巖層盾構隧道管片及道床板上浮分析與處治*

吉艷雷，謝君泰，吳文彪

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧院，陜西 西安 710043；2.粵水電軌道交通建設有限公司，廣東 廣州 510610)

本文對某鐵路隧道盾構區間全斷面硬巖地層遇到的成型管片及道床板上浮病害問題進行分析，提出可行整治措施。

1 工程概況

某城際鐵路全長5.9km，為雙洞單線盾構隧道，采取φ8.8m土壓盾構施工，局部盾構段位于河涌正下方。地表河涌寬30～35m，正常水深2m。管片上浮段長約73m，該段線路坡度為2.35%，下坡掘進，覆土厚度為31～34m，兩管盾構隧道間凈距11m。盾構管片采用 C50混凝土，管片內徑 7.7m、外徑8.5m、厚40cm、環寬1.6m，管片環分塊采用6+1模式，設置19個M30環縫螺栓。管片斷面如圖1所示。

圖1 盾構管片斷面(單位：m)

隧道內CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕、道床板等組成。

道床板為縱向連續的鋼筋混凝土結構，直接在隧道仰拱回填層上構筑。道床板寬2 800mm，厚260mm。道床板寬度范圍內，仰拱回填層及底板表面進行鑿毛處理。

盾構洞身地質為弱風化砂巖，其飽和抗壓強度為22.6～25MPa。褐紅色及灰白色，礦物成分以石英、長石為主，粉細粒結構，中厚層狀構造，泥鈣質膠結，膠結較好，巖質較硬，巖石質量指標RQD=93%。局部節理、裂隙發育，各鉆孔節理、裂隙帶位置無明顯規律，水量一般，其滲透性受基巖裂隙發育程度影響，具有一定的隨機性。地質剖面如圖2，3所示。

圖2 隆起段剖面

圖3 洞身段巖芯照

2 施工及監測

上浮段(660～705環)掘進時間為2017年12月7—26日，推力約18 000kN，刀盤扭矩約3 800kN·m，平均速度約12mm/min，每環同步注漿量約為15m3，巖層裂隙水適中，地層與設計基本相符，掘進過程中無異常情況。

2018年5月21—22日，隧底回填第1層；2018年6月6—7日，隧底回填第2層；2018年7月6—7日，電纜溝槽施工；2018年9月3—4日，無砟道床施工。

在盾構管片5點鐘和7點鐘方位布置測點進行監測，從2018年11月開始監測，期間對該段盾構左線進行了監測，左線數據無變化，右線監測成果如圖4～6所示，管片最大隆起70mm，觀測值隨時間上下波動。

圖4 管片變形觀測

圖5 電纜槽沿縱斷面上浮觀測

圖6 單雙電纜槽變形對比

監測顯示，沿線路方向660～690環，在2019年1月18日后發生明顯上浮。

630～662環，電纜單槽上浮大于雙槽；662～700環電纜雙槽上浮大于單槽上浮。630～680環，管片左、右兩側與拱頂變化基本一致。680～712環，管片左側上浮稍大于右側，右側與拱頂基本一致。

2019年2月8日后，上抬速率平緩，現場放水泄壓后回落明顯。

從圖4～6分析，該段隧道管片左右兩側、道床板、拱頂變化趨勢基本一致，說明該段管片整體上浮，各環上浮量值不同。

3 病害調查

病害調查結果如圖7～10所示。

圖7 隆起段管片總體效果

圖8 管片邊角破損

圖9 道床板環向裂紋及滲水

圖10 電纜槽開裂

1)管片接縫未有明顯滲漏水現象，未有明顯錯臺發生，未見超過規范(徑向12mm、環向17mm)的錯臺。

2)2019年2月20日，667，668，691環管片8點鐘位置(電纜溝槽單槽側)，管片環向邊角發生破損，未見明顯錯臺、漏水、螺栓拉出。

3)道床板有4處(652，655，662，666環)貫穿裂紋。655環道床板處有滲水現象，655環管片邊墻及拱部未見滲水現場。

4)電纜槽單槽側有14處裂紋，電纜槽雙槽側有8處橫向裂紋。

5)現場道床邊水溝未見明顯滲水、冒水。

4 上浮原因分析及現場試驗

4.1 上浮原因分析

1)盾構施工中，隧道管片同時具備上浮的力學和空間條件后才可能發生上浮。隧道管片上浮的影響因素主要包括管片所處的地質條件、覆土條件、注漿工藝及漿液性質、建筑間隙、盾構姿態等。管片外圍有液體產生浮力、上部有浮動或可壓縮空間、外周產生的浮力要大于管片或盾構機自重，是盾構隧道管片產生上浮需具備的必需條件。

