淺析泥巖地層中盾構(gòu)施工管片上浮原因及控制措施

董信樂

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250000）

伴隨著盾構(gòu)施工法在我國的興起，盾構(gòu)施工技術(shù)越來越成熟，被不斷的應(yīng)用到各種地層中。在眾多地鐵工程中，盾構(gòu)施工的成型隧道質(zhì)量是業(yè)主方、施工方、監(jiān)理方以及設(shè)計方等多家單位一直關(guān)注的重點，直接關(guān)系到成型的隧道能否投入到地鐵運營中去，以及人民的安全是否能得到有效保障。泥巖地層盾構(gòu)施工中，管片上浮直接導(dǎo)致管片大量錯臺、破損甚至直接影響到成型隧道線型的超限。本文結(jié)合成都地鐵6號線玉雙路站-牛王廟站區(qū)間管片上浮的工程實例，從全斷面泥巖地質(zhì)特性、同步注漿漿液配合比及注漿工藝、盾構(gòu)姿態(tài)控制三個方面，重點對掘進過程中產(chǎn)生的管片上浮現(xiàn)象以及實施的措施及效果進行分析研究。

1 工程地質(zhì)及水文概況

1.1 地質(zhì)概況

玉雙路站-牛王廟站區(qū)間主要穿越地層為5-3中風(fēng)化泥巖，部分為5-2強風(fēng)化泥巖及5-1全風(fēng)化泥巖。

中風(fēng)化泥巖：褐紅色、紫紅色，中厚層狀，泥質(zhì)或微鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)。巖芯多呈柱狀，少量呈碎塊狀，較完整，巖質(zhì)較軟，為極軟巖。軟弱夾層或差異風(fēng)化在部分地段較明顯，易風(fēng)化，遇水易軟化，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類。厚度一般1.50～14.10 m。

強風(fēng)化泥巖：褐紅色、紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，裂隙較發(fā)育，巖芯多呈碎塊狀、短柱狀，巖質(zhì)軟，為極軟巖，巖心碎塊手可折斷。巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類，層厚一般0.70～9.20 m。

全風(fēng)化泥巖：褐黃色、褐紅色、紫紅色夾灰白色，主要由黏土礦物組成，巖質(zhì)極軟，巖芯呈土柱狀，少量碎塊狀。本層沿線廣泛分布，發(fā)育厚度不均勻，層厚0.50～4.60 m，部分地段缺失該層。

1.2 水文概況

根據(jù)成都地區(qū)水文地質(zhì)資料及地下水賦存條件，開挖掌子面地下水主要有三種存在形式：一是充填層上部滯水，二是第四系砂卵石層孔隙潛水，三是基巖裂隙水。第四系砂卵石層的孔隙潛水對工程影響很大。

管片上浮情況統(tǒng)計。2019年7月18日，玉牛區(qū)間左線在盾構(gòu)掘進完成第510環(huán)后，發(fā)現(xiàn)成型管片上浮量較大，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，玉牛區(qū)間左線第496～505環(huán)管片上浮量出現(xiàn)較明顯變化，最大上浮量為108 mm，管片軸線高程位移量為66 mm，出現(xiàn)超限現(xiàn)象。

表1 管片上浮量統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2 管片上浮原因分析

成都地鐵6號線玉雙路站-牛王廟站盾構(gòu)區(qū)間采用兩臺Φ6 280 mm EPB盾構(gòu)機連續(xù)施工，掘進施工中脫出盾尾的成型管片與開挖土體間會有140 mm的間隙，掘進過程中通過同步注漿來填充此間隙，填充效果及漿液凝結(jié)時間是控制管片上浮的重點。

2.1 地質(zhì)條件原因

因為泥巖滲透性差，穩(wěn)定性好，所以盾構(gòu)機在泥巖地層中掘進時，渣土改良中的水和地層水大部分通過盾體與土體之間的間隙匯集到管片壁后，積聚后很容易形成浮力。管片剛脫離盾尾，其壁后的間隙可能馬上會被水包裹，從而更容易形成水浮力。根據(jù)管片結(jié)構(gòu)尺寸可以計算得出一環(huán)管片自重G=192 kN（管片混凝土體積計算為8 m3/每環(huán)），每環(huán)脫出盾尾的成型管片受到的浮力F浮=ρ液gV排=1×10×42.4=424 kN（每環(huán)管片排開水的體積為42.4 m3）。根據(jù)以上兩個數(shù)據(jù)對比分析可見，每一環(huán)脫出盾尾的成型管片受到的浮力遠大于其自重。可見，成型隧道管片在地下水豐富的全斷面泥巖地質(zhì)條件下，管片自身存在上浮的趨勢。

