郭茶發(fā)

（中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司 福建福州）

盾構(gòu)在長距離板巖地層掘進(jìn)過程中的管片上浮原因分析及對策

郭茶發(fā)

（中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司 福建福州）

通過對長沙地鐵1號線2標(biāo)北辰三角洲站～開福寺站區(qū)間內(nèi)板巖地段的監(jiān)測與分析得出，盾構(gòu)在板巖地層掘進(jìn)過程中的管片普遍存在上浮現(xiàn)象，通過施工過程中分析總結(jié)，采取相應(yīng)措施可減少在該類地層下管片的上浮。

地鐵施工；管片；板巖地層；抗浮措施

前言

目前在地鐵管片施工過程中，管片上浮多出現(xiàn)在軟土地層及復(fù)合地層中，管片上浮量較大。在盾構(gòu)隧道中管片上浮控制是確保隧道線型符合設(shè)計要求和管片建筑限界的關(guān)鍵，如若無法控制管片上浮問題，就會出現(xiàn)管片裂縫、破損乃至整體軸線偏移等問題，影響工程質(zhì)量，帶來工程隱患，增加工程造價。本文結(jié)合長沙地鐵1號線北辰三角洲站～開福寺站區(qū)間盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)穿越近85%總長度板巖地層的實例，針對在施工過程中出現(xiàn)管片上浮情況，從多方面查找原因并進(jìn)行分析，制定相應(yīng)的控制措施。

1 工程概況

長沙地鐵1號線2標(biāo)北辰三角洲站～開福寺站區(qū)間，線路出北辰三角洲站后沿規(guī)劃縱二路向南行進(jìn)，下穿湘江二橋東引橋，沿規(guī)劃黃興北路繼續(xù)向南行進(jìn)，到達(dá)開福寺路與規(guī)劃黃興北路交叉路口南面的開福寺車站。區(qū)間右線長1394.6m，左線長1385.758m。區(qū)間縱斷先以1.8%的坡度下坡，然后再以0.7105%到達(dá)湘江二橋東引橋，出湘江二橋后以1.9%的坡度上坡到達(dá)開福寺車站，區(qū)間覆土厚度約為8.6～21.2m。

2 工程及水文地質(zhì)條件分析

2.1 工程地質(zhì)

本區(qū)間地貌單元為湘江河的Ⅰ～Ⅱ級階地，地面標(biāo)高變化30.60～36.20m。根據(jù)野外鉆探情況，本勘察范圍土、巖層從新到老主要有全新統(tǒng)人工填土層、全新統(tǒng)～上更新統(tǒng)沖積層、殘積層、白堊系砂礫巖、元古界板巖各風(fēng)化帶巖石。北辰三角洲站～開福寺站區(qū)間盾構(gòu)穿越全斷面板巖的地質(zhì)占60%，隧道底部為板巖的地層占85%。

2.2 水文情況

本區(qū)間周邊地表水發(fā)育，西邊距湘江河0.5km，地形較平坦，本區(qū)間基巖裂隙水主要含水層為強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖層，滲透系數(shù)k＝0.80m/d、強(qiáng)～中風(fēng)化板巖層，滲透系數(shù) k＝0.08～0.20m/d，屬弱透水性地層。

3 管片上浮的環(huán)境特征

（1）從地層地質(zhì)情況來看，管片在強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖、微風(fēng)化板巖地層容易上浮，且地層越硬上浮情況越嚴(yán)重。

（2）從線路特征來看，在變坡點、上坡段、反坡點，尤其是在豎曲線的最低點，管片上浮比較嚴(yán)重。

（3）從管片上浮的速率和快慢來考慮，在開始上浮的第一天，數(shù)值一般可以達(dá)到穩(wěn)定值的2/3，第二天上浮值為穩(wěn)定值的1/4～1/3，到第三天、第四天管片就不再有上升的趨勢，逐步穩(wěn)定下來。

（4）從其他方面，比如注漿不飽滿且水大時；上下千斤頂推力差過大時；螺栓未擰緊時；受漿液性質(zhì)的影響時；管片由于螺栓的影響而自身帶有的特性等都或多或少的會引起管片的上浮。

4 管片上浮原因分析

針對我部在長沙地鐵1號線北辰三角洲站～開福寺站區(qū)間長距離穿越板巖地層的施工實例，從以下幾個方面對管片的上浮情況加以分析。

4.1 盾構(gòu)工法特性的影響

本工程選用的是由鐵建重工生產(chǎn)的ZTE6250型盾構(gòu)機(jī)，其刀盤開挖直徑為6280mm，管片外徑為6000mm，為此管片外側(cè)與土體之間存在140mm的環(huán)形間隙，但受管片自重的作用，底部與土體的間隙接近為零。盾構(gòu)機(jī)在板巖地層掘進(jìn)中，管片脫出盾尾后，圍巖自穩(wěn)效應(yīng)好，拱頂土體全部塌落到管片結(jié)構(gòu)需要一定時間和過程，如管片外側(cè)空隙未及時填充，則脫出盾尾的管片周圍處于無約束的地下水的包圍狀態(tài)，給管片的位移提供了可能的條件。盾構(gòu)隧道是空心的筒體，在混凝土自重作用下有下沉的趨勢，但在全斷面地下水壓力作用下，防水性能優(yōu)良的襯砌隧道則有上浮的趨勢。以本區(qū)間盾構(gòu)隧道外徑6.0m、內(nèi)徑5.4m、寬1.5m的管片為例：

