關(guān)于富水黃土地層盾構(gòu)管片上浮問題的探究

沙鳴 芮江

(西安市軌道交通集團(tuán)有限公司,陜西 西安710018)

1 研究背景

本文依托于西安地鐵六號(hào)線大差市站至長(zhǎng)樂門站盾構(gòu)區(qū)間。本區(qū)間地基土的構(gòu)造組成自上而下主要有:雜填土、素填土、新黃土、飽和性軟黃土、老黃土、粉狀黏土等。本區(qū)間地下水位埋藏較淺,水位埋深為9.30 ～14.40 m,高程為390.29 ～397.42 m。地下水以第四系的孔隙潛水為主。主要賦存在洪積粉質(zhì)黏土、砂土層中。地下水的補(bǔ)給來源主要為區(qū)外徑流補(bǔ)給;潛水的排泄方式有徑流排放、潛水的越流排放、人工開采以及蒸發(fā)消耗等。該區(qū)間場(chǎng)地地下水宏觀性的流向和區(qū)域地形整體坡度相對(duì)應(yīng),主要的流向由東南部區(qū)域流向西北部區(qū)域。平均地下水流速大約為5.00 m/d。

2 管片上浮成因

2.1 隧道成洞性好,圍巖收斂性差,導(dǎo)致存在較大上浮空間

本區(qū)間隧道所在地層主要是古土壤和老黃土,其土質(zhì)均勻、結(jié)構(gòu)密實(shí)、不易被水浸濕,具有較好的自穩(wěn)性,收斂性小,隧道開挖完成后地層不會(huì)快速沉降。本標(biāo)段采用兩臺(tái)鐵建重工生產(chǎn)的ZTE6250型土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工,該盾構(gòu)機(jī)的開挖直徑為6280mm,采用的管片外徑為6000mm,內(nèi)徑為5400mm,隧道成型后管片外壁與周圍土體之間形成約140mm的建筑間隙。由于地層自穩(wěn)性較好該建筑間隙不會(huì)因?yàn)榈貙涌焖俪两刀?反而給管片上浮提供了足夠空間。

圖1 建筑間隙示意圖

2.2 壁后富水環(huán)境導(dǎo)致漿液初凝時(shí)間長(zhǎng),上浮力較大

本區(qū)間主要受地下潛水影響,區(qū)間范圍內(nèi)自然穩(wěn)定水位埋深為7.00 ～16.00 m,區(qū)間隧道埋深在15.4 ～19.8 m之間,隧道全程在水位線以下8～14m。成型管片壁后充滿地下水,且具有一定的壓力。

區(qū)間水文環(huán)境條件對(duì)隧道成型襯砌管片產(chǎn)生的影響因素主要分為兩個(gè)方面:一是成型隧道為中空的筒體機(jī)構(gòu)且整體處于地下水中,地下水對(duì)隧道整體產(chǎn)生的浮力較大；二是圍繞在成型隧道四周的同步注漿漿液完全浸泡在地下水中,造成同步注漿漿液配比中含水量增大,凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。

2.3 管片自重及成型管片復(fù)合支撐力不足(管片向下的分力小于管片受到的上浮力)

成型管片向下的力包括管片自重及管片之間復(fù)合支撐力,管片受到向上的力是由地下水和未初凝的漿液對(duì)隧道襯砌管片形成向上的浮力。此時(shí)若隧道襯砌管片受到向下的力小于受到向上的力時(shí),會(huì)導(dǎo)致隧道上浮。

圖2 成型管片受力示意圖

由阿基米德原理可知,單環(huán)管片在地層中所受的浮力等于它排出的所有水和其他液體的總重量,且由于穿過整環(huán)管片的形心豎直向上即垂直于地面。

故單環(huán)管片所受浮力為:

F浮=1.5 πR2ρg

R:管片環(huán)外半徑3m

ρ:漿液密度取1900kg/m3

g:重力加速度取9.8/s2

計(jì)算得F=789301.8 N

彈道區(qū)又稱低速段，碰撞速度在3 km·s-1以下。對(duì)于鋁材料，彈丸與緩沖屏碰撞后只發(fā)生變形或少量破碎。隨碰撞速度的增高，對(duì)后墻的破壞增大，而緩沖屏與后墻間距的變化幾乎不影響彈丸對(duì)后墻的破壞能力。此速度區(qū)內(nèi)，后墻正面出現(xiàn)單個(gè)撞擊坑或多個(gè)撞擊坑，后墻背面出現(xiàn)鼓包、層裂、剝落、穿孔。

