某黃土盾構隧道管片上浮原因及控制技術研究

孟憲義MENG Xian-yi

（中鐵二十一局集團軌道交通工程有限公司，濟南 250000）

1 工程概況

1.1 基本情況

在前期盾構勘探深度60m 范圍內，某黃土盾構隧道區間地層自上而下依次為：均勻不一的人工填土、風積新黃土、風積老黃土等。該區間盾構隧道主要穿越古土壤、老黃土地層。地下穩定水位埋深在13.5～16.7m，含水層厚度大于50m，地下水年均變化不超過2m。

盾構隧道管片設計參數如表1所示。其中環向設置6 塊管片，環向每接縫使用2 個彎螺栓，總計12 個，縱向共設10 個螺栓。

表1 盾構隧道管片設計參數（mm）

1.2 上浮情況統計

目前盾構區間左線已始始發。經測量后管片垂直軸線偏差嚴重。從測量數據得出，工程測量值與設計值最大差值為157mm，上浮段平均上浮量57mm。在統計的114 環管片中，上浮量大于100mm 的存在19 環，上浮量為50mm至100mm 存在13 環，可以發現區間左線存在上浮量大、上浮連續等問題，如圖1 所示。

圖1 盾構區間管片上浮情況統計

管片襯砌結構的上浮問題是盾構隧道施工和運營中諸多問題的根源，是評價其結構形態的重要指標。當隧道結構產生的位移和變形持續增大時，隧道結構的內力也將隨之逐漸增加，當隧道襯砌結構中產生的內力大于混凝土及螺栓的最大允許應力時，襯砌管片就會逐漸出現壓損或者開裂的現象，導致管片耐久性和水密性受到影響。管片上浮導致結構喪失承載能力和使用性能，不均勻管片襯砌漂移使得結構的穩定性不能滿足要求，進而嚴重危及結構受力及運營安全，如圖2 所示。

圖2 管片因上浮出現錯臺、掉角、開裂、滲水質量缺陷

2 上浮原因分析

2.1 黃土地層影響

在無水條件下，黃土地層具有強度高、成拱性好的特點。但黃土地層具有濕陷性特征，當黃土地層被地下水浸濕后，黃土的結構會迅速發生破壞，致使地層產生附加下沉[1]。當黃土遇水后達到飽和時，通常指黃土飽和度＞80%，濕陷性消失。但由于黃土中的可溶鹽浸水溶解，致使其內聚力降低，加之飽和孔隙水所產生的潤滑作用，飽和黃土的抗剪強度一般較低[2]。黃土地層還易受到地下水和同步注漿漿液的耦合影響，一定程度上削弱了黃土地層承載力，穩定性也將受到影響，因此黃土地層中盾構管片上浮問題表現更為突出。

2.2 地下水位影響

場地地下水主要賦存于黃土、砂層、圓礫夾層中，含水層厚度大于50m。區間隧道主要受到地下潛水影響，區間范圍內自然穩定水位埋深介于13.00～16.00m 之間，區間隧道埋深介于11.0～20.0m 之間，隧道區間全程處在水位線以下。影響隧道襯砌管片形成的因素有兩個：一是地層隧道為中空圓筒體，整個隧道位于地下水中，地下水對整個隧道的浮力較大；二是地層隧道周圍同步注漿漿液完全浸入地下水中，導致漿液含水量增加，漿液凝結時間增長。

在盾構施工機械系統設計制造時，為保證盾構機順利進行掘進和管片拼裝活動空間，盾構機盾殼與管片之間存在一定的間隙，盾尾直徑與管片外徑之間的差值即是盾尾間隙，現場土壓平衡盾構機盾尾間隙為140mm。盾構推進時，管片脫出盾尾后，注漿若得不到有效及時填充，就會直接導致管片脫出盾尾后處于一個四周無約束的狀態。此時，匯集在管片周邊地下水活動產生的浮力，使剛安裝的管片結構在此14cm 的空隙內自由進行上浮[3]。

2.3 盾構機姿態影響

在盾構掘進過程中，必須調整各分區千斤頂的推力，使盾構機逐漸接近隧道設計軸線[4]。而本段隧道線路縱斷面采用單面縱坡，左線最大坡度為7.769‰、右線最大坡度為7.770‰。盾構掘進過程中，受盾構機自身結構頭重腳輕的影響，盾構機容易發生一定程度的前傾，導致盾構機姿態偏離掘進設計軸線。為了控制盾構機前傾栽頭的趨勢，使盾構機盡可能按隧道設計軸線掘進，需要保持上部、下部千斤頂推力差，下部千斤頂推力大于上半部千斤頂推力，從而克服盾構機自身的重量。為了滿足設計線路的需要，還需要逐步增加下部千斤頂的推力，從而調整盾構機的運動軌跡。

因此，在施工中盾構機推進時，盾構機油缸的推力方向是“斜后方向向上”。依據靜力學原理，將推力分解為水平分力和垂直分力。管片在豎直分力的作用下向上產生位移，最終表現為管片在設計高程控制方向的上浮現象[5]。

2.4 同步注漿影響

一方面，管片上浮主要受到浮力影響，另一方面，管片浮動位移空間由盾尾間隙提供。為了限制管片的位移空間，必須及時采用同步注漿技術填補盾構尾部間隙，使管片與周圍巖層緊密結合，形成一個結構穩定的復合體。要解決上述問題，重點在于漿液選擇和注漿工藝兩方面。