本工程上浮段隧道埋深31～34m，地層為全斷面砂巖，不會發生類似覆土不足、上覆土層被壓縮變形引起上浮現象，且本段左、右線掘進時左線未發生管片上浮現象，上浮段小里程段也未發生異常上浮。

全斷面硬巖地層圍巖自穩性好，本段盾構開挖直徑為8 780mm，管片外徑為8 500mm，管片與圍巖間平均存在140mm間隙。如同步注漿工藝及質量控制不好，漿液易被稀釋和沖走，無法及時填充空隙，管片與圍巖間的間隙一直存在，間隙內被地下水填充，造成部分管片約束破壞，在局部相對密閉空間內地下水無處排泄，在水壓力作用下引起管片和道床板上浮。當建筑間隙內充填水位變化時，管片發生沉降、隆起波動現象。建筑間隙內充水程度越高，管片上浮量越大。

本段為盾構下坡掘進段，即將進入接收洞，需不斷姿態調整，易造成過量超挖，在盾構及管片間形成間隙，引起上浮。管片圍巖間隙如圖11所示。

圖11 管片圍巖間隙示意

2)上浮計算。忽略管片與周邊地層的摩擦力及管片環間約束作用，進行簡化計算。G管片=π(R2-r2)=254kN，G回填=3.83×22=84.3kN，F浮=ρgV排=567kN，F浮>G管片+G回填，即管片所受到的浮力大于管片及回填的自重。可見,當隧道管片在全斷面地下水工況下,隧道管片有上浮趨勢，當管片與圍巖存在空隙，將會引發上浮，且在短時間內發生。當管片上浮至頂部巖體或同步注漿層，將停止運動。

4.2 現場放水測試

為了進一步驗證查明上浮原因、制訂可靠的治理方案，現場在676環管片9點鐘位置、677環管片3點鐘位置各打1個排水孔進行了放水試驗，放水持續2h，每分鐘流量約63L。然后關閉閥門，進行變形觀測記錄，觀測結果如圖12所示。

圖12 放水試驗管片豎向變形對比

由放水試驗可知：①管片上抬與地下水力變化關聯密切；②泄水孔水量、水壓一般，可知地下水未與地表水連通，主要為裂隙滲水。

5 整治方案

5.1 總體方案

根據管片及道床板監測數據分析顯示，對右線區間管片及道床隆起段采用泄壓孔限量放水、管片背后填充注漿加固結合精細化監測指導方式對隆起段落進行整治，使得無砟道床復位到軌道精調允許范圍。對左線對應范圍管片、道床加強觀測，必要時采取注漿補強加固，保證盾構結構穩定。

待全部措施施工完畢，監測至管片及道床板穩定，如仍無法滿足軌道鋪設要求，必要時進行無砟軌道局部拆換，重新施作。經研究本段不具備線路調整條件。

處理范圍：根據管片及軌道板監測數據分析顯示，右線區間道床隆起里程范圍為DK6+168—DK6+095(長73m)，綜合考慮，右線整治里程適當擴大，范圍為DK6+184—DK6+085。

本次調查的總樣本為江蘇省S縣的農村初中學生。 S縣隸屬于江蘇省，現共有農村初級中學14所，初等職業學校1所。本調查采取抽樣調查法，在S縣的5所鄉鎮初級中學共發放900份問卷，回收891份，回收率99%，剔除無效問卷40份，最后得到有效問卷851份，有效率94.5%。因此，本次問卷調查的有效人數為851人，其中男生為464人，占總人數的54.5%，女生人數為387人，占總人數的45.5%。七年級學生304人，占比35.7%，八年級學生326人，占比38.3%，九年級學生221人，占比26%。

5.2 整治措施

5.2.1放水泄壓

管片環利用原注漿孔在3點鐘、9點鐘方向以下設置2個泄水孔，注漿前利用泄壓孔控制限量放水泄壓。泄壓孔應設在注漿環上游，并與注漿環間隔2～3環，泄水孔應安裝閥門。

5.2.2管片背后填充注漿加固

適當泄水后對管片背后存在的空隙進行充填注漿，根據測量數據初擬右線DK6+184—DK6+085段，加固長度99m。

管片補充注漿環向設置4～5孔，注漿順序為從上往下。泄水孔及注漿孔位布置如圖13所示。

圖13 泄水孔位及注漿孔位布置

5.2.3注漿材料及工藝

注漿以充填注漿為主，注漿材料應具有膠凝固結強度高、膠凝收縮率小、環保等特點。結合現場泄水試驗，水量及水壓不大，綜合分析后選用單液水泥漿，添加一定量的水玻璃外加劑進行注漿充填加固，填充管片后剩余空隙，達到長期固結管片的目的。

