粉質黏土地層盾構施工管片上浮原因及預防措施研究

劉媛媛

(山西省交通建設工程質量檢測中心(有限公司)，山西 太原 030006)

1 隧道工程概況

太原市地鐵二號線盾構隧道下穿迎澤湖工程區間隧道采用單層管片襯砌，材料為鋼筋混凝土。管片內徑5400 mm、外徑6000 mm，厚度為300 mm。管片拼裝采用六分塊方案：三塊標準塊，兩塊鄰接塊，一塊封頂塊。管片組合方式為通用型管片，拼裝方式為錯縫拼裝，管片接頭采用彎螺栓[1]。

1.1 地質概況

太原市地鐵二號線穿越迎澤湖，迎澤湖水深約 1.5～5.0 m，湖寬約 40～300 m。太原地鐵二號線左右線開挖擾動范圍內處于迎澤湖湖底范圍的地層自上而下依次為雜填土、黏質黏土、黏質粉土、粉細砂、中砂層。盾構右線隧道頂距離湖底約 13.50～17.67 m，其中湖底雜填土厚度 7.67～11.80 m，右線下穿湖體長度約 429 m。盾構左線隧道頂部有大范圍液化黏質粉土層存在(長度約 145 m，厚度約14.5 m)，盾構左線下穿湖體長度約 176 m。

1.2 水文地質

太原市地鐵二號線穿越迎澤湖工程區內地下水主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水，主要賦存于湖底雜填土中，以上層滯水為主，水量微弱，透水性和富水性均較弱[2-5]。隧道穿越區頂部有大范圍液化黏質粉土層存在，來源主要為雨水、灌溉水、河流流水、生活廢水、污水等地下管線漏水垂直滲漏補給，排泄方式為蒸發、人工抽降地下水和向下補給潛水等方式。

2 管片上浮原因分析

2.1 硬塑型粉質黏土對盾構施工的影響

盾構機刀盤直徑大于盾體直徑，盾構機在掘進過程中，管片與地層之間會有14 cm寬的建筑空隙。由于硬塑型粉質黏土自穩能力強，地層基本不會坍塌，刀盤經過之后與管片之間的空腔就一直存在。盾構掘進過程中，刀盤前方的水以及一部分氣體會經過盾體外側流通到管片背后，影響盾構同步注漿質量，管片背后的空隙填充不飽滿，漿液中的水得不到滲透，短時間漿液達不到凝固狀態，管片得不到自穩定，就會產生管片上浮、錯臺和破損現象。

2.2 地層中裂隙水影響

區間上方人工湖湖底距離隧道拱頂約6 m，地層中裂隙水較多，盾構掘進一段距離后，地層中裂隙水逐漸匯集到管片壁后，很容易形成浮力。對于剛拖出盾尾的管片可能馬上就被游離態的水包圍，從而更容易形成水浮力[6]。

2.3 同步注漿漿液影響

當管片脫離盾尾時，根據阿基米德原理，如果同步注漿漿液不能及時初凝并達到一定的早期強度，管片被包圍在漿液中，會產生比水更大的浮力。在管片脫出盾構過程中，隨著漿液的注入及地層中水的逐漸匯集，會產生一個動態的上浮力。隨著同步注漿量及地層中裂隙水匯集量的多少會影響這個動態上浮力，導致管片不均勻上浮而造成管片錯臺破損。因此如果砂漿不能及時凝固對管片產生約束，管片就一直處于懸浮狀態，就有上浮的可能。

2.4 盾構機推力影響

盾構機在掘進過程中需要通過調整各組油缸推力來達到糾偏目的，以符合設計軸線要求。但受盾構機自重影響，盾構機下部油缸推力一般大于上部油缸推力，疊加下坡段盾構機下部油缸推力增大在線路設計軸線法線上誘發的向上分力，結合管片壁后水與砂漿產生的浮力將加大管片上浮量[7-9]。

3 管片上浮技術控制措施

3.1 前期控制措施

為縮短同步注漿漿液凝固時間，及時有效地包裹管片和約束管片上浮，前期控制過程中優化了同步注漿漿液的配合比。具體表現為：

(1)砂漿+水玻璃交錯注入能夠加快同步砂漿凝結時間，砂漿+水玻璃在接觸面快速形成骨架層，減小砂漿向刀盤流動量(可以考慮管片開孔注同步雙液漿，能夠提前在混合器內混合，減少交叉注入出現的混合不均勻的現象)。

(2)砂漿∶水玻璃=10∶1玻璃摻量能夠使砂漿較快凝固。

3.2 過程中控制措施

3.2.1 密封環施工

地層中裂隙水較多，形成水流匯流至剛脫出盾尾的管片壁后，造成砂漿凝固時間加長，管片持續上浮。因此，在管片脫出后配套后，及時進行密封環施工，截斷管片后部來水，保證管片壁后是砂漿包裹管片。密封環施工作業時注意以下幾點：

