盾構施工管片上浮控制研究

李彥興

（中鐵科學研究院四川鐵科建設監理有限公司）

1 隧道工程概況

麗水路站～清河路站區間隧道由南向北敷設，沿線主要為工業區與高壓防護綠地，下穿菱湖公園。

區間隧道采用單層管片襯砌，材料為鋼筋混凝土。管片內徑5400mm、外徑6000mm，厚度為300mm。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 地質概況

盾構隧道掘進范圍內土層為黏土⑥2、粉質黏土⑥3、全風化泥質砂巖⑩1、強風化泥質砂巖⑩2、中風化泥質砂巖⑩3層。

盾構穿越范圍內以黏性土為主，呈硬塑～堅硬狀，粘塑性好，土體強度較高，土層黏聚力高，另第⑥2層黏性土具有弱膨脹性。

區間盾構隧道范圍內分布風化巖層，強度較高，勘察揭示⑩3層中風化泥質砂巖最大飽和單軸抗壓強度為6.73MPa。

1.2 水文地質

擬建工程區內地下水主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水。

第四系孔隙水主要賦存于人工填土中，以上層滯水為主，水量微弱。黏性土層分布廣泛，埋深淺，成層性較好，透水性和富水性均較弱。根據鉆探揭露顯示，主要接受大氣降水、灌溉水、河流流水、生活廢水、雨水、污水等地下管線漏水垂直滲漏補給。排泄方式為蒸發、向下補給潛水和人工抽降地下水。

基巖裂隙水主要賦存于巖石強、中等風化帶中。基巖的含水性、透水性受巖體的結構、構造、裂隙發育程度等控制，由于巖體的各向異性，加之局部巖體破碎、節理裂隙發育，導致巖體富水程度與滲透性也不盡相同。擬建工程區間上方有菱湖公園人工湖，裂隙水較發育。

2 下穿菱湖期間管片上浮情況

下穿菱湖公園段時發現，左右線均發生管片上浮情況，其上浮的態勢非常相似，出現上浮趨勢較大、管片連續上浮的共性。本次取例的管片主要為上浮至超限位置管片區段，上浮趨勢呈曲線形式發展，但并不是單純以單峰值形式出現，在未及時處理或采取處理措施不當未能抑制上浮繼續發生的情況下，上浮趨勢會呈連續波浪形式發展，右線隧道管片侵限量比左線隧道少，雖發現后及時采取措施處理，但未能抑制上浮趨勢，導致出現波浪形式變化。左右線管片上浮量見表1、表2。

表1 左線上浮統計 （mm）

表2 右線上浮統計 （mm）

3 管片上浮原因分析

3.1 硬塑型粉質粘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14cm寬的建筑空隙。由于硬塑型粉質粘土自穩能力強，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。

3.2 地層中裂隙水影響

區間上方為菱湖公園人工湖，湖底距離隧道拱頂約6m。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。

3.3 同步注漿漿液影響

當管片脫離盾尾時，根據阿基米德原理F浮力=ρ液gV排，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。同步注漿量及地層中裂隙水匯集量的多少會影響動態上浮力，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[1]。

3.4 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，特別是在下坡階段，盾構機下部油缸推力增大將在線路設計軸線法線上產生一個向上的分力，這個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[2]。

4 管片上浮技術控制措施

4.1 前期控制措施

4.1.1 同步注漿配合比調整

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，采用如表3配合比。

表3 同步注漿配合比

該配比下砂漿特性如下：

⑴漿液凝固時間

經現場取樣，該配合比砂漿初凝為2～3.5小時，終凝6～7小時，砂漿和易性及流動性良好。

⑵砂漿比重

使用比重儀測定該配合比的砂漿比重為1.78㎏/m3、1.77㎏/m3（兩次測定），使用量筒（3L）及電子秤計算出砂漿比重為（7537.4－1800.5）/3=1.91㎏/m3。

⑶砂漿質量體積法測量比重及收縮率

采用3L量筒裝滿砂漿，砂漿凝固前重量為(7537.4－1800.5)g(皮重)，凝固后重量為(7433.4－1800.5)g(皮重)，質量損失約0.104㎏，收縮的凹槽使用量杯加水，加水0.110L。因此，砂漿體積收縮率為0.110/3×100%=3.7%，干砂漿比重為（7433.4－1800.5）/(3-0.110)=1.95㎏/m3。

