巖溶區盾構隧道管片的上浮影響因素及控制措施

郝志強 馬 林 陳 林 祝煦益 勾承藻

中國水利水電第七工程局有限公司 四川 成都 610213

近年來，隨著城市軌道交通的發展，國內巖溶地區大量運用盾構法修建區間隧道。然而在盾構施工過程中，脫出盾尾的管片常出現局部或整體上浮現象[1-2]，且由于巖溶地層中裂隙發育、地下水豐富等特征，巖溶區盾構管片上浮問題相較于一般地層更加突出。

為解決巖溶地層對隧道管片的影響問題，減少管片上浮帶來的錯臺、開裂、破損及滲漏水等質量病害，提高隧道的耐久性，不少學者進行了相關研究。

劉敦文等[3]通過云模型和安全評價方法，建立巖溶-侵蝕地質條件下的管片上浮影響因素評價體系，基于湘江隧道工程研究施工期管片上浮的影響因素，并提出了控制盾構機掘進速度及軸線偏差等針對性措施。

吳鎮[4]對盾構穿越灰巖巖溶上浮段所存在的風險進行了分析，并從地層處理、盾構掘進模式及參數選擇、渣土改良三方面采取控制措施以保證施工質量。

宮海光[5]基于廣州地鐵5號線管片上浮問題，從把控同步注漿施工質量、及時進行二次注漿等方面提出了控制措施。

代昂[6]根據上海地鐵7號線及武漢長江越江隧道的實測數據，將管片上浮問題總結為漿液浮力、泥漿后竄、上覆土反向壓縮等因素的影響。

上述研究結合實際工程，提出了巖溶區管片上浮的影響因素及控制措施，取得了豐富的成果，但對巖溶地層的針對性分析不多且實測數據較少。

為進一步分析巖溶地層裂隙發育、地下水儲存豐富等特殊條件對盾構隧道管片上浮的影響，本文以南京軌道交通工程巖溶集中段為背景，結合實測管片姿態數據及現場質量檢查結果，分析其施工期管片上浮因素并提出相應控制措施。

1 施工期管片上浮問題介紹

1.1 項目工程概況

南京軌道交通工程巖溶段區間長739.1 m，其隧道埋深范圍為12.9～23.44 m，地面無重要建筑物。選用鐵建重工DZ422復合式土壓平衡盾構機，隧道開挖直徑6 410 mm，管片內徑5 500 mm、厚度350 mm、長1 200 mm。隧道右線的地質剖面及管片布設情況如圖1所示。

根據勘察資料，盾構掘進范圍內地層主要為粉質黏土、中風化泥質灰巖及花崗巖。其中第220～605環為中風化泥質灰巖區段，區間內巖溶發育（圖1中橢圓形區域），鉆孔巖溶遇洞率為86.86%，溶洞高度在0～3 m內的占84%，溶洞平均充填率達75%，充填物主要為軟塑-可塑狀黏土及粉質黏土。巖土層變化大，軟硬不均，局部有破碎帶及裂隙發育段。區間內地下水埋深為1.2～4.3 m，其類型主要為孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶溶隙水。具有承壓性的巖溶、裂隙水主要賦存于泥質灰巖（弱透水）中，在施工影響下易產生滲透破壞。

圖1 區間右線地質剖面及管片布設

1.2 施工期管片上浮問題

當盾構施工位于右線隧道0.427 5%上坡段時，第272～300環管片在脫離盾尾后向上垂直位移較大，部分管片上浮量達40 mm，接近施工控制上限，如圖2所示。圖2中縱坐標正值代表管片上浮量。該范圍內隧道呈現整體上浮趨勢，結合現場檢查管片質量，未發現有明顯錯臺、破損問題。

圖2 右線隧道220～300環施工期管片上浮量

2 施工期管片上浮因素分析及控制措施

2.1 基巖裂隙水和巖溶溶隙水的影響

由圖1、圖2可看出，隧道自第270環起進入具有探明溶洞的中風化泥質灰巖層，其管片上浮量也逐漸開始增加，并從第280環開始保持在一個較高數值。根據地勘資料，上述泥質灰巖區段局部有破碎帶及裂隙發育段，其中的灰巖破碎裂隙及溶洞溶隙給該層地下水提供了儲水條件及運輸通道。

此外，該區段施工前后降雨豐富，為地下水的富集提供了條件，且該層地下水局部受完整灰巖及上覆粉質黏土層隔擋，顯現承壓特性。在上述地質條件下，具有承壓性的巖溶、裂隙水在盾構開挖擾動下易產生滲透破壞并導致管片上浮。

通過現場質量檢查（表1）可見，區間管片質量問題主要為滲漏水，且滲漏水位置多見于拱頂，如圖3所示。為解決地下水對管片質量的影響，選擇對隧道上浮區域的管片定期進行開孔放水。實踐發現，管片周圍水壓大且泄壓時間長，印證了本推論的合理性。

