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盾构隧道管片上浮原因分析及应对措施朱宝龙

发表时间：2020/6/12 来源：《基层建设》2020年第6期作者：朱宝龙

[导读] 摘要：盾构施工过程中会受地质、水、同步浆液等因素的影响，管片脱出尾盾后，经常会发生管片向上位移现象，即所谓的管片上浮。

        杭州建工建材有限公司浙江杭州 311107
        摘要：盾构施工过程中会受地质、水、同步浆液等因素的影响，管片脱出尾盾后，经常会发生管片向上位移现象，即所谓的管片上浮。管片上浮会造成成型姿态超限，严重时影响线路设计中隧道的高程、走向和净空，同时增加施工成本。本文，以某盾构隧道工程为依托，结合现场盾构管片上浮监测结果，考虑到管片衬砌结构的重要性，对盾构施工中管片上浮原因进行总结概括，提出了相应控制对策，通过现场监测，管片上浮量得到了有效地控制，验证了控制措施的有效性。
        关键词：盾构隧道；管片上浮；姿态调整；衬砌背后注浆
        1.工程简介
        某地铁工程建（构）筑物主要包括1～4层居民房屋、红日山湖小区和金源橘子郡小区。区间埋深约为19.6～30m，穿越地层以强风化至中风化泥质粉砂岩为主，岩性软弱，强度较低，埋深20m范围内地下水主要有松散岩层孔隙水和孔隙裂隙水2种类型。
        2管片上浮原因分析
        结合隧道周围地质环境因素，对引发管片上浮的因素进行分析，主要受到工程水文地质条件、管片与围岩间建筑空隙、衬砌背后注浆质量、盾构掘进参数及姿态控制等方面的影响。
        2.1工程水文地质条件影响
        此段上浮明显的管片位于强、中风化泥质粉砂岩不同地层交界处。由于断面内岩层软弱不均，造成盾构掘进大量蛇形运动，加大了环向建筑空隙。同时下部地层自稳能力较强，刀盘受到的阻力大于上部，造成刀盘切削上部软弱土体过量，下部硬岩切削较少，导致围岩与管片间的空隙得不到减小。施工阶段为当地雨季，地层地下水位较高，在透水地层中施工时，管片浸泡产生的巨大浮力，使管片产生上浮趋势。
        2.2管片与围岩间建筑空隙
        盾构前行时盾尾受力转移到临近管片上，盾构掘进扰动周围土体，导致管片脱尾后管片安装外径与周围围岩之间并非贴合紧密，存在着一定的环向建筑空隙。此建筑空隙的存在，为管片提供了上浮空间。在软弱地层中，管片脱出盾尾后，若注浆不及时，无法填充环向建筑空隙，拱顶围岩便会产生变形。对于软弱地层，地表沉降可自动消除环向建筑空隙，有利于约束管片上浮。然而对于硬岩施工，管片脱出盾尾后，由于岩层较为稳定，若同步注浆不及时填充空隙，就会出现管片上浮现象。
        2.3衬砌背后注浆质量
        对管片衬砌结构进行壁后注浆时，随着注浆压力提高上浮现象也逐渐明显。衬砌背后注浆主要目的有三：一是防止地层变形，二是确保管片受力均匀和变形的稳定，三是提高隧道的抗渗性。及时填充管片背后环形建筑空隙是解决管片位移的关键。管片脱出盾尾后，管片一边受到盾尾的约束不能上浮，另一边受到凝固的壁后注浆的约束也不能上浮。管片脱出盾尾后，若同步注浆压力不足或者注浆强度不能达标，管片在浆液浮力作用下仍会产生上浮现象。
        2.4掘进参数及姿态控制
        隧道设计轴线与盾构机轴线存在偏差，此偏差大小与盾构机所受的荷载紧密相关。盾构前进时运动轨迹为蛇形运动轨迹，所以掘进过程需要不断地调整盾构机的姿态，进行纠偏，逐渐靠近隧道设计轴线。盾构施工时掘进参数对管片上浮有较大的影响，特别是掘进速度。掘进速度过快，会造成同步注浆浆液不能及时凝结或者浆液注入量不够，导致同步浆液不能有效填充顶部的建筑间隙，从而使管片上浮的危险性提高。大直径盾构机穿越复杂地层时，盾构机姿态往往较难调整，尤其对于上软下硬地层，常常出现管片上浮现象。
        3.管片上浮的控制措施
        3.1二次注浆与同步注浆
        该盾构区间主要穿越强风化泥岩、中风化泥岩地层，为了保证管片成形质量，需结合施工经验，设定合理的掘进参数，优化渣土改良。基于盾构机特点，同步注浆浆液采用慢凝指标，同时采取水泥－水玻璃双液浆速凝浆液，以控制管片上浮。该浆液在填充性能、初凝时间、早期强度等方面均能达到要求，利于管片与围岩固结成结构整体。结合本工程水文地质条件，配置不同性能双液浆的初凝时间为6～10h。现场实验表明，初凝时间为6h的浆液最早达到强度，抑止管片上浮的效果最佳，但其泵送运输时间较长，运至现场时经常发生管路堵塞，影响施工进展。本工程选用初凝时间为8h的浆液，采用区间衬背注浆，通过管片注浆孔注入双液浆，施工中未出现管片上浮现象。
        3.2盾构机姿态控制
        对盾构机姿态调整可以有效控制隧道轴线，若控制不到位，势必造成频繁纠偏，隧道成型不均匀，管片上浮的空间增加。盾构掘进时需要精确控制，以降低盾构偏移量。随着盾姿的不断调整，管片衬砌结构中心线就会呈现顺滑曲线。盾构姿态调整不能大幅度纠偏，否则会产生较大空隙。在施工过程中，要本着“勤量测、及纠偏、微调整”的原则进行。为确保盾构机掘进姿态平稳，本工程采用的每环纠偏量应控制在3mm以内。
        3.3掘进速度控制
        盾构区间隧道强、中风化泥质砂岩的围岩强度不高，正常时掘进速度很快。掘进速度过快，会造成同步及二次注浆施工不及时，导致管片建筑空隙填充质量差，从而使管片上浮。经过现场试验确定，泥岩中盾构机推进速度每班不超过5环，砂卵石地层中每班不超过6环，时间控制在2～2.5h。
        4效果检测
        采取上述一系列处理措施之后，经现场监测表明，管片上浮得到了很好的控制，针对强风化至中风化粉砂质泥岩第58～65环管片上浮量监测如图2、图3所示。

图2时间-上浮量变化图

        图3时间-上浮速度变化图
        结束语
        综上所述，管片上浮因素主要为工程水文地质条件、管片与围岩建筑空隙、衬砌背后注浆质量、盾构掘进参数及姿态控制。施工时，要根据施工围岩条件，结合盾构机掘进时的各种参数及管片上浮量，进行总结分析。由现场监测可知，管片上浮大多发生在浆液初凝时间之内，初凝后上浮量逐渐减小，最终趋于稳定值。上浮速度随着时间的增长逐渐降低，采取措施后最终上浮量基本控制在6～12mm间。
        参考文献：
        [1]苏斌，苏艺，江玉生.北京典型地层盾构适应性对比与施工关键技术[M].北京：人民交通出版社，2013
        [2]李鹏.面向生态城市的地下空间规划与设计研究及实践[D].上海：同济大学，2008：7-15