2.2 同步漿液質(zhì)量

土壓平衡盾構(gòu)機掘進中同步注漿的目的是防止地面沉降，保證管片（管片位移）的穩(wěn)定性和應(yīng)力的均勻性，提高隧道的抗?jié)B性。為滿足這三個要求，同步漿液的性能要求應(yīng)滿足：（1）填充性能良好；（2）漿液具有流動性、保水性和黏聚性以及較少的離析性；（3）初凝時間應(yīng)為4～6 h，為抵抗圍巖形成的不均勻壓力，漿液還需具備一定的早期強度；（4）為避免漿液被地下水稀釋，漿液應(yīng)具有適當(dāng)?shù)某矶龋唬?）漿液凝固后的縮水率小，會更有效地起到固定管片的作用。

通過上述分析可以得出結(jié)論，解決管片位移的關(guān)鍵在于有效的填充管片與土體之間的間隙。

玉雙路站-牛王廟站盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)在泥巖地層中掘進，為了填充管片與土體間的空隙，同步漿液通過在盾尾配備好的注漿管路進行壓注，其漿液配合比見表2。

表2 同步漿液配合比 /kg

因為此段地層主要為強風(fēng)化、中風(fēng)化泥巖，裂隙水比較發(fā)育，滲透系數(shù)較大（K=3～5 m/d）。在盾構(gòu)施工中，渣土呈流塑狀并偶爾有噴涌現(xiàn)象出現(xiàn)。這個現(xiàn)象充分說明，此段地層含水量比較豐富。

通過從脫出盾尾后10環(huán)管片注漿孔開孔觀察，發(fā)現(xiàn)注漿孔仍有漿液流出，說明以上述漿液配合比所拌和的漿液初凝時間大于6 h，成型管片相當(dāng)于還被液體所包裹，自然會產(chǎn)生上浮現(xiàn)象。同時，地下水匯集于管片四周將漿液稀釋，導(dǎo)致漿液初凝時間延長，進一步惡化了管片穩(wěn)定環(huán)境。

2.3 盾構(gòu)姿態(tài)

盾構(gòu)機在掘進時圍繞著隧道設(shè)計軸線做蛇形運動，要不斷地調(diào)整各組油缸千斤頂?shù)挠蛪鹤尪軜?gòu)機實際掘進軸線與隧道設(shè)計軸線相擬合。

因盾構(gòu)機在泥巖地層中掘進時，泥巖滲透性差，自穩(wěn)性好；又因開挖直徑大于盾體直徑，掘進過程中盾體與巖土之間摩擦力減小，導(dǎo)致滾動角變化快，盾構(gòu)機姿態(tài)跳動厲害，偏離隧道設(shè)計軸線嚴(yán)重。這時就得頻繁調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，導(dǎo)致管片環(huán)面受到油缸千斤頂不均勻的推力，因此管片受到的盾構(gòu)機提供的向上的分力大于管片自身的重力，就會導(dǎo)致管片向上移動，因此發(fā)生上浮現(xiàn)象。

3 管片上浮控制措施

3.1 同步注漿量及漿液質(zhì)量控制

根據(jù)以往盾構(gòu)施工經(jīng)驗得出結(jié)論：同步漿液在保證不堵管的條件下，盡量縮短初凝時間，加快對管片的約束?，F(xiàn)場實踐得出同步漿液初凝時間控制在3～4 h，注漿壓力控制在2～3×105Pa，每環(huán)（1.5 m型管片）注漿量控制在6 m3以上。另外，每隔兩環(huán)對管片頂部注漿孔位置開孔，檢查同步漿液的注入情況、觀察初凝時間（見表3）。

表3 同步漿液配合比 /kg

同步注漿關(guān)鍵技術(shù)措施：

（1）注漿量≤理論值135%特殊情況除外；

（2）注漿壓力1～3×105Pa定期清洗壓力傳感器，保證壓力準(zhǔn)確性；

（3）注漿速度根據(jù)掘進速度而定，推進完漿液注完盡量保證上下左右四路同時注漿，盡量保證均勻注漿。

3.2 二次注漿

在管片脫出盾尾2-3環(huán)處逐環(huán)進行二次注漿，同時在管片脫出盾尾6-8環(huán)做止水環(huán)，每推進5環(huán)做一次。二次注漿主要采用雙液型漿液進行注漿，分A液（水泥+水）和B液（水玻璃+水）通過二次注漿泵將漿液通過管片吊裝孔注入管片同步，施工中以鐘表點為標(biāo)準(zhǔn)，注漿點位在2點、10點之間（含2點、10點）的范圍內(nèi)。