單環(huán)管片重力為

G管=mg

m:管片質(zhì)量取21000kg

G管=205800N

計(jì)算得

F浮>G管,管片有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。

2.4 管片螺栓緊固力不足及螺栓安裝間隙造成管片側(cè)向位移

本區(qū)間所用管片的螺栓孔直徑為33mm,所用管片螺栓直徑為27mm。成型管片受到向上的浮力使管片形成向上的趨勢(shì),此時(shí)管片螺栓緊固力不足及螺栓與螺栓孔之間存在的間隙,會(huì)使管片之間發(fā)生側(cè)向位移,形成錯(cuò)臺(tái)。

3 管片上浮的幾種形式

3.1 脫出盾尾過程中上浮

圖3 管片脫出盾尾過程上浮示意圖

3.2 當(dāng)日掘進(jìn)區(qū)段漿液未初凝造成管片整體二次上浮

同步注漿的漿液初凝前為液態(tài),同樣會(huì)對(duì)成型管片產(chǎn)生較大浮力。當(dāng)日掘進(jìn)速度較快,產(chǎn)生的成型管片數(shù)量較多且已成型隧道下方漿液未達(dá)到初凝時(shí)間時(shí),大量管片受到漿液的浮力影響,管片會(huì)出現(xiàn)整體二次上浮的現(xiàn)象。

4 管片上浮的影響

4.1 成型管片連續(xù)錯(cuò)臺(tái)

成型管片脫出盾尾后在不同位置受到的浮力不同,產(chǎn)生的上浮量也不同,導(dǎo)致管片在垂直方向產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)。

管片上浮導(dǎo)致管片之間產(chǎn)生相對(duì)位移,連接相鄰2環(huán)管片

4.2 管片手孔破裂

的縱向管片螺栓因管片的相對(duì)位移受到剪力,同時(shí)管片螺栓孔位置的混凝土也受到來自管片螺栓的反向作用力。管片螺栓孔位置因管片上浮而產(chǎn)生向上的趨勢(shì),同時(shí)受到來自管片螺栓的向下的阻力,導(dǎo)致螺栓孔位置的混凝土受拉,當(dāng)拉力足夠大時(shí)螺栓孔位置的混凝土被破壞,管片手孔出現(xiàn)破裂。

4.3 隧道滲漏水

成型隧道的管片縫隙出現(xiàn)滲漏水的直接原因是防水材料的防水功能失效,本區(qū)間所用的防水材料為三元乙丙止水膠條和遇水膨脹止水膠條,管片之間通過防水材料的相互擠壓和緊密貼合實(shí)現(xiàn)防水功能。管片上浮導(dǎo)致管片之間出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái),當(dāng)錯(cuò)臺(tái)量較大時(shí),相鄰兩環(huán)管片的三元乙丙止水膠條無法嚴(yán)密貼合,防水功能受到影響進(jìn)而產(chǎn)生隧道滲漏水。

4.4 隧道線型超限

成型管片脫出盾尾后受到地下水的浮力影響會(huì)持續(xù)上浮,本區(qū)間成型管片與周圍土體之間存在140mm的建筑間隙,故管片理論上浮量可達(dá)140mm。若管片上浮處理不當(dāng)可能會(huì)出現(xiàn)成型管片的垂直姿態(tài)超限,管片侵入建筑限界,造成后續(xù)軌道工程道床厚度不足,對(duì)行車運(yùn)營(yíng)造成不良影響。

5 管片上浮的幾種控制措施

5.1 控制漿液初凝時(shí)間

控制管片上浮的主要措施之一就是使成型管片盡早脫離受地下水浮力影響的不穩(wěn)定環(huán)境,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。同步注漿使?jié){液填充滿管片與周圍土體的間隙,漿液凝固后可增強(qiáng)管片與周圍土體的相互作用,大幅度減小地下水對(duì)管片空間位置的影響,所以減少同步注漿的初凝時(shí)間可有效控制管片上浮。通過調(diào)整漿液的配合比可減少漿液的初凝時(shí)間,但施工現(xiàn)場(chǎng)受到工藝限制,一般調(diào)整至3-4小時(shí)。