管片混凝土自重：G＝ρ×g×Vc＝2400×9.8×8.06≈189.6（kN）（1）

水浮力：F＝ρw×g×V＝1000×9.8×42.39≈415.4（kN）（2）

式中：混凝土比重ρ為2400kg/m3，管片混凝土方量Vc約為8.06m2，一環(huán)管片所占空間體積V約為42.39m3。

根據(jù)計算所得，可見管片混凝土自重G小于水浮力F，而板巖地層拱頂有較好的自穩(wěn)性，土體施加在管片結(jié)構(gòu)上需要時間，這就解釋了在拼裝管片初期為何隧道上浮位移發(fā)展快的原因。

4.2 同步注漿砂漿配合比對管片上浮的影響

根據(jù)施工所得經(jīng)驗表明，如果配置的漿液無法保證盾尾后5環(huán)的管片壁后間隙得以完全充填并快速形成早期強(qiáng)度，使隧道與周圍土體形成穩(wěn)定的整體構(gòu)造物，則在漿液為凝固的階段可將注漿層仍看作液體，管片環(huán)完全浸泡在溶液中。根據(jù)阿基米德定律，處于漿液的襯砌環(huán)受到的浮力F大于管片自重G，當(dāng)管片環(huán)受到的浮力遠(yuǎn)大于自身重力，在豎直向上力的作用下，管片會產(chǎn)生豎直向上運動的趨勢。

4.3 同步注漿量對管片上浮的影響

由于管片外側(cè)與開挖土層存在140mm的環(huán)形建筑空隙，如果注漿不飽滿，管片外側(cè)與土層之間的間隙沒有及時有效地充填，就必然出現(xiàn)管片上浮的空間。

在同步注漿不飽滿時，地層土軟硬不同，產(chǎn)生的管片上浮情況也不同。一般情況下，軟地層不容易上浮，而硬地層卻有空間導(dǎo)致管片上浮。這是因為在掘進(jìn)過程中，對于軟地層，上部松軟地層土的自穩(wěn)性差，會因為自重、存在空隙而有相對的下沉，從而使因注漿不飽滿造成的管片和土層之間的剩余空隙基本消失。硬地層由于自穩(wěn)能力強(qiáng)，完整性好，能很好的控制自身沉降。再者同步注漿采用凝結(jié)時間為5～7h的砂漿，使管片有足夠的上浮空間和時間，且地層越硬，管片上浮的情況越嚴(yán)重。

4.4 總推力豎向分力對管片上浮的影響

總推力豎向分力受管片設(shè)計坡度、盾構(gòu)機(jī)俯仰角、總推力等因素影響，千斤頂豎向分力按下式計算。Fy＝F總×sin（θ1+θ2）式中，F(xiàn)總為千斤頂總推力；F豎為千斤頂豎向分力；θ1為盾構(gòu)俯仰角；θ2為管片設(shè)計坡度。如圖1所示，為總推力反力豎向分力示意圖。

由圖1及公式可知，隨著總推力增大，豎向分力也增加；當(dāng)盾構(gòu)仰角向下越大時，向上的豎向分力也隨之增大；當(dāng)管片坡度向下增大時，向上的豎向分力也隨之增大，為此，隨著總推力豎向分力的增大，管片上浮的幾率也隨之增大。

圖1 總推力反力的豎向分立示意圖

4.5 其它影響因素

除上述主要影響板巖地層中管片上浮的因素外，還包含有其它的原因如下：

（1）土層軟硬不均，包括軟硬交接面的傾斜度、長度、上覆土層情況等都能影響管片的上浮，尤其在上軟下硬地層中，管片上浮情況最為嚴(yán)重；

（2）管片拼裝完成后螺栓未及時緊固，導(dǎo)致前后管片連接未形成整體；

（3）測量不及時，導(dǎo)致后續(xù)相應(yīng)的措施滯后；

（4）管片拼裝點位選擇不恰當(dāng)。

5 管片上浮的控制措施

5.1 調(diào)整同步注漿材料配比

采用同步注漿工藝對管片外側(cè)進(jìn)行漿液填充后，由于漿液材料存在時效性，隨著漿液強(qiáng)度的形成和漿液初凝，注漿層會逐漸起到穩(wěn)定管片的作用，而同時注漿層未凝結(jié)到一定強(qiáng)度以前會存在對管片的浮力，引發(fā)管片上浮。為此，本項目在施工過程中通過采用不同砂漿的配合比，調(diào)整漿液的凝結(jié)時間以控制管片的上浮。本項目在水量較小的地層掘進(jìn)中采用表1配合比，在水量較大的地層掘進(jìn)中采用表2配合比。