漿液的選擇需要考慮以下幾個方面：①漿液具有良好的充填性，可注性好；②漿液流動性好且不容易離析；③凝結時間短，具有一定的早期強度從而與管片結合成一個整體共同抵抗土壓和反推力；④漿液體積收縮率小，以便漿液凝固后握裹固定管片；⑤稠度合適。解決管片上浮問題的關鍵是及時地填充盾尾間隙固結管片。當管片脫出盾尾后，漿液還沒有達到初凝和形成強度之前，這時管片相當于浸泡在液體環境中，在浮力作用下發生上浮。

注漿工藝方面，同步注漿原理是通過漿液填充孔隙使管片與周圍土層形成穩定的組合結構，從而共同抵抗外力。當漿液100%充填空隙時才能形成上述穩定結構，但漿液由于失水固結等原因，實際施工中往往難以100%充填空隙。同時注漿過程中部分漿液劈裂到周圍地層，導致盾構實際注漿量要超過一定的理論注漿量。而施工中實際注漿量通常難以確定，掌握不好容易可能造成漿液的不飽滿；被稀釋的漿液給管片提供了上浮力。

3 上浮控制技術

3.1 控制同步注漿參數

同步注漿工藝是保證地面建筑、地層穩定、盾尾密封及管片襯砌結構安全的重要一環，因此必須依據施工狀態嚴格控制，確保注漿質量和安全，同步注漿情況如圖3 所示。

圖3 同步注漿示意圖

根據工程實際，同步注漿嚴格按照每環6m3的注入量和壓力雙控，注漿壓力不超過2.5bar，漿液初凝時間在場地外實驗在6 小時45 分左右開始初凝，進入管片壁后按8 小時初凝考慮，凝結時間測定由砂漿凝結時間測定儀測量得出，漿液基本性能測定如圖4 所示。

圖4 漿液基本性能測定

3.2 優化二次注漿方式

二次注漿是在管片上預設注漿孔，直接通過注漿孔進行注漿。通過管片注漿進行二次注漿，可以及時彌補管片背部出現空洞、少漿等問題，有效抑制上浮發生，二次注漿如圖5 所示。

圖5 二次注漿示意圖

根據施工現場，二次注漿采用水泥漿與水玻璃組成的雙液漿，控制漿液初凝時間，迅速將管片鐘表方向11 點、1點上部背部空隙填充，達到一定的壓力，同時打開下部7、5 點位進行觀察，防止漿液注到下部引起二次上浮，如圖6所示。因由盾構姿態、工期進度等原因，在不考慮降低掘進速度的情況下，根據工程實際在盾尾后及時補漿，一般不超過盾尾后10 環。

圖6 雙液漿注漿示意圖

二次注漿配比為（以下為參考值具體根據地質情況由實驗確定）水泥漿∶水∶水泥=100kg∶150kg；水玻璃雙液漿∶水泥漿水灰比1∶1.5，水泥漿和水玻璃比例1∶1，水玻璃的波美度Be'=35～40，模數M=2.8～3.1。雙液漿注漿壓力為0.25Mp～0.4Mp。雙液漿的凝結時間控制在20-30s 的范圍內，防止漿液擴散。

3.3 提升盾構施工嚴謹性

根據工程選用的壁后注漿漿液的初期凝結時間，合理降低每班掘進環數至每班4-5 環，給予管片充分穩定時間，增加盾構隧道整體縱向剛度。同時在施工中應對管片螺栓及時進行復緊，保證管片螺栓緊固到位。螺栓緊固工作分三次進行，拼裝完成后緊固一次，下一環推進至1200mm 時復緊一次，下一環拼裝完成后復緊一次。

3.4 控制盾構糾偏參數

施工時發現盾構姿態發生偏移時應及時糾偏，保證好油壓差值，控制以軸線為對稱的兩千斤頂伸出長度差應小于65mm，油壓差應小65bar。盾構糾偏過程中應遵循“勤糾、少糾”原則。

3.5 增加管片姿態測量頻數

盾構施工期間，按照每日測量、每日上報、每日分析的思路，對拖出盾尾30 環內管片高程進行測量，對測量數據進行及時分析，及時采取相應的處理措施，嚴控管片上浮[6]。

4 控制成效

盾構施工期間，在發現管片上浮超限后，立即采取對應措施，根據每日管片測量報告，控制上浮前管片拖出盾尾后上浮量為30～40mm，距離盾尾15 環后整體上浮90～100mm，上浮峰值為157mm。采取上述相應控制措施后，盾尾脫出后管片上浮量為10～15mm，距離盾尾15 環后整體上浮30～40mm，盾構隧道管片襯砌在采取相應控制措施后錯臺、破損現象明顯減少，提高了隧道施工質量。

5 結語

①盾構隧道管片襯砌結構的上浮是施工及運營中迫需解決的問題，隨著上浮量的增大，管片極易出現錯臺、掉角、開裂、滲水等質量缺陷，嚴重則導致結構喪失承載能力和使用性能，進而嚴重危及結構受力及運營安全；

②盾構隧道管片襯砌結構上浮是由地層、地下水位、盾構機姿態和同步注漿等原因的綜合影響而產生的，在追溯問題本源時建議綜合考量，結合工程實際得出較為貼切原因；

③通過控制同步注漿參數、優化二次注漿方式、提升施工嚴謹性、控制糾偏參數、增加管片姿態測量頻數等舉措能有效的控制盾構隧道管片上浮趨勢，在實際工程中建議多措并舉。