盾構法空推施工管片上浮原因分析及控制措施

陳小衛 詹洋 毛代紅 中國水利水電第七工程局有限公司

盾構法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法。它是將盾構機械在地中推進，通過盾構機刀盤上安裝的雙刃滾刀、單刃滾刀、撕裂刀或軟巖刀等刀具對巖體進行切割、研磨使之破碎，以達到掘進的目的。當巖石強度大于80MPa時，由于巖石強度過大，刀具磨損較快，且掘進速度緩慢，為滿足整體施工需求，一般考慮在較長段巖層大于80MPa時采用礦山法形成盾構機空推通道，盾構機采用空推過站的方式通過硬巖地段。

為確保盾構機在空推段順利通過，礦山法隧道施工完成后在隧道底部施工一導向平臺。導臺支撐著盾構機并為盾構機前進起導向作用，盾構機在導臺上空載推進并拼裝管片。導臺砼強度等級C30，厚150mm，導臺斷面圓弧與隧道中心夾角為60°，每延米導臺砼量為0.253m3。盾構機空載推進依據刀盤與導向平臺間的關系，調整各組油缸的行程，使盾構姿態沿設計方向推進。開始段推進速度控制在15～40mm/min，熟練后控制在60～85mm/min，總推力約300t，下部油缸壓力略大于上部油缸。曲線段，計算出盾構機每進一環的偏轉角與鉸接油缸行程差和推進油缸行程差。盾構推進前復核鉆爆隧道與盾構機軸線誤差，并調整鉸接油缸、推進油缸，保證盾殼與鉆爆隧道間的間隙，確保盾構按隧道設計軸線推進。管片安裝從隧道底部開始，先安裝標準塊，依次安裝相鄰塊，最后安裝封頂塊。封頂塊安裝時先徑向插入約6/7管片寬度，調整位置后緩慢縱向頂推。管片塊安裝到位后，及時伸出相應位置的推進油缸頂緊管片，然后移開管片安裝機。由于礦山法隧道凈空直徑Ф6400，管片外徑Ф6000，管片與隧道初襯之間有20cm寬的環形空隙，在盾構向前推進的同時噴射豆礫石充填，并同步注入水泥漿，使管片脫離盾尾時，由于豆礫石對管片的支撐，防止管片下沉產生錯臺，并增加盾構向前推進的摩擦力。管片背后同步注漿，使管片與地層緊密接觸，提高支護效果。每環管片豆礫石充填量為5.84m3，采用5～10mm大小的花崗巖。充填豆粒石主要施工方法如下：采用砼噴射機吹豆礫石，噴射機布置在盾構刀盤前方約15米處，附近堆放豆礫石，豆礫石通過豎井葫蘆吊垂直運輸和洞內汽車水平運輸到噴射地點，壓縮空氣從豎井外壓縮機通過管道提供，盾構往前推進2～3環，吹填豆礫石2～3環，吹填前先將盾構刀盤與隧道初支的空隙處用袋裝礫石封堵，防止吹填時豆礫石和漿液流出。按照從里到外、從下到上的吹填方法把盾體外的空隙填滿，噴管操作人員站在焊接在刀盤上的施工平臺上；同步注漿采用水泥膨潤土混合漿，配比為水泥：粉煤灰：膨潤土：水=1：3：5：6.75，注漿壓力現場靈活控制，以將豆礫石填充飽滿、密實為原則。水泥漿初凝控制在8h、終凝控制在12h左右。施工時根據漿液的流動情況，適當調整漿液水灰比以及膠凝時間。管片頂部豆礫石往往很難一次注漿充填密實，留有少量空洞，當管片脫出盾尾等第一次注漿凝固后，每隔2環打穿拱腰以上管片吊裝孔，檢查第一次注漿效果，必要時采用二次注漿補強。注漿材料采用水泥膨潤土混合漿或（水玻璃+水泥砂漿）雙液漿。雙液漿配合比：水：水泥：水玻璃=1：1：1，水玻璃根據需要凝固時間進行調整，在管片縫隙漏水情況下使用雙液漿。

以中鐵裝備190土壓平衡盾構機為例，盾構機刀盤開挖直徑為6280mm，為確保盾構機通過，礦山法段開挖凈空直徑為6400mm，盾體直徑6250mm，盾構管片外徑為6000mm。由于受隧道內空間限制，豆粒石自然堆砌時，一般僅堆砌半洞，盾構空推通過時利用噴射機在刀盤前端向前方向上半洞盾體及隧道周圍空隙內噴射豆礫石，當采用同步漿液對盾構機周圍豆粒石進行充填時，由于管片直徑較盾體直徑小約25cm，且管片和盾構機同軸，導致盾構機周圍雖在豆粒石充填時已密實，但當拖出盾尾后管片上部豆粒石填充不密實，由于前端沒有掌子面，為減少漿液流動至刀盤前端豆粒石范圍，故一般注漿壓力較小，且同步注漿量較小，且水泥漿初凝時間約8小時，時間較長，注漿后隨重力作用下多數分布于管片下半部分，且極易隨管片周圍滲水同步流失，且二次注漿時，因受設備注漿管位置限制，同時考慮管片滲水情況，當采用雙液漿時由于凝結時間較短，一般僅在注漿管周圍漿液較豐富，由于漿液無法在60秒內將管片周邊填充密實，導致管片頂端存在較大空腔，而管片設計自重約13t，經計算，封閉管片單環在地下水中浮力約42t，大于管片自重，故在盾構隧道成型后，地下水重新充填隧道周圍空腔時必然導致管片上浮，而由于隧道頂部的空腔存在無法保證隧道線型質量，故礦山法空推隧道的抗上浮問題亟待解決。

