盾構機到達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：隨著國內城市軌道交通建設的大面積展開，盾構施工技術也在不斷向前發展。在此背景下，盾構管片姿態偏差已經成了盾構施工中一項常見的質量通病，輕則出現錯臺、滲漏水等現象，重則造成隧道中心軸線嚴重偏離設計、隧道管片破裂、螺栓剪斷等事故發生。管片上浮屬于姿態偏差的一種情況，管片上浮控制技術一直是業內非常關注，也是一直進行研究的一項課題。管片上浮的控制與盾構掘進、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系。

關鍵詞：管片上浮；二次注漿；錯臺

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

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

1 管片上浮的理論基礎與主要應對措施

一般認為做好掘進施工的精確測量、控制好盾構機的姿態基本上就能保證管片的拼裝質量與姿態，但是在多數情況下，管片脫出盾尾后必然會產生上浮的現象。就目前的理論研究方面來看，盾構掘進的工法決定了管片上浮是必然存在的。

盾構機刀盤直徑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行填充，當ρ漿液×g×V1>ρ混凝土×g×V2（V1為單環切削土體理論體積，V2為單環混凝土管片體積，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。

根據相關文獻及研究表明：Ⅴ級及以上等級的圍巖中，盾構管片上浮主要是出現在管片脫出殼體后產生的；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的，第二階段是成型隧道抵抗上部軟土的過程中出現的。在前一階段的管片上浮理論基礎基本相同，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。

根據規范的要求，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，盾構掘進施工過程中可以根據不同的情況來采取措施：

（1）在第一階段（管片脫出盾尾階段），在實際盾構施工操作中（如圖1），首先根據地質條件和試掘進的參數，將盾構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，上部巖層不會產生沉降變形剪切漿液，所以一般情況下根據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。遠期上浮則需要對地質條件、覆土厚度以及列車運行震動等方面進行多方位的考慮。

（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重破壞的方向發展。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，進而將這一過程嚴重化，甚至導致隧道漏水、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 到達階段管片姿態上浮研究與控制措施

2.1 到達階段推力不均導致管片上浮

在常見的盾構隧道線型設計中，到達階段基本上為一個上坡段，盾構機的姿態主要依靠主動或被動鉸接來進行調整，但在鉸接調整垂直或是水平姿態的過程中，也有出現姿態調整達不到要求的情況。在這種情況下，為滿足姿態調整的需要，盾構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整姿態。一般情況下先拼裝底部的管片，然后拼裝周邊與頂部管片，在利用千斤頂調盾構機姿態時，操作手將千斤頂推力調整成F2>F1時（如圖2），Δ=F2-F1的水平分力產生了向上的作用力，導致脫出盾尾的管片產生向上移動的趨勢，從而導致管片上浮。

以上情況在到達階段也會因覆土層變淺，地質斷面出現上軟下硬的情況時，盾構底部千斤頂推力加大也有可能產生圖2的情況。

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

2.2 同步注漿導致的管片上浮

同步注漿是填充盾構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。最終管片姿態的形成和控制均需要通過二次注漿來進行調整。多數情況下，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行初凝的同步注漿材料進行擾動，管片上浮產生的剪切破壞將會進一步加劇。

雙液漿的好處就是凝固時間較短，能夠有效的控制和調整管片的姿態。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，在操作不當的情況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行注漿，工程施工中是難以接受的。通過工程實例得出的結果，二次注漿過程中每隔5～8環采用雙液漿做一環的止水固定環，注漿壓力控制在0.2MPa以內，然后其他環管片外部二次注漿采用普通水泥漿進行調整和填充，這樣能夠很好的解決以上存在的各種問題。

2.3 到達接收架階段管片上浮控制

達到接收架時，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。考慮管片脫出盾尾上浮的情況下，在接收架安裝點較低時，盾構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，到達階段靠近洞口的管片將有可能造成螺栓拉裂，非常嚴重的管片錯臺，漏水漏水或是災難性事故的發生。圖3所示就是到達階段脫出盾尾部分管片與盾構機內的管片產生嚴重錯臺、螺栓拉裂的情況。

產生這樣的問題主要原因有以下兩個方面：（1）盾構機姿態控制不到位；（2）接收架與出洞后盾構機的刀盤位置未進行嚴格核算和調整，導致接收架過低。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，根據測算的數據，重新調整接收架高度；同時在到達階段將盾構機整個姿態中心控制在設計軸線上。

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量及管片的間隙來進行初步判斷。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生的，這就需要對管片的情況及時掌控，以便在后續二次注漿或是掘進施工中采取措施和調整參數。

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

3 結語

通過不斷的實踐和理論研究，管片上浮現象是不可避免的，但控制和調整的手段也越來越得到一線作業人員與管理者的關注。隨著盾構施工越來越智能化、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行校正和調整，并將其得到更進一步的發展。

控制好管片上浮就必須根據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。在到達階段，二次注漿的及時性不同于一般情況下的施工，應做到及時、可靠，達到預先控制的目的，提高管片成型后的質量，降低到達階段的施工風險。

參考文獻

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