摘 要：文章通過對寧波市軌道交通1號線澤民站～大卿橋站區(qū)間盾構推進及管片拼裝完成后脫出盾尾出現(xiàn)的管片上浮現(xiàn)象進行規(guī)律分析和總結，并針對寧波及華東地區(qū)軟土地層下盾構推進的特點，對管片上浮提出針對性的控制技術措施，為寧波軌道交通后續(xù)線路的建設提供一

前言

近年來在我國華東地區(qū)地鐵建設中，盾構管片在施工階段的上浮問題[1-4]日趨突出。管片的上浮問題主要由于隧道在地層中失去抗浮能力所致，它受同步注漿、盾構工法特性、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)、盾構姿態(tài)和線路走向等因素影響[5][6]。寧波地鐵1號線澤～大區(qū)間在施工階段上浮量最大達到7cm。文章結合澤～大區(qū)間管片上浮的工程實例，從盾構工法特性、同步注漿等方面著手，重點對盾構掘進過程中管片上浮現(xiàn)象的機理、原因及控制技術進行分析研究，為軟土地區(qū)盾構施工提供一些建議。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

澤～大區(qū)間右線長度為895.916m；左線長度為896.324m。區(qū)間隧道縱斷面采用“V”字坡的設計，最大坡度為28‰，隧道頂部埋深10～20m，最小平面曲線半徑為1500m。區(qū)間設置聯(lián)絡通道兼泵房一處。

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

澤～大區(qū)間穿越的土層中主要為②2-2層灰色淤泥質(zhì)粘土、③2層粉質(zhì)粘土、④1-1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，其壓縮性高、含水量高、孔隙比大、強度低、穩(wěn)定時間長，在動力作用下極易產(chǎn)生流變、觸變現(xiàn)象，周圍土體容易變形，如果施工措施不當，極易造成管片上浮和地面沉降。

本場地淺部地下水屬潛水類型，在施工中沒有特別注意的問題。

2 盾構隧道管片上浮觀測

寧波市軌道交通1號線一期工程盾構隧道于2010年逐漸開始進行施工，在其余標段推進中，均不同程度的存在管片上浮，造成隧道線形不符合設計要求、隧道管片出現(xiàn)錯臺、破損，甚至造成成型隧道侵限。鑒于管片上浮給盾構區(qū)間隧道軸線質(zhì)量帶來的嚴重后果，技術人員及時組織施工、監(jiān)測、測量人員對管片上浮規(guī)律進行實時跟蹤觀測，結合現(xiàn)場工況進行上浮機理分析，并制定解決措施。

2.1 現(xiàn)場跟蹤觀測成果

由于寧波地鐵1號線盾構隧道在該類型地質(zhì)條件下為首次施工，對盾構管片在寧波特殊地質(zhì)條件下上浮等問題認識不夠，導致在隧道推進前期個別區(qū)間管片上浮量超標，引起了管理單位的高度重視。鑒于本區(qū)間始發(fā)推進之前其他標段盾構已經(jīng)出現(xiàn)上浮，且已超過盾構施工的允許值，故本區(qū)間盾構施工初期即著手進行管片上浮現(xiàn)象的跟蹤測量。

在始發(fā)至第25環(huán)之前的觀測結果表明管片上浮量幾乎可以不計，該段范圍內(nèi)管片只是在盾尾完全進入洞門密封且完成注漿后出現(xiàn)少量的上浮，如19環(huán)最大上浮兩僅為10mm。在第25環(huán)之后開始再次觀測，發(fā)現(xiàn)管片開始出現(xiàn)不同程度的上浮，如30環(huán)最大上浮已經(jīng)達到了33mm，最大的48環(huán)上浮量達到了67mm。

2.2 觀測成果數(shù)據(jù)分析

（1）上浮現(xiàn)象分區(qū)段進行分析。根據(jù)實際測量成果，管片上浮在加固區(qū)、剛出加固區(qū)及完全脫離加固區(qū)的三個階段上浮量不同，經(jīng)分析認為：前10環(huán)管片處于加固區(qū)內(nèi)，土體的強度及含水量均發(fā)生了變化，管片在該類型土體的“包裹”下發(fā)生位移的能力受到了約束，同時，管片之間采用螺栓連接且錯縫拼裝，前10環(huán)管片的相對穩(wěn)定對后面10-25環(huán)管片起到了一個“牽制”作用，后面10-25環(huán)管片雖然處于②2-2層淤泥質(zhì)粘土層中，但上浮量明顯較??；從25環(huán)以后的管片受到的加固區(qū)管片的“牽制”力明顯減弱，在淤泥質(zhì)地層中與同步注漿的共同作用下出現(xiàn)較大上浮。

