段榮剛

（中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司，河南洛陽 471002）

0 引言

目前，中國已成為盾構(gòu)法隧道的建設(shè)大國，超大直徑盾構(gòu)隧道施工技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于我國公路、鐵路、城市軌道交通等建設(shè)領(lǐng)域。隨著城市化進程的發(fā)展及交通需求的迅猛增長，在隧道工程中選擇超大型盾構(gòu)法已成為一種必然趨勢。隧道斷面形式的日趨多元化，可以滿足單層3 車道、雙層4/6 車道或公路軌道交通疊層的要求，可進一步推動該工程技術(shù)的發(fā)展，逐步實現(xiàn)大深度和大斷面以及長距離的趨勢[1]。珠海橫琴島屬于軟土地質(zhì)，地下廣泛分布著軟黏土沉積層，具有地層適應(yīng)性問題，超大直徑盾構(gòu)機在該地層中掘進時將面臨地面沉降、刀盤結(jié)泥餅、管片上浮等一系列難題。

1 工程概況

橫琴杧洲隧道工程位于橫琴一體化區(qū)域，隧道穿越馬騮洲水道，北岸接洪灣片區(qū)，南岸接橫琴島。主體為雙管單層雙向六車道盾構(gòu)隧道。盾構(gòu)隧道投入一臺開挖直徑15.01m 泥水平衡盾構(gòu)機，左線盾構(gòu)段長944.98m，右線盾構(gòu)段長978.311m。盾構(gòu)隧道管片設(shè)計通用環(huán)管片，外徑14.5m，內(nèi)徑13.3m，環(huán)寬2m，厚0.6m。管片采用10 分塊，1 封頂塊+2 鄰結(jié)塊+7 標準塊。中間箱涵分為A 型、B 型兩種箱涵型式，每節(jié)中間箱涵寬5m，高4.52m，長2m，B 型中間箱涵側(cè)墻預(yù)留1000×2100mm 門洞作為疏散和檢修門洞。

盾構(gòu)主要穿越淤泥、黏土、粉質(zhì)黏土，局部涉及碎石質(zhì)粉質(zhì)黏土、全風化砂巖、強風化砂巖（入隧道約3m 左右）。導(dǎo)致地表塌陷地質(zhì)災(zāi)害的主要是一些特殊的巖土，如填土和軟土。場地內(nèi)填土成分混雜，厚度、均勻性和密實度差異大，附加荷載作用下易誘發(fā)差異沉降；南岸填筑時間不長，填土厚度較大，沉降穩(wěn)定時間較長，尤其是軟黏土厚度較大區(qū)域。軟土為淤泥，呈流塑狀，分布連續(xù)，具有孔隙比大、強度低和壓縮性高等不良工程特性，軟土受到外加載荷和地震的影響，會發(fā)生觸變或震陷一類的變形，進而引起地質(zhì)災(zāi)害，如地表塌陷等，導(dǎo)致路面變形破壞。

2 管片上浮情況

該項目盾構(gòu)區(qū)間掘進至30 環(huán)時，測量人員對已成型隧道管片進行軸線偏差測量，數(shù)據(jù)顯示，管片水平偏差最大的是第16 環(huán)，偏差為-52mm，垂直偏差最大的是第20 環(huán)，上浮203.6mm（見圖1），根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》（GB 50446—2017），隧道軸線平面位置和高程允許偏差為±150m，垂直偏差已超出規(guī)范要求。同時，管片出現(xiàn)錯臺以及裂縫滲水，裂縫主要集中在管片環(huán)向腰部以上，頂部居多，且多為貫穿性裂縫（見圖2）。

圖1 0-25 環(huán)隧道軸線偏差值折線圖

圖2 管片開裂及滲水現(xiàn)場圖

3 管片上浮原因分析

3.1 地下水

珠海地區(qū)地層含水量豐富，且盾構(gòu)隧道正好位于區(qū)間線路的下坡地段，在下坡段的掘進施工中，由于自身存在向低處流淌的特性，地下水大量匯集于盾構(gòu)機作業(yè)位置。

