、密實卵石土〈2-9-3>和密實卵石土〈3-8-3〉為主，砂卵石較為密實，所處地層透水性較好，除始發和到達端車站降水影響區域范圍外，隧道全斷面均處于地表水以下。

2 施工難點

（1）大粒徑、高強度富水砂卵石盾構管片上浮的先決條件切實存在，盾構掘進過程中，上浮原因分析不當，關鍵工序控制不到位，極易造成管片上浮，導致隧道中線偏線事故發生。

（2）控制管片上浮是一項系統工程，而不是靠某一道工序就能“包治百病”的，只有將各種關鍵技術手段發揮到最優效果，才能從源頭解決管片上浮問題。

3 研究意義

隨著我國國民經濟的迅猛發展，作為隧道施工核心技術的盾構法施工，更為廣泛應用于市政地鐵隧道施工。通過本課題的研究及實踐，在特殊地質條件下，盾構掘進施工中找出控制管片上浮的關鍵原因，制定切實可行且經實踐驗證的解決方案，不僅對當前成都地鐵4號線二期后續盾構法施工具有重要意義，而且也可以為今后國內外類似地質條件下盾構工程解決關鍵施工技術難題，都有著非常重要的意義。

4 管片上浮原因

4.1 環形空間

盾構機的切削刀盤直徑D與隧道管片的外徑d有一定的差值，當管片脫出盾尾后，管片與地層間存在一圓環形建筑空間。在大粒徑、高強度富水砂卵石地層中盾構掘進，由于圍巖自穩性差，應力釋放快，導致環形空間在管片脫出盾尾時，即便是及時進行了同步注漿固結處理，但仍然有一定數量的砂卵石緊貼管片，形成地層架空，該架空填充了一定的建筑空間，其處于松散型態，不具備足以抵抗管片上浮的作用力，所以托出盾尾時的建筑空間是為管片上浮提供了必要的空間基礎。

4.2 浮力作用

在中密卵石土〈2-9-2〉、密實卵石土〈2-9-3>和密實卵石土〈3-8-3〉地層中，水位為地面以下2米，隧道中心線平均埋深為17.4米，隧道外徑6m，內徑5.4m、刀盤直徑6.28m，管片環寬為1.5m，以砂漿密度1500kg/m?為例計算結果如下：

漿液浮力F浮1=1500×9.8×（3?×π×1.5）=623KN

地下水浮力F浮2=1000×9.8×（3.14?×π×1.5）=455KN

管片自重： G=ρ×Vc=24×8.05=193.2KN

管片浮力隨時間的曲線可以表訴如下：

F浮1>F浮2>G，所以浮力作用是引起管片上浮的主要源動力。

4.3 推力差作用

盾構機在掘進過程中的運動軌跡實際上是一條不規則的蛇形運動軌跡，始終圍繞著隧道軸線作蛇形運動，要通過不斷調整各分區油缸千斤頂的推力來讓盾構機運動中不斷趨近于隧道設計軸線。在盾構掘進中，由于盾構機自身重心位于前盾，盾構機自身重力方向線與管片提供的反作用力，在盾構機姿態平行于隧道中心線的情況下，盾構機存在一向前下的分力，將導致盾構機不斷偏離隧道設計中線，正常情況下，盾構機掘進姿態保持盾尾略低于盾首；當盾構機姿態處于異常情況下，要加大下部千斤頂的推力以克服盾構機身的自重，導致管片底部受到的作用力大于頂部，管片環面上受力不均，加劇了管片上浮的趨勢。

所以異常情況下，上下油缸推力差f的作用是引起管片上浮的另一主要原因。

4.4 掘進超方

盾構機在掘進過程中由于渣土改良差、地下水豐富和圍巖遇水穩定性差等因素，導致掘進出土方量超出理論出土方量，在刀盤前方形成空腔或破壞了原有地層的自穩性，導致抑制管片上浮作用力降低或提供更大的上浮空間，非管片上浮的主要原因。

4.5 管片姿態測量滯后

管片托出盾尾后，管片的姿態呈現一定不穩定性，如果不能及時地跟蹤托出盾尾后的管片姿態，及時地將管片姿態與盾構機姿態進行比對分析，就不能及時發現管片上浮的趨勢和程度，不能采取行之有效地處置措施，將導致管片上浮境況的不斷惡化，導致隧道中心線偏離設計中心線，進而導致質量事故的發生。

