超大直徑泥水盾構(gòu)管片上浮原因分析及對(duì)策

劉 智，鐘長(zhǎng)平

（1、廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣州 510010；2、廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州 510380）

0 引言

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，盾構(gòu)施工技術(shù)也隨之日益成熟，超大直徑盾構(gòu)法隧道越來(lái)越多地被采用。截止2021年底，國(guó)內(nèi)開(kāi)工建設(shè)的大直徑盾構(gòu)隧道工程總計(jì)65 項(xiàng)，超大直徑盾構(gòu)隧道工程（開(kāi)挖斷面14 m 及以上）59 項(xiàng)。在工程實(shí)踐中，超大直徑盾構(gòu)法施工所遇到的技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)也層出不窮。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)盾構(gòu)隧道管片均存在不同程度的上浮，如上海大連路越江隧道的平均上浮量約8 cm；上海翔般路和耀華支路越江隧道淺覆土段的最大上浮量分別達(dá)到15 cm 和86 cm［1］。盾構(gòu)隧道管片上浮不僅會(huì)影響到隧道管片最終成型質(zhì)量，嚴(yán)重者不得不通過(guò)調(diào)線調(diào)坡來(lái)解決問(wèn)題，更重要的是破壞隧道的整體防水，使成型隧道出現(xiàn)大量滲、漏水點(diǎn)，影響后期隧道的運(yùn)營(yíng)安全及行車舒適度。

近年來(lái)，工程建設(shè)領(lǐng)域?qū)W者、專家們圍繞盾構(gòu)施工管片上浮問(wèn)題開(kāi)展了大量卓有成效的研究。葉飛，朱合華等人［2］基于對(duì)管片上浮機(jī)理的分析提出了控制盾構(gòu)隧道管片上浮的最小上覆土厚度及最大注漿壓力計(jì)算式；竺維彬、黃威然［3］提出了襯背注漿工法選擇和盾構(gòu)姿態(tài)控制是解決隧道位移問(wèn)題的關(guān)鍵；黃忠輝，季倩倩等人［4］采用襯砌整環(huán)試驗(yàn)方式對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌抗浮性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，能較好地模擬襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征，利用彈性地基梁模型對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道上浮問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。在前輩們研究的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合深圳某超大直徑隧道工程管片上浮的工程實(shí)例，從地質(zhì)條件、設(shè)備因素、盾構(gòu)注漿、姿態(tài)控制及受力情況等方面，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中管片產(chǎn)生位移（主要是指管片上?。┮约皩?shí)施的措施和效果進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

工程位于深圳市，分為地下道路（隧道）和地面道路兩部分，隧道采用單洞雙層的結(jié)構(gòu)形式，路線全長(zhǎng)5.078 km，其中隧道盾構(gòu)段長(zhǎng)約3.58 km，采用一臺(tái)具備常壓換刀功能的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

1.2 隧道地質(zhì)詳勘分析

本工程范圍內(nèi)主要為第四系松散層，隧道位于深圳斷裂束的主干斷裂—羅湖斷裂帶，地層包括粗?；◢弾r、構(gòu)造碎裂巖、片巖、變質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、糜棱巖，少量卵石，礫砂地層，隧道基本處于全斷面巖層中，且部分區(qū)域存在上軟下硬、斷層破碎帶等不利地層，如圖1所示。

圖1 地層巖性的分布圖Fig.1 Distribution of Formation Lithology

2 隧道管片上浮情況

施工中，承包商對(duì)成型隧道管片姿態(tài)進(jìn)行了日常監(jiān)測(cè)。自盾構(gòu)掘進(jìn)以來(lái)，成型隧道內(nèi)局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)已安裝的管片出現(xiàn)上浮情況，上浮量一般為100～200 mm，最大達(dá)到280 mm。

3 管片上浮原因分析

3.1 盾構(gòu)設(shè)備自身因素

3.1.1 襯背環(huán)形空間

本工程盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑為15.8 m，隧道襯砌管片的外徑為15.2 m，二者差值為0.6 m，即管片與地層間存在環(huán)形空間。在淤泥層、砂層和軟巖地層中當(dāng)管片脫離盾構(gòu)機(jī)尾部后，由于隧道拱頂極易崩塌，基本上可以消除隧道管片與圍巖間的環(huán)形空間，可能會(huì)抑制盾構(gòu)管片上浮的趨勢(shì)。但在硬巖地層中管片脫離盾構(gòu)機(jī)尾部后，由于該地層圍巖完整性和穩(wěn)定性極好，若填充不密實(shí)，脫出盾尾的管片會(huì)處于無(wú)約束的狀態(tài)，管片上浮的可能性極大。同時(shí)，在掘進(jìn)過(guò)程中極易造成泥水倉(cāng)內(nèi)泥漿與同步注漿漿液“串流”以及受到地下水的影響，導(dǎo)致漿液被稀釋且凝固效果不佳，填充不飽滿，無(wú)法有效抑制管片上?。?］。