3.2 反向推力

盾構(gòu)機在下坡區(qū)實施掘進的過程中油缸會產(chǎn)生“斜后方向上”的推力，這種推力按照力學原理會得到分解并形成兩種分力，即橫向和縱向分力。管片會向上移動是受到了垂直分割力的影響，并最終沿高程方向浮動，即上浮現(xiàn)象。

3.3 同步注漿的作用

同步注漿的基本原理是隧道與盾體之間的間隙在實施注漿后被填充，管片與周邊土壤形成了穩(wěn)固的復(fù)合結(jié)構(gòu)整體，進而共同抵御外界的沖擊[2]。理論上，必須完全地填充管片背面間隙。但一般情況下，泥漿往往是失水固結(jié)，在盾構(gòu)推進過程中，由于殼體與土壤的關(guān)系，使得開挖斷面比盾構(gòu)的直徑大，同時會有一些漿液向周邊地層中劈開，致使實際注漿比理論注漿量多，而且這個數(shù)值很難把握，容易出現(xiàn)不飽和現(xiàn)象；另外一個主要原因是，惰性漿液是我國目前同步注漿的普遍選擇，這種漿液初凝時間長，地下水很容易將其稀釋。所以，在某種程度上，泥漿強度低不僅無法對管片產(chǎn)生限制，反而會產(chǎn)生上浮力。

3.4 掘進速度

盾構(gòu)推進速度如果過快，會導(dǎo)致盾構(gòu)通過區(qū)域的地層不穩(wěn)定，注漿漿液不能及時凝結(jié)，使管片上浮的危險性提高。

4 應(yīng)對措施及處理技術(shù)

分析了管片上浮和位移的原因后，應(yīng)根據(jù)不同的上浮機理制定相應(yīng)的處理辦法。但如前文所述，很多時候管片上浮是各種原因共同作用的結(jié)果，因此針對每一項問題制定出解決辦法后，還應(yīng)采取綜合利用的手段，如此才能確保達到最佳的處理效果。

4.1 同步注漿

同步注漿要合理選擇注漿孔位及注漿參數(shù)[3]。根據(jù)以往盾構(gòu)施工所獲經(jīng)驗，為降低管片上浮率，可以選擇提升注漿壓力和注漿量。注漿時，只注上、中部注漿孔，位于下部的兩孔可以不注漿。2∶1 或2∶0 的注漿方式（上部∶中部）是整環(huán)管片的最佳注漿模式。一般情況下，同步注漿壓力為土倉的1.1～1.2 倍。漿液性能指標必須滿足如下條件：第一，3～5 小時必須初凝，4～12 小時必須終凝；第二，24 小時固結(jié)體的抗壓性一般不應(yīng)小于0.3MPa，28 天固結(jié)體的抗壓性不應(yīng)小于2.5MPa；第三，固結(jié)率大于95%，固結(jié)收縮率小于5%；第四，漿液在地下水壓力作用下的防水稀釋性能較好；第五，漿液靜止后無沉淀、離析現(xiàn)象。

注漿速度對漿液的滲透和固結(jié)有直接影響，從而對管片上浮有較大影響。應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)的推進速度確定注漿速度，注漿速度要匹配盾構(gòu)推進速度，同時確保同步注漿量充足。理論上，同步注漿量為將盾尾建筑空隙填滿，但一些因素必須考慮到，如盾構(gòu)推進過程中的糾偏、漿液滲透（與地質(zhì)條件有關(guān)）以及注漿材料固結(jié)收縮等。根據(jù)該盾構(gòu)區(qū)間段的地質(zhì)及管片上浮情況，注漿量通常是理論注漿量的1.2～1.5 倍（現(xiàn)場同步注漿量統(tǒng)計見圖3）。