所以管片姿態測量滯后，是導致管片上浮的又一主要原因。

5 解決方案及關鍵技術

5.1 注漿控制

盾構掘進過程中洞內注漿可分為同步注漿和二次注漿兩種，是填充地質環形空間和少量掘進超方最有效的手段，漿液初凝后，能夠有效的填充環形空間，可以避免管片滯后上浮情況的發生。

5.5.1同步注漿

盾構掘進過程中應保障掘進施工與同步注漿工作一并進行，根據注漿能力適當調整掘進速度，確保二者相互匹，配同步注漿采用注漿壓力和注漿量雙控的措施，注漿時管片中心線以下的注漿點位，以填充為原則，壓力不易過大，主要是為了避免管片下部因漿液填充不密實，導致管片在枯水時段，易出現管片下沉及其衍生事故發生；中心線以上的注漿點位點位注漿時，既要保障注漿量又要保障注漿壓力達到要求，壓力一般不得低于2.5bar，這樣既能保障地層環形空間的有效填充，又能保障漿液在壓力作用下，縮短漿液初凝時間，盡早提供控制管片上浮的作用力，進而約束管片上浮。

5.5.2二次注漿

二次注漿封堵可以采用單液、雙液漿間歇交叉注入的方式，分多次、均勻、少量進行，以達到擴散填充和加固均勻有效，填充同步注漿未注漿飽滿區域，以達到控制管片上浮的目的。

5.2 盾構掘進控制

在成都富水砂卵石地層不穩定、易坍塌，在掘進速度、出渣、地面沉降可控情況下，建議以小推力、大貫入度、適度轉速和大扭矩為原則控制盾構掘進施工。

在密實砂卵石相對穩定地層中盾構掘進，對刀盤面板及刀具噴灑改良劑以到達減磨降溫的目的，以加快掘進速度，減輕盾構各類設備的損耗。當渣土改良差時，刀盤、土倉很容易結泥餅，嚴重影響掘進施工出渣量控制，甚至威脅地面及周邊建構筑物結構安全，根據隧道工程地質和水文地質條件、地表環境情況，應選用優質泡沫劑，輔以添加對應地層特性的化學試劑，使之成為密水性、流塑性與和易性良好的土倉承壓介質。改良好的渣土在土倉中準確傳遞開挖面的水、土壓力，實施土壓平衡掘進，減小對地層的擾動，同時也可減小對刀盤、刀具和螺旋輸送機的磨損。

5.3 管片姿態測量

測量管片前應確保聯系測量成果的時效性，充分考慮管片上浮對控制點三維坐標成果的影響，控制點使用前必須對其穩定性進行檢查和評估，且應使用聯系測量成果中的點位作為測站點進行管片姿態測量。管片測量的頻率應根據每日掘進的環數來確定，一般情況10環復測一次，當管片姿態超限時，應每環進行管片姿態測量。每次測量搬站時對數據輸入前后結果必須進行檢查復核，搬站前后的坐標成果需要進行比對，確保盾構機導向系統與管片測量系統之間偏差在可控范圍內。當坐標較差值超限時，應查明原因后，方可恢復掘進施工。

6 研究成果

通過工程實踐，對盾構掘進管片上浮的原因分析和控制措施關鍵技術的研究和歸納總結，提出了合理的施工方案、質量控制方法和控制要點，形成了一套高效的施工技術體系，確保盾構掘進這項系統性工程能夠圍繞控制管片上浮開展各項相關工作，保證了盾構法掘進工程施工的質量和安全。

7 結語

本次課題研究技術已經在成都地鐵4號線二期工程西沿線盾構法施工中得到大規模應用，確保了盾構施工安全、優質和高效地完成，應用效果良好，取得了良好的經濟、社會效益，具有廣泛的推廣應用價值。

作者簡介：鮑明星（1980—），男，四川成都人，大學，工程師，中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，多年從事水利水電工程施工、地基與基礎工程施工技術及管理工作；李 翔（1983—），男，四川成都人，大學，工程師，中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，多年從事水利水電工程施工、地基與基礎工程施工技術及管理工作。