(1) 密封環要求拖出后備套后每十環進行一次，除封頂塊之外，每個孔都需要進行注漿。

(2) 密封環采用水泥+水玻璃雙液漿形式，水泥∶水=1∶1，水泥漿∶水玻璃=1∶1。

3.2.2 同步注漿

同步注漿漿液應滿足以下要求：具有良好的和易性和流動性、初凝時間短、收縮率小，具有早強特性。經過室內試驗與現場應用測試，確定的配比為水泥∶細骨料∶水∶粉煤灰∶膨潤土=200∶720∶450∶360∶50。根據太原地鐵二號線穿越迎澤湖工程區現場情況，同步注漿施工時應注意以下幾點：

(1)每環同步注漿量不低于5 m3，同時注意注漿壓力不大于3 bar，防止注漿壓力過大漿液竄流至刀盤。

(2)注漿司機在掘進過程中時刻關注掘進速度，注意注漿速度要與掘進速度匹配，保證漿液均勻填充管片壁后空隙。

(3)管片上浮量較大階段，可采用上部兩路注漿量加大、下部兩路注漿量減少的方式進行注漿，可抵消部分管片動態上浮力。

(4)由于該配合比漿液初凝時間較短，要求每個班組必須每天清洗一次注漿系統，包括砂漿罐、下料口、注漿管，保證同步注漿質量。

3.2.3 二次注漿

二次注漿水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃為35°Bé，配比為：水泥∶水=1∶1，水泥漿∶水玻璃=1∶1方式進行注漿。

(1) 二次注漿目的。① 縮短砂漿凝固時間，讓砂漿從液體盡快轉換成固態，增加對管片的約束力。② 填充管片壁后上部注漿不夠飽滿的空隙，防止上部空隙過大，下部漿液產生浮力。③ 作為襯砌防水的第一道防線，提供長期、均勻、穩定的防水功能，同時能截斷管片后不來水。④ 二次注漿時分解部分管片上浮力。

(2) 二次注漿技術要求。① 當管片拖出盾尾第三環位置開始進行二次注漿，二次注漿應在掘進過程中進行，讓同步注漿漿液與雙液漿更好的混合。② 注漿頻率根據本當前階段上浮量來確定，當上浮量大于4 cm時每環進行一次二次補充注漿，小于4 cm時候，每兩環進行一次二次注漿。③ 二次注漿開始階段只注入水玻璃，讓水玻璃與砂漿混合，結束階段采用注水泥+水玻璃雙液漿形式封口。④ 注漿點位選擇在隧道3—9點以上部位，注漿時采用注漿量與注漿壓力雙重控制原則，注漿壓力不超過0.3 MPa，每環二次注漿量不大于1 m3。

3.2.4 盾構機掘進速度控制

盾構機掘進速度直接影響管片上浮的程度和速度。一般情況下，推進速度過快時會導致同步注漿漿液跟不上推進的步伐，造成管片外的建筑空隙充填不密實，漿液也不能及時地提供一定的強度限制管片位移。太原地鐵二號線穿越迎澤湖工程隧道施工時采用了緩慢推進的技術方案，控制推進速度小于50 mm/min，確保了管片在脫出盾尾后不會因漿液的問題而產生上浮導致的錯臺、變形問題。

3.2.5 盾構機姿態控制

控制盾構機姿態的關鍵在于發現偏差時應逐步糾正，控制油壓差不宜過大，與盾構中心線相對稱區域的千斤頂油壓差應小于70bar，其伸出長度差應小于70 mm。盾構推進過程中如果糾正過快將導致盾構發生過量的蛇形運動，進而導致管片環面受力不均以及周圍土體擾動。盾構主司機在盾構糾偏時要采取“勤糾、少糾”原則，不得過急過猛地糾正偏差，每環糾偏量不大于5 mm。

3.2.6 出渣量控制

盾構掘進過程中嚴格控制出渣量，在渣量超出設計值(連續兩車出渣油缸行程小于300 mm)，或者出渣量無法有效控制時，應立即停機并分析原因，采取相應控制措施。

3.2.7 管片姿態測量

在盾構掘進過程中，測量組每天需要進行一次管片測量，測量范圍為拖出盾尾30環位置，每天將測量數據進行匯總、處理、上報，相關技術人員及時分析當前階段管片上浮量，及時采取相應的處理措施，嚴控管片上浮。

4 結 語

本文針對太原市地鐵二號線穿越迎澤湖工程，從已完成的盾構掘進區間來看，在裂隙水較大的泥質砂巖與硬塑型粉質黏土中掘進時，截斷管片后部來水、保證漿液有效填充管片壁后空隙、縮短管片壁后砂漿凝固時間是控制管片上浮的三個關鍵因素。在通過采取密封環施工+同步注漿+二次注漿三重控制的措施下，能夠有效控制管片上浮。