3.1.2 “小半徑曲線”針對(duì)性設(shè)計(jì)的負(fù)效應(yīng)⑴盾體結(jié)構(gòu)

盾體機(jī)采用“前盾大、尾部小”的結(jié)構(gòu)型式，如此設(shè)計(jì)可以增加盾構(gòu)機(jī)尾部與地層之間的縫隙，在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中為尾盾預(yù)留出足夠的擺動(dòng)量，可避免出現(xiàn)卡盾現(xiàn)象［6］。

⑵刀盤擴(kuò)挖特殊設(shè)計(jì)

本工程隧道最小水平曲線為R750 m，施工中，盾構(gòu)機(jī)在硬巖層中轉(zhuǎn)彎尤為困難。因此，在進(jìn)入小半徑轉(zhuǎn)彎曲線之前，通過(guò)采用特殊加高刀筒的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)小半徑曲線轉(zhuǎn)彎。同時(shí)，采取此措施可增大邊滾刀的掘進(jìn)距離，減少換刀頻率［7］，提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率，如圖2、圖3所示。

圖2 邊緣滾刀加高軌跡圖Fig.2 Edge Hob Heightening Track （mm）

圖3 加高刀筒更換示意Fig.3 Schematic Diagram for Replacement of Heightened Tool Cartridge

在盾構(gòu)機(jī)采用“前大后小的結(jié)構(gòu)型式”、“刀盤擴(kuò)挖特殊設(shè)計(jì)”，雖然能有效地解決“小半徑曲線”掘進(jìn)所面臨的轉(zhuǎn)彎困難、卡盾等技術(shù)難點(diǎn)，但也不斷增大了盾構(gòu)管片與地層間的環(huán)形空間，盾構(gòu)管片上浮的發(fā)生概率也會(huì)隨之加大。

3.2 地質(zhì)因素

在隧道工程中，地質(zhì)因素是影響隧道施工管片上浮的關(guān)鍵性因素之一。地質(zhì)條件一般具有變異性、復(fù)雜性和多樣性的特點(diǎn)，管片上浮情況會(huì)隨著水文、地質(zhì)的不同而具有差異性。如巖石地層圍巖穩(wěn)定性好，且地層裂隙發(fā)育、含水量大，往往管片上浮較大；而砂層或軟土層，隧道上浮量相對(duì)較小。就本工程而言，依據(jù)對(duì)已成型隧道范圍內(nèi)地層及盾構(gòu)管片上浮量統(tǒng)計(jì)分析，在完整性、穩(wěn)定性較好的微風(fēng)化板巖地層中管片上浮問(wèn)題表現(xiàn)尤為突出。

3.3 注漿因素

從同步注漿的目的和對(duì)漿液的性能要求上分析，為了有效控制地表沉降速率及隧道拱頂沉降收斂，并要確保管片的穩(wěn)定性和受力均勻，施工中須快速、有效地填充漿液。但由于超大直徑盾構(gòu)隧道本身具有大斷面、超埋深、高水壓的特點(diǎn)，管片背后環(huán)形建筑空間大、同步注漿方量多、注漿壓力均衡控制難度高，施工中難以保證每一環(huán)同步注漿的效果均能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

從注漿工藝方面分析，一是注漿量不足：每環(huán)理論注漿量：V=π/4×（15.80×15.80-15.2×15.2）×2=27.2 m3，本工程實(shí)際注漿量應(yīng)達(dá)到理論建筑空間的空隙量的140%～250%，即為38.1～68 m3/環(huán)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在強(qiáng)、中風(fēng)化碎裂巖地層實(shí)際注漿中每環(huán)拌制的漿液約為50 m3/環(huán)（含損失量），實(shí)際注入漿液量小于所要求的漿液量（38.1～68 m3/環(huán)）。在糜棱巖、微風(fēng)化板巖地層實(shí)際注漿量約為80 m3/環(huán)，雖然注漿量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)理論值，但在該區(qū)段管片上浮占比仍達(dá)50%。期間，由于同步注漿漿液被泥水倉(cāng)涌入大量泥漿稀釋，注入的漿液早期強(qiáng)度不夠，無(wú)法達(dá)到凝固效果，且掘進(jìn)時(shí)泥水倉(cāng)壓力有波動(dòng)，泥漿在盾體外形成一個(gè)小循環(huán)，不斷的裹挾走已經(jīng)被稀釋的漿液，導(dǎo)致同步注漿填充及凝固效果不佳。二是注漿壓力不足：由于本工程“大斷面、超埋深”的特點(diǎn)以及不同位置注漿孔勢(shì)能的差異性，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)注漿壓力的管理很難做到精準(zhǔn)控制，進(jìn)而容易造成注漿壓力不足或者壓力不均衡［7］。