1)注漿選擇P·O42.5R水泥，注漿材料采用單液水泥漿，水泥漿水灰比W∶C=1∶1～0.7∶1，外加劑水玻璃用量5%～7%，水玻璃濃度35～40Be′，模數為2.6，凝固時間200min左右。注漿濃度可在注漿過程中及時調整。

2)補充注漿壓力要考慮管片的最大承受力，覆蓋層地質條件、水壓條件等因素，不得使管片出現錯臺及破損。注漿壓力為0.25～0.35MPa，注漿流量50～80L/min。注漿前要進行注漿試驗，根據試驗確定注漿的初步壓力，在后續正式注漿時先采用初步壓力進行注漿，在注漿過程中根據管片及軌道板監測情況可進行調節。注漿過程中應實時監測，防止道床板二次抬升。

3)終止注漿標準。當漿液從泄水孔流出時，封堵檢查孔，當注漿壓力達到0.3MPa時，暫時停止注漿，稍后再進行注漿，若壓力不減少，增大至0.35MPa，注漿量、速率變小，單孔進漿量小于初始進漿量的1/4且≤10～12L/min，達到穩定壓力并穩壓10min則停止該環注漿，移至下一循環。

4)環向注漿時，在自動監測指導下，同步對稱注漿。如管片與線路平面偏差較大，可從偏大側先注。

5)泄水孔兼作下一循環注漿孔。

5.2.4施工工序

1)先對監測管片上浮最大的幾環進行泄壓注漿。放水泄壓至管片下沉快至設計標高+5mm附近，立刻啟動注漿作業，先注雙液漿，待泄水孔出現濃漿時關閉泄水閥門，繼續注漿直至達到終止注漿的標準。

2)從中間往兩端設置2組隊伍進行平行作業。

3)管片環向設置注漿順序為從上往下注，使用管片上半側的注漿點位注漿時，采用該位置水壓力 1.1～1.2 倍的注漿壓力，管片下半側的注漿點位則壓力適當減小，從而減小管片上浮趨勢。

4)選擇合適的注漿孔位，戴上注漿單向逆止閥后，用電錘鉆穿孔位，接上注漿管。注漿拆除注漿頭后應用快速水泥砂漿進行封孔，戴上塑料密封螺堵，然后進行下一孔位注漿。

5)根據監測情況可重復補充單液漿。用漿液完全填充空隙，消滅水囊。

6)注漿施工調整到位后繼續監測，直至數據最終穩定，滿足鋼軌扣件鋪設要求。

注漿工藝及施工分段布置如圖14，15所示。

圖14 管片背后補漿示意

圖15 施工分段布置

5.2.5自動化監測

由于道床板已鋪設，注漿作業必須保證不導致結構變形波動超過允許范圍。因此，道床板及管片上浮治理施工過程中，必須對隧道變形、道床變形實時監測，根據監測結果動態指導放水泄壓及充填注漿作業。

管片的變形監測≥5個點、無砟道床監測2個點。監測成果能反映隧道的豎向、水平變形，無砟道床的監測應能反映豎向、水平變形及與設計線路中線之間的關系。每4環布設1個斷面，即每6.4m布設1個自動化監測斷面，共布設27個斷面。分別在拱頂、道床及拱腰位置布設6個監測點，監測點具體布設位置如圖16所示。

圖16 斷面監測點布置示意

5.2.6道床板拆換

對于放水補漿后監測仍不滿足無砟軌道靜態鋪設精度標準地段，道床板完全拆除，重新施作。為確保道床板破除不影響其他段道床板，在破除前，需在分界點切割分界縫。分段依次對道床板進行切割，每段1.5m。

管片上浮段自2019年5月整治完成后，通過對管片及道床板進行長達1年的連續觀測，變形速率及累計變形量均在0.8mm以內。

6 結語

1)全斷面硬巖地段盾構施工，要控制好盾構掘進姿態、嚴控管片同步注漿及二次注漿工藝與質量，避免發生上浮。

2)測試表明，當管片外存在空隙、地下水達到一定力學條件時，硬巖地段管片發生上浮或下沉需要的時間較短。

3)隧道內沉降觀測斷面的布設一般根據地質圍巖級別確定，硬巖地段盾構沉降觀測點的布置應適當加密，防止觀測點間存在監測盲區導致鋪軌后局部管片發生上浮。

4)成型管片及道床出現上浮，應弄清其破壞機理、查明原因，可通過適當泄水降壓減少盾構隧道承受的水浮力，待隧道結構回落至穩定時，采用管片背后充填注漿穩固隧道，可較好地整治隧道上浮病害。整治過程中應進行隧道結構實時監測。