5.2 及時(shí)二次注漿,填充管片壁后間隙

二次注漿的目的是快速填充管片與周圍土體的間隙,增強(qiáng)管片與周圍土體的相互作用。為了減少管片上浮,同步注漿的壓力一般控制在2bar左右,管片頂部難以被完全填充滿。二次注漿即通過管片吊裝孔直接向管片壁后注漿,可采用水泥、水玻璃雙液漿,漿液凝固時(shí)間短,填充效果好。注漿位置可選擇靠近管片頂部的鄰接塊,注漿壓力不超過2bar,注漿控制標(biāo)準(zhǔn)以注漿壓力為主,注漿量為輔。通過調(diào)整水泥、水玻璃的混合比可調(diào)整漿液凝固時(shí)間,注漿前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),將漿液初凝時(shí)間控制在30s以內(nèi)。需注意進(jìn)行二次注漿的管片距離盾尾需5環(huán)以上,防止二次漿液包裹盾體。

5.3 及時(shí)進(jìn)行“環(huán)箍”注漿,封堵管片壁后匯水通道

環(huán)箍注漿是一種采用雙液漿,通過二次注漿的施工方式進(jìn)行施工制作的工藝,又被稱為“止水環(huán)”。制作工藝主要是在相鄰2環(huán)管片上分別依次選取不同的注漿點(diǎn)位進(jìn)行二次注漿,注漿點(diǎn)位沿環(huán)向一周交叉依次選取5～6個(gè)點(diǎn)位,確保兩環(huán)管片的壁后空隙能夠完全充滿雙液漿,及時(shí)封堵管片壁后匯水通道。

5.4 及時(shí)進(jìn)行管片螺栓緊固

管片拼裝完成后隨著受力環(huán)境變化管片螺栓會(huì)發(fā)生松動(dòng),施工中應(yīng)對(duì)管片螺栓及時(shí)進(jìn)行復(fù)緊,保證管片螺栓緊固到位。螺栓緊固工作分三次進(jìn)行,拼裝完成后緊固一次,下一環(huán)推進(jìn)至1200mm時(shí)復(fù)緊一次,下一環(huán)拼裝完成后復(fù)緊一次。

圖5 管片防水材料錯(cuò)位示意圖

5.5 控制單班、單日掘進(jìn)速度

控制單班掘進(jìn)速度可以使更少的管片處于地下水與液態(tài)漿液中,減少成型管片受地下水和漿液浮力的時(shí)間。根據(jù)同步注漿漿液的初凝時(shí)間,在不改變掘進(jìn)速度的情況下將單班掘進(jìn)環(huán)數(shù)降低至每班3-4環(huán),減少處于不穩(wěn)定狀態(tài)的管片數(shù)量,增加管片整體的穩(wěn)定性。

5.6 盾尾管片壓重、抵消浮力

管片脫出盾尾后上浮的根本原因是管片重量小于管片受到的浮力,在盾構(gòu)尾部上浮較大的管片位置放置鉛塊或鋼筋混凝土管片,抵消部分浮力。管片上所放置重物的重量可以根據(jù)管片上浮量適當(dāng)?shù)刈龀稣{(diào)整,配合二次注漿、螺栓復(fù)緊等措施,控制管片上浮。

6 控制效果

本區(qū)間控制上浮之前,管片脫出盾尾上浮量為10～15mm,距離盾尾10環(huán)位置之后管片整體上浮30～40mm;采取上述措施控制管片上浮之后,管片脫出盾尾上浮量為4～6mm,距離盾尾10環(huán)位置之后管片整體上浮量為15～25mm,隧道成型管片無錯(cuò)臺(tái)、破損現(xiàn)象,整體質(zhì)量安全可控。

7 結(jié)論

富水黃土地層中隧道管片的上浮問題多發(fā),綜合本文上述觀點(diǎn),造成管片上浮的主要原因包括地質(zhì)及水文等原因、同步漿液漿液初凝時(shí)間、二次補(bǔ)漿不及時(shí)、管片自重及成型管片復(fù)合支撐力不足。可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工條件,從同步漿液的配比、二次補(bǔ)漿技術(shù)、螺栓復(fù)緊、盾構(gòu)掘進(jìn)速度的控制等多個(gè)方面入手,以降低管片的上浮量。由于管片上浮成因綜合、機(jī)制復(fù)雜,本文無法一一詳述。若內(nèi)容有不詳或錯(cuò)誤之處,請(qǐng)各位同仁批評(píng)指正。