探討盾構法管片上浮控制施工技術

吳凱

中鐵十七局集團第二工程有限公司 陜西 西安 710000

前言

隨著時代的進步及我國交通行業的飛速發展，安全、環保意識的不斷加強，盾構法以其適應性強、安全、快速等優點在國內地鐵、輕軌等行業得到了的快速發展和普遍應用，成為城市交通隧道建設的首選工法。而在施工過程中管片上浮是盾構施工控制錯臺、破損、線性的一道難題，如何控制管片上浮成為盾構法施工的關鍵。

1 工程概況

（1）工程簡介。西安北客站至機場城際鐵路項目機場站-機場西站盾構區間左線全長2815.079m；右線全長2850.8m。隧道拱頂覆土7m～30m，線間距13m～21.4m。區間線路共設計了3條曲線，曲線半徑分別為R680、R800、R550，其中R680及R800為左轉彎，R550為右轉彎。線路從機場站北段始發，向西北方向進入機場保護區，下穿機場現狀滑行道和停機坪后，在T1航站樓前出租車停車場穿出。縱斷面采用V字坡設計，最大坡度26.15‰，線路最低點位于3號聯絡通道處，軌面埋深約30m。設四處聯絡通道，其中3#聯絡通道與廢水泵房合建，聯絡通道采用礦山法施工。

隧道襯砌采用6塊厚度300mm、環寬1.5m的環形預制鋼筋混凝土管片，錯縫拼裝，組成外徑6.0m，內徑5.4m的圓形單洞隧道。采用同步注漿填充管片與地層空隙。

（2）地形、地貌。本區間場地地貌單元簡單，為黃土塬區，地勢開闊，地形較平坦，勘探點地面高程474.27m～477.81m。

（3）地層巖性。盾構施工穿過的機場內地層主要由第四系更新統地層水上老黃土（4－1－1）和古土壤構成（古土壤4－2－1）。機場內場地地層總體分布穩定，沉積韻律清晰，各層地基土的均勻性較好，承載力從上至下逐漸增高，工程性能較好。

第四系中更新統地層，根據本次鉆探揭示，勘探深度范圍內地層詳細描述如下：

4-1-1水上老黃土（Q2eol）：褐黃-黃褐色，具針狀孔隙，含少量 鈣質結核及零星蝸牛殼，可塑狀態為主，局部軟塑。壓縮系數平均值 a1-2=0.17MPa-1，屬中偏低壓縮性土。層厚0.7～9.8m，層底高程426.48～448m。屬Ⅲ級硬土，該層土在本區間連續分布。

4-2-1古土壤（Q2el）：褐紅色，具針狀孔隙，團粒結構，局部結核較富集（粒狀、未形成鈣層），粒徑0.5～2cm，硬塑狀態為主，局部可塑。壓縮系數平均值a1-2=0.17MPa-1，屬中等偏低壓縮性土。層厚1.8～3.3m，層底高程428.03～452.08m。屬Ⅲ級硬土，在本區間連續分布，與4-1-1層老黃土以互層形式存在。

（4）水文地質特征。區間地下水主要為第四系孔隙潛水，主要賦存于中更新統黃土和古土壤層孔隙和裂隙中。根據收集的資料、現場調查結果和勘探結果分析，線路YDK28+539.6-線路終點段場地地下水標高介于445.25～447.21m，水位埋深29～30.5m。地下水位位于結構底板以上[1]。

2 管片上浮原因分析

管片上浮指管片在地面荷載、土壓力、水壓力等荷載的作用下，隧道管片偏離預定高程，發生地面方向起拱現象。而引起管片上浮的原因有許多，就本工程而言，引起管片上浮的原因如下：

（1）地下水作用力。工程概況中已提及，本工程局部隧道結構位于地下水水位以下。盾構機制造時，為保證盾構隧道順利掘進及盾尾間隙，盾構機刀盤切削直徑與管片外徑之間肯定有一定差值，本工程盾構機刀盤直徑6.27m，管片外徑6m。這必然導致管片在脫出盾尾后，四周處于無約束狀態，因地下水產生浮力遠大于管片自重，使管片產生上浮現象。

（2）工程地質及線路縱坡的影響。因本工程始發段長度約80m范圍內以前為機場φ1200mm雨水管，后期因雨水管線改遷，對該段采取放坡開挖后回填。該段地質存在上軟下硬情況，不利于盾構掘進軸線控制，易形成錯臺、破損且管片上浮嚴重。

（3）同步注漿工藝影響。同步注漿原理是使漿液在填充隧道建筑間隙后，讓管片與周圍土層緊密接觸，形成穩定的復合構造體共同抵抗外力。

同步注漿通常采用惰性漿液，原材料：沙子、粉煤灰、水泥、膨潤土、水。因漿液失水固結，加之部分漿液會擴散至周圍地層，導致實際注漿量遠超理論注漿量，且注漿量難以掌握。可能造成漿液的不飽滿。惰性漿液強度低且初凝時間長，易被地下水稀釋。管片脫出盾尾后，一定程度上，低強度漿液不僅不能對管片提供約束力，相反提供了上浮力。

