微膨脹地層中盾構管片上浮控制技術研究

夏成旭

(合肥市軌道交通集團有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

膨脹土亦稱“脹縮性土”，浸水后體積劇烈膨脹，失水后體積顯著收縮的黏性土。合肥地區黏土地層中因含有高嶺土顆粒，而具有微膨脹的潛勢，屬于微膨脹土。在盾構掘進因需要注漿，會使微膨脹土地層的含水量發生改變，因而管片周圍土會產生脹縮應力，導致管片出現不同程度的上浮，對于成型隧道的限界控制產生不利影響[1-4]。

1 工程概況

合肥地鐵4號線金桂路站-科學大道站盾構隧道區間地層中黏土含有伊利石、高嶺石等親水性顆粒而具有遇水膨脹，失水收縮，反復脹縮的特性，具有微膨脹性，屬于微膨脹地層。區間隧道采用盾構法施工，盾構機為中鐵裝備CTE6250H土壓平衡盾構機，刀盤直徑6 280 mm，刀盤開口率到達60%。管片設計外徑6 m，厚0.3 m，內徑5.4 m，長度1.5 m。

2 管片上浮位移觀測

表1為管片上浮統計表，表中初測時間為：該環管片拼裝完成當天，該環管片一般位于盾尾位置；二測時間為：該環管片拼裝完成第二天，該環一般位于盾尾后6環位置；三測時間為：該環管片拼裝完成第三天，該環一般位于盾尾后12環位置；四測時間為：該環管片拼裝完成第四天，該環一般位于盾尾后18環位置。

表1 管片上浮統量(單位：mm)

從表1可以看出，單環管片最大總上浮量達到56 mm，最小總上浮量也有14 mm。如不控制管片上浮現象，極容易出現管片侵限問題。

管片累計上浮量與時間的關系如圖1所示。

圖1 管片累計上浮量與時間關系圖

由圖1可知，管片第一次的上浮量較大，占總上浮量的比例超過82.4%。其中91環第一天的上浮量達到59mm，上浮量最大極易出現管片侵限；從第2天開始除96環，其他管片上浮量不在變化，趨于穩定，有部分管片的上浮量略有減小。通過管片與盾構機的相對位置關系以及每天掘進速度等情況，分析可知：當管片脫出盾尾后管片開始出現上浮現象，直到盾尾后6環管片上浮量趨于穩定。

3 管片上浮原因分析

隧道管片上浮主要受地質條件、注漿浮力、管片與土體間的間隙、盾構姿態等因素影響[5]。下面對此次觀測區間內隧道中管片上浮的具體原因進行分析。

3.1 同步注漿

文獻[6]研究受注漿液的影響，管片脫離盾尾后，漿液的浮力為管片自重的4倍。通過現場注漿后觀察管片上浮情況發現同步注漿可以很好地填充管片與土體之間的間隙，減少管片的移動空間，但由于注漿量不足或者漿液初凝時間長，不能很好地限制管片的移動，也會導致管片上浮。

3.2 二次注漿

二次注漿可以很好地填充同步注漿未充滿的空隙，二次注漿跟進不及時，對管片上浮也會有一定的影響。

3.3 注漿點位選擇

文獻[7]研究發現，管片上浮與注漿壓力有關。通過觀察現場注漿發現注漿點位置對注漿壓力有影響。當注漿點偏下，下部注漿壓力會大于上部注漿壓力，就會給管片一個向上的力，加劇管片的上浮；當注漿點偏上時，上部注漿壓力大于下部注漿壓力時，就會給管片一個向下的力，抑制管片上浮。因此注漿過程中注漿點的位置特別關鍵。

3.4 千斤頂壓力

當盾構機保持正趨向時，盾構機千斤頂會給管片一個向下的分力，限制管片的上浮。當盾構機的趨向為負時，盾構機千斤頂會給管片一個向上的分力，劇管片的上浮[8,9]。盾構垂直姿態控制不穩，導致趨向變動較大，可能使上浮量呈波浪狀變化。