（2）管片上浮動作出現(xiàn)具體時機分析。在此之前各個標段并未對上浮的具體數(shù)據(jù)和時機進行定量的觀測和分析，推進初期也只是通過以往的經(jīng)驗分析其上浮具體時機，故觀測頻率在推進初期為1次/天，但經(jīng)過幾天的觀測分析后認為，該觀測頻率無法準確反映管片的具體上浮時機，應將觀測頻率加密。故觀測頻率由1次/天加密到1次/小時，甚至有部分時間段內(nèi)監(jiān)測頻率為1次/30分鐘，即本環(huán)管片安裝完成即進行測取初始值，待其脫出盾尾后再測取變化量，經(jīng)過這樣緊密的實施觀測，初步掌握了寧波地質(zhì)條件下的管片上浮時機及規(guī)律。

由圖1、圖2、圖3可以準確反映出管片上浮最大值是在拼裝完成后脫出盾尾的2小時內(nèi)，在這個時間段內(nèi)拼裝完成的管片有個“突變”的動作，一般該突變引起上浮在30～40mm，在隨后的推進施工過程中，隨著同步注漿漿液的逐漸穩(wěn)定，管片上浮數(shù)據(jù)趨于平緩，但總體趨勢仍然為上浮，該階段時間持續(xù)相對較長，一般為6～8小時，在該時間段后管片上浮量達到峰值，另外，由于在該時間段內(nèi)同步注漿漿液也開始初凝，也使管片得到基本穩(wěn)定。該階段內(nèi)上浮量一般為20mm～30mm。

3 盾構隧道管片上浮的影響因素分析

3.1 盾構工法影響

為保證盾構正常掘進和管片拼裝，其開挖直徑D與隧道襯砌管片的外徑d有一定的建筑間隙，這樣在隧道洞身內(nèi)壁與管片外徑間存在建筑間隙Δ=（D-d）/2。

盾構隧道是空心的筒體，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，管片則有上浮的趨勢，以本區(qū)間盾構隧道外徑6.2m、內(nèi)徑5.5m、環(huán)寬1.2m的管片為例說明如下：

管片混凝土自重：G=ρ×g×Vc=2400×9.8×7.8≈184（KN）（1）

水浮力：F=ρw×g×V=1000×9.8×36.2≈355（KN） （2）

式中：混凝土比重ρ取為2400kg/m3，管片混凝土方量Vc約為7.8m3，一環(huán)管片所占空間體積V約為36.2m3。由式（1）、式（2）可見管片混凝土自重G遠小于水浮力F，而拱頂土體施加在管片結構上需要時間，這就解釋了拼裝管片在脫出盾尾的2小時內(nèi)為何管片上浮位移發(fā)展快。

另外盾構機的重量主要集中在盾構前體，由盾尾至后配套臺車間基本無荷載，管片脫出盾構后失去了約束，同時還受到周圍土層及同步漿液的作用，出現(xiàn)較大的上浮。

3.2 同步注漿工藝

從盾構機掘進到管片脫出盾尾后的工況分析來看，隧道管片在一定長度范圍內(nèi)就象兩端固定的彈簧梁，一端受到盾尾的約束不能上浮，另一端受到已凝固水泥砂漿固體的約束也不能上浮。這時，如果管片脫出盾尾后（一般情況2～3環(huán)），同步注漿的漿液不能達到初凝和一定的早期強度，隧道管片仍然可視為浸泡在液體之中，在浮力的作用下必然會產(chǎn)生上浮現(xiàn)象。

本區(qū)間隧道同步注漿量、注漿壓力的選定依盾構推進的理論建筑孔隙V1計算：

V1=π（R2-r2）×L+V2=1.82（m3） （3）

公式中：R為盾構外半徑（3170mm）；r為管片外半徑（3100mm）；L為管片環(huán)寬（1.2米）；V2為盾殼外4根注漿管肋總體積，根據(jù)本盾構機結構形式，V2取0.16m3。

按照以往工程實踐，注漿時實際注漿量應為理論空隙體積的130～200%，在本區(qū)間采用180%（1.82×180%=3.3m3），注漿方量的增加直接導致管片上浮力的增大，從而加劇了管片的上浮。

本區(qū)間隧道同步注漿漿液采用惰性漿液，其主要成分為砂、粉煤灰、膨潤土和水（見表1），24h強度很低，在富水軟土地層中，惰性漿液初凝前易被稀釋，無法約束管片，相反提供了上浮力；另一方面，盾構機掘進震動和隧道內(nèi)電瓶車震動下，未凝固的漿液材料很可能被擠到隧道底部或地層其他間隙，進一步加劇了隧道上浮。