（4）盾構機反向推力。在下坡地段盾構掘進時，由于盾構機油缸頂推力方向為斜后方向上，盾構機反推進力可分解為一個豎向方向和一個水平方向的分力。管片脫出盾尾后在豎向分力作用下向上產生位移，最終可表現為管片在高程方向上浮現象。

（5）盾構掘進速度。盾構掘進速度如果過快會導致盾構通過區域地層不穩定，而同步注漿惰性漿液不能在管片脫出盾尾后及時凝結，將會使管片上浮現象概率大大提高[2]。

3 管片上浮控制措施

右線盾構隧道施工過程中管片上浮最大約4～5cm，管片脫出盾尾后，管片破損、錯臺，且很不利于隧道軸線控制。發生該類問題后，對引起管片上浮的各種因素進行了分析和研究后，在后續施工中采取了針對性施工處理措施，以確保把管片上浮控制在1～2cm合理范圍內。

（1）首先檢查盾構機各個油缸是否存在偏差。嚴格控制推進千斤頂的油缸壓力，及時檢查設備完好性，確保管片均勻受壓。

（2）選擇合適的注漿漿液及方法。根據隧道管片在縱向長度上為兩端固定梁的假定，只要管片侵泡在盾構機掘進形成的“圓形坑道”中內的“液體”中，管片就永遠存在上浮的趨勢。要想消除或減緩這一趨勢，就必須使管片脫出盾尾后，不再受到盾尾及其他介質的約束。因此，必須確保盾尾空隙注入的漿液具有充填性、初凝時間短、具有一定的早起強度且收縮率小。

由質檢人員、試驗員、物資收料員共同對進場注漿材料原材料進場驗收，對于不合格原材料堅決予以退場。在結合現場實際工程、水文地質的基礎上經過多次試驗后，不斷對漿液配合比進行改進，漿液凝結時間控制在6小時左右，漿液配合比7d強度可以達到2Mpa，28d強度5.6Mpa，漿液體積收縮率＜10%。調整同步注漿量控制在5.5～6.5m3/環，注漿壓力提高0.4～0.6bar，控制在2.5～4bar，嚴格控制注漿量。加強同步注漿過程控制，保證注漿管路暢通，同步注漿4根管路均衡連續對稱注漿。

（3）嚴格控制盾構掘進姿態。盾構掘進過程中，過量的蛇形運動會造成糾偏過程中使管片環面受力不均而對周圍土體產生擾動，所以必須控制好盾構機姿態，發現偏差時勤糾、緩糾，不得過急、過猛糾偏，本項目制定了盾構機操作規程要求糾偏量不得超過3mm/環。同時跟蹤測量管片法面上的變化，及時利用環面貼片的方法糾偏，粘貼時上下左右呈階梯狀分布，同時根據管片上浮經驗值，將盾構機推進軸線高程控制在設計軸線高程一下限定值，以此來抵消管片脫出盾尾后上浮值。

（4）及時進行二次注漿。由于同步注漿漿液存在一定的收縮現象，因此在管片脫出盾尾后應及時進行二次注漿，在管片脫出盾尾4～5環后采用雙液漿進行二次補漿，雙液漿在填充性能、初凝時間、早起強度及防止流失等方面性能指標需達到一定要求，盡早使管片與周圍地層結成結構整體，可很好地控制管片上浮現象。

（5）優化掘進速度。正常情況下，盾構機最大掘進速度為80mm/min，一般情況下，盾構機掘進速度為40～60mm/min，同步注漿及二次注漿施工工序的作業時間短而忙亂，可能導致管片與隧道周圍地層之間空隙填充質量較差，漿液不能及時提供擬制管片上浮所需的強度。本項目經過試驗，采取的掘進速度控制在30～40mm/min，加強管片螺栓復緊，可以很好地控制管片在脫出盾尾后上浮現象。

（6）效果檢測。施工實踐證明，經過對盾構機械、壁厚注漿原材料、配合比、注漿量、盾構機姿態、二次注漿采用雙液漿、掘進速度的調整及控制，管片上浮趨勢得到了有效控制，基本控制在1～2cm。證明所采取的上浮控制措施是科學有效的[3]。

4 結束語

管片上浮是盾構法施工過程中不可避免的，也是盾構施工的一大難題，通過對現場施工的摸索和研究，可以如下得出結論：盾構法施工管片上浮問題實際是漿液凝結時間與管片上浮時間上的競賽，因此，盾構掘進過程中應根據不同的工程水文地質、隧道埋深等情況的變化而不斷調整，嚴控注漿材料原材料質量控制、優化同步注漿漿液配合比、控制好同步注漿漿液工程量、注漿壓力尤為重要。同時加強機械設備保養、嚴控掘進姿態、及時進行二次注漿、優化掘進速度。本項目針對管片上浮這一難題，通過以上措施，管片上浮量基本可以控制在1～2cm，上浮量得到了有效擬制。