3.4 盾構(gòu)姿態(tài)控制

3.4.1 “上軟下硬”地層環(huán)境中掘進(jìn)

由于本工程隧道斷面內(nèi)局部存在“上軟下硬”地層，下部硬巖地層強(qiáng)度高、完整性好，使得貫入度和掘進(jìn)速度均有所降低，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)波容易造成上部軟弱土層塌方形成超挖空間，若注漿不當(dāng)，可能引起隧道管片上浮或者地面沉降超限。同時(shí)，為克服下部硬地層的阻力，一般會(huì)對(duì)28組液壓油缸進(jìn)行分區(qū)操作，適當(dāng)加大下部油缸的推力，不均衡的液壓油缸編組對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力不利。另外，在該地層中掘進(jìn)極易出現(xiàn)偏離隧道軸線的情況，為此需頻繁的進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)糾偏，不斷調(diào)整液壓油缸的推力，使盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行軌跡靠近理論軸線，以滿足設(shè)計(jì)線路的需要［8］。

3.4.2 “小半徑、大坡度”工況下掘進(jìn)

一般來(lái)說(shuō)，盾構(gòu)掘進(jìn)施工中隧道軸線較難控制，尤其是在小半徑曲線段，盾構(gòu)機(jī)本身為直線形剛體，難以與隧道曲線完全擬合。本工程隧道最小曲線半徑約為750 m，縱斷面最大坡度約為4.9%，盾構(gòu)機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度為137 m，由于曲線半徑越小、盾構(gòu)機(jī)身越長(zhǎng)，則擬合難度越大。因此，在掘進(jìn)時(shí)技術(shù)人員需要頻繁的糾偏，方能使得盾構(gòu)掘進(jìn)軌跡與隧道軸線（曲線）比較難于控制。在管片脫離盾尾后，會(huì)受到側(cè)向分力的影響，導(dǎo)致隧道向圓弧外側(cè)發(fā)生位移。

3.5 不均勻受力影響

在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程中，管片受到的外力包括：地面超載、結(jié)構(gòu)自重、地層土壓力、水平土壓力、外水壓力、結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載、施工荷載（盾構(gòu)千斤頂頂力，不均勻注漿壓力）等。在工程實(shí)踐中盾構(gòu)機(jī)機(jī)體的重量分布特點(diǎn)也是管片上浮的影響因素之一。由于盾構(gòu)機(jī)重量主要集中在機(jī)身前段，盾尾至后配套臺(tái)車的荷載與前盾對(duì)比荷載相對(duì)較小，且在掘進(jìn)過(guò)程中管片同步注漿凝固效果無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到要求，管片受到盾構(gòu)液壓油缸頂力的影響，加上在硬巖中地層圍巖穩(wěn)定性強(qiáng)、建筑空間相對(duì)固定，并輔以地下水作用，因此，在硬巖地層中管片發(fā)生上浮的概率也相對(duì)較大。

再者，掘進(jìn)過(guò)程中不可避免發(fā)生曲線掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)的作用力不平衡，上千噸的推力和扭矩可能會(huì)造成管片脫出盾尾后發(fā)生位移和變形，由于豎向受力從而使管片會(huì)有一定量的上浮。

計(jì)算中主要考慮的荷載有（見(jiàn)圖4、5）。

圖4 盾構(gòu)隧道管片荷載簡(jiǎn)圖Fig.4 Load Diagram of Shield Tunnel Segment

圖5 SLS組合彎矩包絡(luò)圖Fig.5 Envelope Diagram of SLS Combined Bending Moment （kN·m）

⑴地面超載：一般情況按20 kPa 計(jì)，若上部有建筑物時(shí)按實(shí)際荷載計(jì)算。

⑵結(jié)構(gòu)自重：G=γh·δ式中：γh為鋼筋混凝土容重；δ為鋼筋砼襯砌厚度。

⑶地層土壓力Q1：按隧頂全部水土壓力計(jì)算。

⑷水平土壓力：可按主動(dòng)土壓力式或經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法計(jì)算。