3.3 其他因素

盾構隧道管片的上浮還受到盾構施工過程中的蛇形糾偏、盾構隧道設計縱向坡度、隧道埋深等因素的影響，但影響較小。

盾構推進過程中，要通過不斷調(diào)整各分區(qū)油缸千斤頂?shù)耐屏碜尪軜嫏C運動中不斷逐漸靠近隧道設計軸線。在糾偏和擬合設計縱破坡的過程中，千斤頂上、下分組油缸的推力必然出現(xiàn)差值，從而加劇了管片上浮。

根據(jù)西南交通大學的肖明清[7][8]等人的研究，在其他條件不變的情況下分別取覆土厚度h為8m、10m、12m、15m、20m和30m共6種工況進行計算，根據(jù)計算結果，相對覆土厚度h/D（D為隧道外徑）對地表位移和隧道上浮的影響如圖4所示。由圖可知，隨著覆土厚度的增加，地表隆起和隧道上浮都逐漸減小。

4 盾構隧道管片上浮控制及處理措施

4.1 上浮控制措施

（1）選擇適當?shù)臐{液類型。在含水軟土地層中，解決管片上浮問題實質(zhì)上是同步注漿穩(wěn)定管片與管片上浮在時間上的競賽。那么，在漿液性能上的選擇唯有雙液瞬凝性漿液能徹底解決管片上浮的問題，但雙液漿極易堵管。另外，根據(jù)上海地區(qū)相關的施工經(jīng)驗，可以采用新型單液漿（俗稱“厚漿”）對管片壁后建筑間隙進行填充，其基準配合比見表2。

（2）選擇適當?shù)淖{壓力及注漿孔位。根據(jù)管片上浮的規(guī)律值和盾構推進姿態(tài)的關系合理選擇注漿孔位、注漿量和注漿壓力。注漿壓力應為保證足夠注漿量的最小值，一般為0.3～0.4MPa。漿液分配控制為：增大上部兩個注漿管注漿量和注漿壓力，下部兩個注漿管少注甚至可以不注。對于整環(huán)管片來講，上部與下部的注漿量比例為2：1或者2：0。

（3）控制盾構機姿態(tài)。盾構機過量的蛇形運動必然造成頻繁的糾偏，糾偏的過程就是管片環(huán)面受力不均的過程。所以要求在掘進過程中必須要控制好盾構機的姿態(tài)，盡可能地使其沿隧道軸線作小量的蛇形運動。發(fā)現(xiàn)偏差時應逐步糾正，避免突糾。

（4）控制掘進速度。如果同步注漿過程中，漿液不能達到及時有效地固結和穩(wěn)定管片的條件時，應適當控制盾構掘進速度，一般不大于3cm/min，確保管片脫出盾尾時形成的空隙量與注漿量平衡，盡量避免注入的漿液被水稀釋而降低漿液性能。

（5）適當降低盾構機推進時的高程姿態(tài)。在本區(qū)間隧道推進中，技術人員根據(jù)統(tǒng)計的管片拼裝后上浮經(jīng)驗值，在部分較難控制上浮的區(qū)段將盾構機推進軸線高程降至設計軸線下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計軸線。

4.2 上浮后處理措施

根據(jù)目前各個施工案例及相關施工經(jīng)驗[9]來看，管片上浮后要想調(diào)整至設計軸線偏差范圍內(nèi)是極為困難的。因此，一旦發(fā)現(xiàn)管片上浮，必須立即停止盾構掘進，對已上浮的管片通過注漿孔進行二次注漿。注漿材料以瞬凝雙液漿為最好，注漿壓注順序應順著隧道坡度方向，從隧道拱頂至兩腰，最后壓注拱底。

對于上浮段長、上浮量大、超限嚴重的隧道，必須由設計單位進行調(diào)線調(diào)坡來滿足隧道限界的要求。

5 結束語

通過澤民站～大卿橋站區(qū)間隧道管片上浮現(xiàn)象的實時跟蹤監(jiān)測，基本掌握了寧波軟土地質(zhì)條件下盾構隧道管片上浮的基本規(guī)律及具體上浮時機，并根據(jù)其上浮規(guī)律制定了針對性的解決措施，保證了后續(xù)盾構區(qū)間的質(zhì)量，并為后續(xù)施工的2號線總結了寶貴的技術經(jīng)驗，取得了良好的經(jīng)濟技術效益和社會效益。

在對區(qū)間隧道施工過程管片上浮控制中，要對復雜地質(zhì)情況進行分析研究，從中摸索出適應不同土質(zhì)、覆土等條件與之相對應的盾構掘進參數(shù)的變化規(guī)律并及時對其進行動態(tài)優(yōu)化；同時合理地管理注漿作業(yè)，調(diào)整配比和注漿量、注漿壓力，最大可能地控制管片的上浮，使隧道軸線滿足設計規(guī)范要求。

參考文獻

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