表1 同步注漿砂漿配合比（M2.5）

表2 同步注漿砂漿配合比（M5）

在施工過程中，我項目通過控制不同點位的注漿壓力變化可以起到管片抗浮的目的，當(dāng)管片上浮量較大時，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，可控制同步注漿操作中注漿點位和注漿壓力，使用管片上半側(cè)的注漿點位注漿時，采用該位置靜止土壓力1.1～1.2倍的注漿壓力，而管片下半側(cè)的注漿點位則少注或不注，從而減小管片上浮的趨勢。

5.2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制

（1）盾構(gòu)推進(jìn)油缸分區(qū)控制

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，千斤頂總推力受開挖面水土壓力、盾殼外側(cè)摩擦阻力等因素的影響，而水土壓力和摩阻力受埋深、土性因素影響，故總推力要與地層相匹配，不可過度調(diào)節(jié)其大小。隧道線型在設(shè)計階段已經(jīng)確定，故在總推力和設(shè)計坡度不可控時，可控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)來影響總推力豎向分力的變化。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制

根據(jù)掌握地面地層情況及盾構(gòu)檢測裝置反映的數(shù)據(jù)及時調(diào)整推進(jìn)參數(shù)及推進(jìn)方向，避免引起更大的偏差，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)蛇形運動時，應(yīng)以長距離慢慢修正為原則，做到糾偏及時、連續(xù)、不過量，研究猛糾猛調(diào)，并且要注意避免糾偏時由于單側(cè)千斤頂推力過大對管片造成的破損，保證拼裝后的管片軸線偏差滿足規(guī)范要求。

（3）控制掘進(jìn)速度

為保證管片外側(cè)同步注漿質(zhì)量，盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制需要與漿液的有效初凝固結(jié)時間相匹配，如無法達(dá)到良好的固結(jié)效果，需要適當(dāng)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)速度，采取勻速緩慢推進(jìn)，速度控制在30mm/min，保證管片外側(cè)空隙注漿飽滿，避免形成空隙后漿液被地下水沖刷、稀釋后漿液性能降低。

（4）盾構(gòu)掘進(jìn)軸線控制

在上述抗浮措施均采取后，但管片仍發(fā)生較大上浮時，可采取保證隧道實際掘進(jìn)軸線在隧道設(shè)計軸線以下一定高度的措施。在本區(qū)間隧道推進(jìn)中，項目技術(shù)人員根據(jù)統(tǒng)計的管片拼裝后上浮經(jīng)驗值，將盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)軸線高程降至設(shè)計軸線下50mm，以此來抵消管片襯砌后期的上浮量，使隧道中心軸線近可能地接近設(shè)計軸線。

5.3 加強(qiáng)螺栓復(fù)緊

為提高管片整體抗拉浮能力，需要加強(qiáng)對管片螺栓連接的復(fù)緊工作，為此，本項目在施工過程中要求三次緊固來實現(xiàn)：在盾殼內(nèi)（拼裝時）進(jìn)行第一次緊固；脫離盾尾后進(jìn)行第二次復(fù)緊；進(jìn)入1號臺車前進(jìn)行第三次復(fù)緊。

5.4 加強(qiáng)施工監(jiān)測

為嚴(yán)格控制好管片施工過程中的上浮，實施過程中做到每天對盾尾10～15環(huán)管片復(fù)測一次，當(dāng)發(fā)現(xiàn)管片上浮時，加緊管片測量頻次，可以每5環(huán)測一次或者每2環(huán)測一次。同時設(shè)立警戒值，當(dāng)管片上浮的速率＞30mm/d，可視為警戒，當(dāng)管片上浮的速率＞50mm/d，立即停機(jī)，實施二次注漿，并對下階段的掘進(jìn)采取必要的糾偏措施。

6 結(jié)語

本文通過長沙地鐵1號線北辰三角洲站～開福寺站區(qū)間長距離穿越板巖地層的工程實例，得出管片上浮并不是只由其中一個因素獨立產(chǎn)生的，而是一個各方面共同作用下的結(jié)果。為此，本項目針對前期出現(xiàn)的管片上浮，分析總結(jié)的管片上浮的原因，針對所處工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，分別從漿液配合比及注漿壓力控制、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制、施工監(jiān)測以及管片上浮后的處理等方面提出控制管片上浮的措施，為今后類似工程施工提供借鑒。

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U455.43

A

1673-0038（2015）49-0249-02

收稿日期：2015-11-2