3.5 螺栓復緊

通常螺栓緊固分3次進行，分別是管片拼裝時、推進至1 200 mm時、脫出盾尾時。緊固的螺栓能有效增加管片之間的整體性，從而減少管片環與環之間、片與片之間的錯動，特別是環與環之間的縱向螺栓，使環與環之間連成一個整體，有效減少管片上浮。

3.6 地層的脹縮性

由于地層土為微膨脹性黏土，具有遇水膨脹，失水收縮，反復脹縮的特性，故同步注漿、二次注漿、渣土改良等能夠使地層含水量發生變化，對管片的穩定產生影響。

4 控制措施

管片安裝后存在上浮主要是因為盾構機刀盤的直徑要大于管片直徑，導致管片脫出盾尾后與土體之間存在空隙，從而管片安裝后會出現上浮[10]。為了解決管片上浮量較大這一問題，根據上述原因分析提出同步注漿、二次注漿、控制千斤頂推力和螺栓復緊等措施。

4.1 同步注漿

同步注漿的配合比、初凝時間和注漿量是影響管片的重要因素。在隧道盾構掘進過程中，通過調整注漿材料和優化配合比，以縮短漿液初凝時間，漿液材料配比表如表2所示。注漿過程中，適當增加注漿量，由原來的5方改為5.5方，減小管片與土體之間的間隙。通過調整注漿方式來減小管片上浮，由均勻注漿改為適當增大上部注漿量。上部注入70%的漿量，下部注入30%的漿量，以增大上部壓力，減小下部壓力，從而減少管片上浮量。

表2 漿液材料配比表(1m3漿液)

4.2 二次注漿

二次注漿及時跟進到一號臺車附近，及時填充同步注漿遺留下的空隙，加速漿液的凝固，限制管片上浮；開孔位置選擇在管片環上半部，以壓力控制為主。

4.3 千斤頂推力

穩定盾構機姿態，盾構機糾偏采取勤糾、緩糾的方式，嚴禁大趨向糾偏，保持盾構機抬頭推進，使千斤頂始終給管片向下的分力，抑制管片的上浮。

4.4 螺栓復緊

加強對于螺栓復緊的管理，確保螺栓復緊及時、全面，減少環與環之間的位置錯動，控制管片上浮。

5 結果分析

采取上述措施后，管片上浮量情況見表3。由表3所列可知，管片的總上浮量明顯減小，105環管片上浮量最大，但也只有18mm。其他兩個管片的上浮量基本為0。

表3 采取措施后管片上浮量(單位：mm)

采取措施后管片的累計上浮量隨時間變化的曲線如圖2所示。

圖2 采取措施后管片累計上浮量與時間關系圖

從圖2可以看出，管片的上浮量在第一天仍未最大，但是與未采取措施前相比上浮量有明顯的減小，初次上浮量最大僅為17 mm，僅為采取措施之前最大上浮量59 mm的28.8%，減小了71.2%。從圖中還可以看出，第二天開始，曲線開始下降，說明采取措施后管片累計上浮量開始減小，管片的整體上浮情況得到緩解。結果表明，在采取了增加同步注漿量和調整注漿方式、及時跟進二次注漿、控制千斤頂壓力和及時螺栓復緊等措施之后，管片上浮狀況得到了有效的控制，證明所采取的措施具有有效性。

6 結束語

通過對合肥市盾構管片上浮量的研究分析，在微膨脹地層中盾構掘進時出現的管片上浮量較大的現象，可以通過適當增加注漿量，增大上部注漿量，采用初凝快的硬性漿，盾構姿態抬頭穩定推進，二次注漿及時跟進，加強螺栓復緊等措施進行有效控制。另外根據調查及實踐盾構機選型時可選用刀盤直徑較小的盾構機也有利于管片上浮控制。由于管片上浮的原因較多，控制管片上浮應采取綜合治理的措施，單一措施難以達到理想效果。