表1 隧道右線170～330環管片質量檢查記錄

圖3 巖溶、裂隙水引起的管片滲漏問題

2.2 同步注漿漿液配比的影響

經調查，前期同步注漿采用惰性漿液。該漿液強度低，初凝時間長，且穿越地層巖溶、裂隙水問題嚴重，漿液在初凝前易被稀釋。

一方面，低強度、未凝結的漿液無法對管片提供約束作用，漿液對管片的浮力將直接導致上浮問題；另一方面，該區段巖層破碎、巖溶高度發育且存在連通現象，在盾構機掘進開挖和軌道車運行的振動影響下，未凝固漿液易發生離析并被擠至地層間隙中，造成漿液流失，進一步加劇了隧道管片上浮問題。

針對該現象，通過配制初凝時間短、早期強度高的硬性漿液以抵抗開挖后地層收縮對管片產生的不均勻壓力[7]，并保證漿液具有和易性且硬化后體積收縮率、滲透系數小，以便更好地固定管片。為增加注漿材料稠度、縮短初凝時間，對注漿材料配比進行調節并制備了多組實驗試塊（圖4），最終通過比選獲得了較優的配比。

2.3 同步注漿壓力及注漿量的影響

在盾構施工過程中，注漿壓力通常取1.1～1.2倍靜止土壓力[8]，該區段靜止土壓力約為0.21 MPa，故其注漿壓力應設置為0.231～0.252 MPa。

通過對隧道右線第250～300環的同步注漿壓力及注漿量進行統計（圖5）后可以看出，每環管片平均注漿量為3.5 m3，符合設計要求；注漿壓力為0.10～0.22 MPa，小于理論值。

圖4 制作注漿材料試樣

圖5 右線隧道250～300環管片同步注漿壓力及注漿量

同時，管片自第250環便出現整體上浮趨勢，但后續盾構施工過程中仍保持下點位注漿壓力略大于上點位注漿壓力，兩者的最小壓力差為0.01 MPa，最大壓力差為0.1 MPa，該注漿壓力差給管片提供了向上的作用力，增大了隧道管片上浮的效果。

綜上，應在綜合考慮注漿壓力不致對周圍土體引起較大擾動、不影響管片結構正常使用性能的前提下，增大上下注漿壓力差，并保證上部注漿點位注漿壓力（1#、4#）大于下部注漿點位（2#、3#），如圖6所示，此時壓力差豎直向下，可抵抗部分管片上浮力，起到抑制隧道上浮的作用。

2.4 二次注漿導致地下水前移

盾構施工過程中曾對表1中發生滲漏的管片進行二次補充注漿，注漿量約為1 m3/環。但由于注入的水泥單漿液易被地下水稀釋，導致漿液及地下水在注漿位置與盾尾間流動，使成形的隧道管片受到額外浮力作用，增大了管片上浮效果。

針對該問題，對于已發生管片嚴重上浮的區段，將二次注漿材料換為瞬凝雙漿液，每推進3～5環便停機進行二次注漿，且壓注順序應遵循沿隧道坡度方向，從隧道拱頂至兩腰，最后壓注拱底的原則。終注指標應以打開拱底注漿孔時無滲水為標準，防止盾構恢復掘進后管片繼續上浮。

對于隧道整體上浮現象，可采用局部注漿措施以到達環箍的效果。

圖6 盾構注漿點位示意

2.5 盾構機姿態的影響

根據圖7中的管片姿態曲線，可以發現區間隧道在第220～300環范圍內垂直及水平方向位移均呈現波浪形變化，這與盾構實際操作存在較大關系。

圖7 右線隧道220～300環管片姿態曲線

在盾構掘進過程中，隨著盾構千斤頂總推力的豎向分力增加，隧道上浮趨勢增加[9]，且其分力大小受千斤頂總推力、盾構掘進線路設計坡度值以及盾構機俯仰角的影響。

但千斤頂總推力要與地層相匹配，不可過度調節；而隧道線形在設計階段已經確定，亦不可改變其坡度值。綜上，可控制盾構機姿態在一定范圍內改變以減小管片上浮趨勢。

當前述控制措施均已采取但隧道仍發生較大上浮時，可通過將隧道實際掘進軸線維持在設計軸線以下一定高度的措施以控制管片上浮。

3 結語

本文從巖溶地層盾構隧道施工期管片上浮問題出發，結合實際工程，通過施工數據分析、理論驗算以及現場質量檢查等方法，總結其施工期管片上浮因素并提出相應的控制措施，具體如下：

1）巖溶地層裂隙發育、地下水儲存豐富，具有承壓性的巖溶、裂隙水在盾構開挖擾動下易產生滲透破壞并導致管片上浮，可通過對管片各部位定期開孔放水以減少該影響。

2）同步注漿材料的配合比、注漿壓力及注漿量均會對管片上浮產生不同程度的影響。針對巖溶地層的裂隙及地下水問題，應選擇初凝時間短、早期強度高的硬性漿液，以保證上部注漿壓力略大于下部，從而達到抑制隧道上浮的目的。

3）為避免地下水對二次注漿效果的影響，其注漿材料應選用瞬凝雙液漿，并采取定期有序壓注的方式；同時可采用局部注漿措施以實現環箍效果，從而控制隧道的整體上浮。

4）可通過調整盾構姿態或將實際掘進軸線維持在設計軸線下一定高度，以控制管片上浮趨勢。