式中：k0為側(cè)向土壓力系數(shù)。

⑸外水壓力：襯砌外部的水壓力W0。

⑹結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載：車輛運(yùn)行荷載等。

⑺施工荷載：盾構(gòu)千斤頂頂力，不均勻注漿壓力等。

4 管片上浮應(yīng)對(duì)措施

4.1 盾構(gòu)機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)

4.1.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)配置超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)（地震波法），如圖6 所示。主要通過(guò)對(duì)反射的聲波信號(hào)進(jìn)行處理分析，實(shí)時(shí)反映隧道工作面前方的地質(zhì)情況。在一些特殊位置或關(guān)鍵區(qū)域，建議可適當(dāng)增加地質(zhì)勘察孔，能精準(zhǔn)的掌握盾構(gòu)前方水文、地質(zhì)情況，為盾構(gòu)掘進(jìn)提供技術(shù)保障。

圖6 每個(gè)橫斷面上激震點(diǎn)布置圖Fig.6 Layout of Seismic Stimulation Points on Each Cross Section

4.1.2 配置同步雙液注漿系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)具備同步單液和同步雙液注漿能力，同步雙液注漿能減小盾構(gòu)機(jī)在巖層中掘進(jìn)出現(xiàn)的管片上浮、錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。注漿時(shí)，可根隨時(shí)據(jù)需要切換自動(dòng)控制或手動(dòng)控制模式，動(dòng)態(tài)調(diào)整注漿流量和注漿壓力。

4.2 盾構(gòu)掘進(jìn)控制

4.2.1 控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)

盾構(gòu)掘進(jìn)中軸線的平面位置和高程其允許偏差為±50 mm，因此，在施工中必須要嚴(yán)格控制好盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。通過(guò)導(dǎo)向系統(tǒng)隨時(shí)掌握正在掘進(jìn)中盾構(gòu)的姿態(tài)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)將盾構(gòu)的姿態(tài)與隧道設(shè)計(jì)軸線相比較，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的軸線進(jìn)行糾偏，不急糾、不猛糾，每環(huán)的糾偏量控制在4～6 mm，以免人為造成管片環(huán)面受力嚴(yán)重不均［9］。

4.2.2 控制掘進(jìn)速度

據(jù)統(tǒng)計(jì)，本工程發(fā)生管片上浮地段多數(shù)處于隧道下坡或變坡點(diǎn)位置，且地層屬于硬巖含水地層。在該區(qū)域掘進(jìn)時(shí)，為了保證漿液達(dá)到及時(shí)有效填充和穩(wěn)定管片，應(yīng)適當(dāng)控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度（3～4 環(huán)/天），確保同步注漿量滿足設(shè)計(jì)要求，且盡量漿液被泥水倉(cāng)涌入的泥漿或地下裂隙水稀釋而降低漿液性能。

4.2.3 管片拼裝控制措施

安裝管片時(shí)，嚴(yán)格控制管片拼裝的垂直度、真圓度、修正蛇行時(shí)楔形管片的拼裝點(diǎn)位等，盡量降低管片之間發(fā)生錯(cuò)臺(tái)的概率，盡快安裝好管片連接螺栓，并確保連接牢固。同時(shí)，采用檢測(cè)儀器對(duì)管片拼裝的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整超出限定范圍的誤差。若發(fā)現(xiàn)管片連接螺栓可能松動(dòng)，及時(shí)復(fù)擰緊固螺栓，控制因管片上浮量大引起的管片錯(cuò)臺(tái)、甚至滲漏水。