（1）二次注漿目的。①防止同步漿液不飽滿，導(dǎo)致上部管片同步空隙大，下部漿液產(chǎn)生浮力。②固定管片，防止管片因靜態(tài)浮力而變動，解決靜態(tài)浮力引起的管片上浮以及錯臺。③形成止?jié){環(huán)，將漿液與水?dāng)嚅_，減少靜態(tài)浮力。④分解同步注漿產(chǎn)生的上浮力。

（2）二次注漿的注漿量和壓力。二次注漿壓力是注漿量的決定因素，二次注漿壓力主要考慮盾構(gòu)管片拼裝完后，螺栓連接處所能承受的最小破壞壓力來定，一般壓力不超過5×105Pa，根據(jù)二次注漿壓力控制注漿量。

（3）注漿漿液配合比（見表4）。

表4 二次注漿漿液配合比

（4）二次注漿關(guān)鍵技術(shù)措施。根據(jù)盾構(gòu)法的特點，二次注漿作為配合同步注漿控制管片上浮、錯臺以及破損，其主要控制技術(shù)措施有：①二次注漿及時跟進同步注漿，防止拖后環(huán)數(shù)過多，不能達到預(yù)期效果。②注漿孔應(yīng)該盡量設(shè)置在拱頂2點、10點范圍內(nèi)，以便更好固定管片環(huán)和阻擋頂部水流通道。③注漿孔位宜設(shè)置在盾尾后3環(huán)處（視具體設(shè)備情況確定）。④漿液的凝結(jié)時間應(yīng)控制在20 s以內(nèi)。⑤注漿時控制好注漿壓力和注漿量。⑥二次注漿要與同步注漿相結(jié)合，隨著盾構(gòu)掘進的開挖，不間斷施工。

3.3 盾構(gòu)機姿態(tài)控制

有效地對盾構(gòu)機的掘進姿態(tài)進行糾偏，是控制管片上浮的一個重要因素，需遵循幾項原則：

（1）根據(jù)實際施工情況合理選擇掘進參數(shù)；

（2）調(diào)整各組千斤頂油壓，油壓差不宜超過5×106Pa，千斤頂行程差應(yīng)不大于40 mm；

（3）調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)嚴(yán)禁“猛糾”“急糾”，要做到“勤糾緩糾”，單環(huán)糾偏量0～5 mm。

3.4 其他措施

（1）確保盾構(gòu)連續(xù)施工，避免因長時間停機導(dǎo)致管片上浮。

（2）合理選擇管片型號，確保成型管片姿態(tài)與隧道設(shè)計軸線擬合，避免因管片選型失誤造成管片上浮。

（3）管片拼裝螺栓進行三次復(fù)緊：在拼裝完成后首次對整環(huán)管片螺栓進行復(fù)緊，在下一環(huán)推進過程中對其進行第二次復(fù)緊，拼裝下一環(huán)時對此環(huán)進行第三次復(fù)緊，螺栓復(fù)緊順序是從K塊開始，依次向兩邊對稱復(fù)緊。

（4）每掘進5環(huán)對盾尾進行清理，避免盾尾中的雜物和硬物導(dǎo)致管片在拼裝過程中出現(xiàn)上浮。

（5）每天進行一次管片監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)管片上浮量大于50 mm時，應(yīng)立即停止掘進，進行注漿處理。

4 結(jié)語

通過對成都地鐵6號線玉雙路站-牛王廟站盾構(gòu)區(qū)間工程實踐結(jié)果表明，在盾構(gòu)隧道施工前期，進行充分的地質(zhì)研究，通過對比與分析制定適合不同地質(zhì)條件的漿液配合比，及時進行二次注漿，控制好盾構(gòu)機掘進姿態(tài)，不僅能有效地控制地表沉降，還能控制管片上浮問題。因此，成型隧道的質(zhì)量是可控的，相信不久的將來會有更多更有效的技術(shù)措施來控制泥巖地層中的管片上浮問題，從而保證施工質(zhì)量及安全。