圖3 現(xiàn)場同步注漿量統(tǒng)計

注漿量計算：

式（1）中：λ 為注漿率（一般取120%～150%）；V 為盾構(gòu)施工引起的空隙，m3。

式（2）中：D 為盾構(gòu)切削外徑，m，（削切外徑15.01m）；d 為預(yù)制管片外徑，m，（預(yù)制管片外徑14.5m）；L 為回填注漿段長，即預(yù)制管片每環(huán)長度（預(yù)制管片每環(huán)寬2m）。

根據(jù)式（1）、式（2）計算：

Q =(15.012 - 14.52)/4×π×2×(120%～150%)=28.35～35.45m3

即注漿量為28.35～35.45m3/環(huán)（2m）。

4.2 二次注漿

當發(fā)現(xiàn)管片上浮量較大時，必須立即對成型的隧道管片采取補壓漿措施，以防止泥水流失。在同步注漿的基礎(chǔ)上，每隔5 環(huán)進行二次注漿，使隧道縱向形成間斷的止水隔離帶，以減緩、制約管片上浮，從而控制管片上浮。二次注漿量的控制根據(jù)注漿壓力和管片變形確定，一般為2～3m3，注漿壓力為3.5～6.5bar，二次注漿位置距離盾尾不小于5 環(huán)。二次注漿采用水泥水玻璃雙液漿，初凝時間為25s。

4.3 控制盾構(gòu)機姿態(tài)

在盾構(gòu)機掘進過程中，由于蛇形運動和下坡推進過度，會導(dǎo)致頻繁糾偏，糾偏過程中管片環(huán)面受力不均勻[4]。因此，在掘進過程中需要有效控制盾構(gòu)機的姿態(tài)，使其最大限度地沿隧道軸線做蛇形移動，在掘進過程中，當檢測到偏差時，應(yīng)逐步修正，以避免管片環(huán)面因人為原因出現(xiàn)受力不均衡現(xiàn)象。同時對各區(qū)域千斤頂油壓進行合理調(diào)整，使油壓差保持在合理水平，與盾構(gòu)中心線相對稱區(qū)域的千斤頂油壓差不超過5MPa，其伸出長度差不超過12cm。在掘進時，預(yù)留一定的上浮量，適當降低盾構(gòu)機的垂直姿態(tài)，將盾構(gòu)機中端的垂直姿態(tài)控制在0mm 以下（見圖4）。

圖4 盾構(gòu)姿態(tài)示意圖

4.4 控制掘進速度

當同步注入漿液時，如果漿液對管片不能發(fā)揮快速有效的固結(jié)和穩(wěn)定作用，則應(yīng)適當控制盾構(gòu)掘進速度，通常采用緩慢推進的方式，推進速度不得超過30mm/min，確保管片脫離盾尾時形成的空間量與注漿量之間的平衡，并盡量避免地下水稀釋注入的漿液，使?jié){液性能降低。

5 效果檢查

在盾構(gòu)掘進過程中采取上述技術(shù)措施，管片上浮量得到了一定的控制，圖5 為76～90 環(huán)管片軸線偏差折線圖，從圖中可以看出管片上浮量最大為44.8mm。

圖5 76～90 環(huán)隧道軸線偏差值折線圖

6 結(jié)語

通過研究該工程的管片上浮現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)隧道管片上浮與多種因素密切相關(guān)，包括水文地質(zhì)、盾構(gòu)掘進參數(shù)和同步注漿量等。因此，采取調(diào)整漿液的配比和注漿量、合理設(shè)定掘進參數(shù)、盾構(gòu)機垂直姿態(tài)降低，以及在上浮現(xiàn)象發(fā)生后及時二次注漿，可有效控制管片上浮，為后續(xù)盾構(gòu)區(qū)間的施工質(zhì)量提供保障，且能為其他施工單位在類似地質(zhì)條件下實施大直徑盾構(gòu)施工提供一些參考。