4.3 選擇合適的注漿漿液及注漿方法

在盾構(gòu)隧道施工中，同步注漿的質(zhì)量是解決管片上浮問(wèn)題的關(guān)鍵措施之一。因此，注漿漿液和注漿方法的選擇尤為重要。

4.3.1 選擇適當(dāng)?shù)淖{方法

一般對(duì)于硬巖含水地層而言，可以采用早期強(qiáng)度高、初凝時(shí)間短、稠度大的單液硬性漿液。若要有效的減少或避免盾構(gòu)管片上浮問(wèn)題，宜采用雙液瞬凝性漿液作為同步注漿材料，但是采用雙液漿時(shí)注漿管道及注漿孔極易堵塞，清洗困難，并且設(shè)備不具備更換注漿管道的條件，這個(gè)問(wèn)題需慎重考慮［10］。施工中，注漿壓力設(shè)定不高于泥水倉(cāng)壓力1 bar 控制，按照“掘4 注2”的注漿方式，對(duì)脫出盾尾后管片進(jìn)行二次注漿施作止水環(huán)穩(wěn)固管片、減少上浮，并利用盾構(gòu)主機(jī)徑向注漿孔向盾殼外注入衡盾泥、克泥效等填充物，形成一道阻水環(huán)。必要時(shí)，根據(jù)二次注漿孔開(kāi)孔檢查或雷達(dá)探測(cè)設(shè)備檢查注漿效果，每掘進(jìn)2 環(huán)對(duì)盾尾后第4～5 環(huán)再次進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿，加強(qiáng)砂漿填充效果。

4.3.2 選擇適當(dāng)?shù)淖{系統(tǒng)

在盾構(gòu)機(jī)選型和設(shè)計(jì)階段，需優(yōu)先考慮盾構(gòu)機(jī)注漿設(shè)備的先進(jìn)性和適應(yīng)性，并以此作為解決管片上浮的輔助措施。本工程盾構(gòu)機(jī)注漿管采用內(nèi)嵌式，相比外置式注漿管，尾盾的摩擦阻力小。注漿管規(guī)則的分布于圓周的八個(gè)象限，共配備“8 用8 備”注漿通道，其中，單液和雙液共用通道。注漿管上設(shè)置操作窗口，便于在管路堵塞時(shí)進(jìn)行疏通。

4.4 其他控制措施

⑴ 曲線段要防止管片施工過(guò)程中點(diǎn)位選型錯(cuò)誤，避免隧道軸線因人為失誤造成偏離設(shè)計(jì)軸線。

⑵做好盾構(gòu)掘進(jìn)前各道工序驗(yàn)收，包括管片進(jìn)入隧道前的檢查、同步注漿漿液、盾構(gòu)推力和扭距等參數(shù)的設(shè)定，管片的吊運(yùn)和安裝等。

⑶及時(shí)進(jìn)行二次注漿及同步注漿密實(shí)性檢查，防止由于隧道圍巖應(yīng)力環(huán)境和地下水環(huán)境突然變化，造成的隧道變形。

5 結(jié)論

⑴盾構(gòu)隧道管片的上浮往往是由于多種因素疊加作用而引起的，本文結(jié)合實(shí)踐工程案例得出管片上浮的原因包括：盾構(gòu)設(shè)備因素、地質(zhì)條件、盾構(gòu)姿態(tài)、注漿工藝和漿液特性等，其中最主要的原因?yàn)楣芷r背環(huán)形建筑空間填充不飽滿、注漿凝固效果不佳等。

⑵超大直徑盾構(gòu)隧道施工中的管片上浮問(wèn)題更加復(fù)雜，解決的思路是系統(tǒng)全面地考慮工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)管理，并應(yīng)在分析隧道地質(zhì)水文條件的基礎(chǔ)上，優(yōu)化隧道的軸線（平縱曲線）、盾構(gòu)機(jī)選型配置及針對(duì)性措施、控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度與姿態(tài)、提高漿液早期剪切強(qiáng)度、同步注漿壓力動(dòng)態(tài)控制、及時(shí)進(jìn)行二次注漿等，必要時(shí)可以進(jìn)行地基加固等方式來(lái)提高抗浮能力，這些措施聯(lián)合使用的效果更佳。

⑶為確保盾構(gòu)襯背環(huán)形建筑空間的填充效果和同步注漿質(zhì)量，并選擇上具有充填性、初凝時(shí)間、早期強(qiáng)度及適當(dāng)稠度的漿液，按照“掘4 注2”的注漿方式，及時(shí)對(duì)脫出盾尾后管片進(jìn)行二次注漿施作止水環(huán)穩(wěn)固管片、減少上浮。同時(shí)，利用盾構(gòu)主機(jī)徑向注漿孔向盾殼外注入衡盾泥、克泥效等填充物，形成一道阻水環(huán)，并按實(shí)際需求補(bǔ)充注入。

⑷由于本工程隧道為單洞雙層結(jié)構(gòu)，隧道管片上浮過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致下層設(shè)備空間壓縮，繼而導(dǎo)致部分大設(shè)備的安裝侵入限界，需局部上抬上層車道板，并進(jìn)行上下層線路局部區(qū)域調(diào)坡，使其滿足建筑設(shè)備安裝和限界要求。