⑷砂漿稠度

采用砂漿稠度儀測量砂漿稠度，該配合比砂漿稠度為110～140mm，二次測試分別為130mm、128mm。

4.1.2 砂漿+水玻璃性能試驗

為縮短砂漿凝固時間，讓管片脫出盾尾后及時受到硬性物質約束，減小管片上浮，特做本次試驗。

試驗過程：

砂漿+水玻璃為10:1充分攪拌。

使用量杯取砂漿1000ml，純水玻璃100ml，加入桶內充分攪拌，兩次試驗均在50～60s間迅速凝固。

試驗小結：

⑴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。）

⑵10:1=砂漿:水玻璃摻量能夠使砂漿較快凝固。

4.2過程中控制措施

4.2.1 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，在管片脫出后備套后，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。密封環施做時注意以下幾點：

⑴密封環要求脫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。

⑵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。

⑶下穿菱湖掘進時上部土倉壓力參數如下：

左線盾構機下穿菱湖公園段期間土倉壓力情況見圖1。

圖1 左線上部土倉壓力統計圖

右線盾構機下穿菱湖公園段期間土倉壓力情況見圖2。

圖2 右線上部土倉壓力統計圖

麗清區間下穿菱湖期間，盾構機土倉壓力總體控制在0.8～1.3bar之內。根據左、右線過湖期間上部土壓力與湖面異常情況綜合分析，土壓力大于1.1bar時，湖面有輕微冒泡，土壓控制在0.8～0.9bar，湖面基本無異常，未見冒泡現象，同時區間右線將泡沫流量降低至500L/min，膨脹率降低至3%，對控制湖面冒泡有明顯作用。

結合以上情況，注漿量采用注漿壓力及注漿量雙重控制原則，當注漿壓力達到0.3MPa或整環注漿量達到3m3時，即停止注漿。

4.2.2 同步注漿

同步注漿漿液采用水泥:細骨料:水:粉煤灰:膨潤土=200:720:450:360：50的比例進行拌制。該漿液具有和易性及流動性良好、初凝時間短、收縮率小、有一定的早期強度等特點。同步注漿時應注意以下幾點：

⑴每環同步注漿量不低于5m3，同時注意注漿壓力不大于3bar，防止注漿壓力過大漿液竄流至刀盤。

⑵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。

⑶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。

⑷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。

4.2.3 二次注漿

二次注漿水泥采用P·042.5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。

⑴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，同時能截斷管片后部來水。

④二次注漿時分解部分管片上浮力。

⑵二次注漿技術要求

①當管片脫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地混合。

②注漿頻率根據當前階段上浮量來確定，當上浮量大于4cm時每環進行一次二次補充注漿，小于4cm時，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注漿點位置選擇在隧道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0.3MPa，每環二次注漿量不大于1m3。

4.2.4 盾構機姿態控制

盾構推進中，過量的蛇形運動造成的糾偏過程會使管片環面受力不均以及周圍土體擾動，所以要控制好盾構機的姿態，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70mm。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5mm。

4.2.5 盾構機掘進速度控制

掘進速度的控制也直接影響到管片上浮的程度。一般情況下，推進速度很快，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，所以一般以緩慢推進為宜，推進速度不大于50mm/min，以確保管片在脫出盾尾后不會因漿液的問題而產生不穩定的位移。

4.2.6 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300mm)，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。

4.2.7 盾構機掘進高程控制

在施工過程中，根據檢測到的管片上浮的統計值，通過和隧道設計軸線的比較，發現管片上浮較嚴重時，及時將盾構掘進高程降至設計軸線以下30～50mm，以此來抵消后續掘進的管片上浮值，使隧道軸線最大程度地接近設計軸線。

4.2.8 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。

5 結語

在本標段已完成的下穿菱湖公園段掘進情況來看，在裂隙水較大的泥質砂巖與硬塑型粉質粘土中掘進時，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，基本上能有效控制管片上浮。