常規隧道抗上浮措施：每天跟蹤測量管片姿態，及時反饋監測數據，分析管片姿態每日變化趨勢，研究管片是否存在上浮，以及上浮速度及上浮量。防止管片上浮主要是在回填和注漿期間，要嚴格按照前述施工方法、步驟進行回填和注漿施工。加強管片注漿管理，保證管片上部及圓曲線外側的管片空隙也被漿液填充密實。一旦出現管片上浮，可在管片上浮或側移處，通過打穿吊裝孔，打入注漿管進行二次補充注漿，漿液可選擇使用雙液漿使其凝固速度加快，迅速填充管片背后上部間隙，阻止管片上浮或側移。根據現場實際操作反饋，上述措施人員投入較大，每日測量人員進行管片姿態測量時同盾構掘進施工存在一定的交叉作業，安全風險較大，降低施工工效。當地下水位較高時，地下水在管片拼裝過程中迅速充填管片周圍，當發現管片上浮時，再通過管片周圍注漿，在漿液凝結前，管片仍受到周圍地下水的持續浮力，故無法立即控制管片的上浮，從新開孔、注漿此段時間管片仍存在上浮，若未迅速處置，極易導致管片上浮過大，不滿足盾構施工規范對洞軸線的允許偏差值要求。

為確保盾構空推施工質量，避免管片注漿不密實導致的管片后期上浮較大，影響盾構隧道施工質量，經現場實際使用，目前對盾構空推過站注漿工藝進行了優化，具體施工措施及操作流程如下：

盾構空推管片周圍空腔形成原因主要為盾構機與管片之間的直徑差異，盾構機過空推段時，在盾構機進入空推導臺前，立即對盾構機周圍刮刀進行了拆除，拆除后，以中鐵裝備為例，盾體直徑為6250mm，由于盾構管片必須在盾體內拼裝，豆粒石充填在礦山法隧道內盾構機盾體前端，當盾構機通過管片提供反作用力前進的過程中刀盤前端6250范圍內豆粒石已全部推離隧道，而管片直徑為6000mm，盾構機在空推導臺上滑行過程中，管片受盾構機尾盾及后部注漿固結段管片通過螺栓連接束縛，導致新拖出盾尾的管片無法直接接觸導臺，此時周圍充填的豆粒石在重力作用下自由下落至管片兩側部分間隙，同時管片周圍迅速充填大量地下水，具體分析詳見《關于盾構法施工滲水通道成因猜想及初步驗證》（注漿水運.2020年5月下）正文論述，此時同步注漿漿液無法充填管片正下方區域，且極易沿滲水通道流失或滲入周圍隧道土體中。為確保盾構施工質量，在常規拼裝中加強螺栓連接控制外，創新采取了如下方式：1）同步注漿時直接采用雙液注漿，漿液凝結時間在60s以內，由于漿液凝結時間較短，故此時漿液流失較少，同時在盾構空推時同時對隧道內進行抽水，確保管片底部無積水，此時注漿可根據管片同周圍礦山法間隙算出充填量，此時僅通過下部兩個注漿孔進行注漿，注漿僅需保證管片下半部同隧道周圍及底部導臺之間的間隙被同步漿液充填密實相互接觸避免管片下沉；2）在隧道頂部1點、11點、12點三處提前固定三個不透水土工布加工的水帶，水帶充填后直徑必須大于管片及礦山法之間的間隙并耐受壓力一定的壓力（僅用于終漿控制），當下半部進行同步注漿后，每3環-5環在預埋的土工袋內充填雙液漿，利用漿液迅速充填管片頂部及管片周圍礦山法段空間間隙，確保管片后期不上浮；3）漿液凝結后，再利用二次注漿對管片周圍進行充填，進一步加強管片同周圍礦山法段進一步可靠充填。通過上述措施有效避免了直接注漿過程中的管片上浮現象，同時可以在二次注漿時加大注漿壓力，確保管片周圍漿液的充填質量，進一步確保了空推斷管片拼裝線型及質量。

結語

由于目前礦山法隧道無統一的抗上浮措施，僅通過注漿機過程測量監控控制，人員投入數量較大，發現上浮后，需進一步打孔注漿并利用鋼筋強制束縛管片，為被動措施，時間長，效果較差，必要時需配合打孔泄水或堆載的措施，投入大，交叉影響大。通過上述頂部預充填的方式不僅有效的控制管片上浮，且土工袋投入小，有效的控制了施工質量，降低了施工成本。本文描述的施工措施可能存在一定的不足之處，希望在后續過程中相互學習溝通。