海底盾构隧道管片上浮控制技术

海底盾构隧道管片上浮控制技术
摘要：管片上浮是盾构隧道掘进开挖中极易出现的问题，属世界性难题，文中针对台山核电站取水隧洞工程盾构管片上浮控制进行了技术探讨，为类似的海底泥水盾构工程施工提供借鉴。

关键词：海底隧道；泥水盾构施工；管片上浮；姿态控制；同步注浆
引言
海底盾构隧洞施工中，由于地层的松散型、富水性导致管片上浮，从而出现管片错台、管片接缝的渗漏水、管片出现微裂缝，严重影响了管片的外观质量和防水效果，本文针对台山核电站取水隧洞工程泥水盾构管片上浮情况进行技术讨论，以粘土、砾砂混粉质粘土、粉砂混粉质粘土为特例，该粘土地层主要属第四纪松散海积物，为海底盾构隧道施工类似地层提供了技术借鉴。

1.工程概况
台山核电站取水隧洞工程地质相当复杂，穿越6条断层破碎带，被称为“海底盾构第一隧”。

盾构工程主要为2条长4330.6m的取水隧洞。

管片钢筋混凝土采用C50高性能混凝土，抗渗等级为S12,外径8700mm，内径7900mm，管片厚400mm，宽度1500mm，根据隧洞埋深不同，分浅埋、中埋、深埋段三种配筋方式，采用4A（56.84211°）+2B(56.84211°)+1K(18.94737°)的“6+1”模式，管片设计为双楔形管片环，楔形量25mm。

2.地质及水文情况
取水隧洞盾构上浮段主要穿越的地层有：⑥粗砾砂、⑦粘土、⑧-1砾砂混粉质粘土、⑧粘土、⑨粘土、⑨-1粉砂混粉质粘土、⑩-3 粉质粘土，实测标贯击数平均在6击～29击，粘土、粉质粘土中局部均还有一定量的粉细砂。

海积层孔隙水赋存于第四系松散堆积层中，主要接受基岩裂隙水侧向补给，同时向南海排泄。

赋水层主要由淤泥、粘土组成，砂层呈透镜体状包夹于粘土、淤泥质粘土层中，地下水流动滞缓。

上浮地层围岩属VI级，属软弱地层，局部露出⑥层粗砾砂，残积土呈可塑～硬塑状态,上覆土体厚约11m～17m。

洞身主要露出⑧层粘土。

局部分布有⑧-1层砾砂混粉质粘土。

⑧层粘土呈可塑～硬塑状态。

上覆土体厚约17m～22m，位于海水位以下。

3.管片上浮情况
根据洞内管片监测结果，隧洞从240环开始管片上浮量较大，达到100mm
以上，发现此问题后，进行盾构机姿态向下调整，在随后的掘进中，在260环附近管片上浮值达到最大值150mm，后面上浮量逐步减少。

1200环～1269环管片上浮最大144mm，最小55mm；管片上浮直接导致管片错台，最大错台达50mm。

由于上浮的存在管片错台、破损较多严重的影响了隧道的表观质量。

鉴于核电的高标准，此时的矛盾主要转化为管片错台和破损不能满足规范要求。

4.管片上浮原因分析
4.1产生上浮的条件
就盾构施工而言，管片或盾构机要产生上浮必需具备以下三个条件：
a.盾构机开挖直径为9030mm，管片外径为8700mm，开挖后管片与地层间间隙为165mm，客观上说，给管片上浮提供了空间。

b.周围要有产生浮力的液体或流塑体；同步注浆浆液设计图纸要求初凝8小时，终凝10.5小时，当掘进速度快时，浆液无法及时凝固。

c.外界产生的浮力要大于管片及盾构机的自重；管片一环自重40t，一环管片按排开水体积考虑，所受的浮力为89t。

当周围填充砂浆及泥浆等比重高的液体或流塑体，产生的浮力更大。

d.上部要有浮动的空间或可压缩空间，软弱地层姿态控制难度大，容易上飘或者栽头，造成了开挖空间增大。

4.2、管片错台主要由管片之间的差异上浮引起的，管片之间的差异上浮说明环与环管片之间摩擦力不足，管片间虽然设计了剪力销，但由于剪力销受力不均匀，控制管片之间错动效果较差，同时由于地层松软对于油缸提供的管片挤紧力也相对较低。

5.管片上浮控制措施
5.1、管片选型控制
盾构掘进过程中是连续的蛇形运动，在蛇形运动下，盾构易出现形成差过长，盾尾间隙过小，导致管片在盾壳内被挤破、拉裂。

油缸形程差大时，底部千斤顶压力较大，上下油缸压力差增大，管片相邻环间受到的偏心力越大，管片间的摩擦力小于管片所受偏心力产生的剪力，在剪力作用下造成管片错台，须及时根据管片设计的楔形量调整油缸行程和盾尾间隙，使得盾构机姿态和管片轴线尽量保持一致，减小了油缸行程差，保证盾构间隙。

5.2、盾构姿态控制
姿态控制要达到居中拼装的目的，在掘进过程中，千斤顶推力要均匀的
压在管片上，受力要均衡，即在软土中，要到达一定的推力，往往因为推力不足，导致盾构机后退或者地层松软盾构机在安装管片时自行前进，把握好千斤顶的推力，及时有效的精细化管理至关重要。

5.3、同步注浆控制
保证盾尾注浆的致密性和均匀性，管片上浮和错台常常因浆液不能及时有效的填充管片背后的超挖空间，客观上成为管片上浮条件之一。

调整配合比改善砂浆浆液的和易性，通过对水泥、膨润土的掺量调整，减少浆液初凝时间，原使用的砂浆初凝时间为8小时，后将浆液初凝时间减少到6小时，尽可能提高注浆浆液的稠度及其固体物质的含量，以提高浆液于隧洞之间的黏结力，从而抵御隧洞管片上浮。

根据广州地铁、穿黄工程等盾构掘进经验，为保证注浆的致密性、均匀性注浆量一般控制在理论空隙值的 1.5～1.8 倍。

我认为同步注浆对管片上浮和错台的控制至关重要。

5.4、加强管片螺栓复紧
管片拼装完毕后，要求进行2次复紧，但现场往往没有做到位，导致螺栓于管片间有一定的富裕度，导致管片在拖出盾尾后受到千斤顶及浮力作用下，管片间出现错台现象，因此，加强现场管片螺栓复紧保证管片连接紧密可有效的控制上浮、错台量。

5.5、尽可能的连续掘进
粘土、砂层极易出现盾构机叩头现象，盾尾上翘，管片环间剪力较大，在竖直方向出现大的分力，易出现管片破损及管片上浮错台。

因此，除停电、停水外尽可能减少停机次数，保证掘进的连续性，才能保持盾构机不叩头。

5.6、控制掘进速度和高程
在同步注浆过程中，浆液不能及时有效的填充管片背部超挖空间，与地层中的水稀释后未及时起到固结管片和稳固地层，一般采用降低掘进速度，掘进速度不得大于30mm/min，保证同步注浆及时有效的填充地层空间。

根据统计管片上浮变化规律，将盾构机推进轴线降低至设计轴线70mm 左右，以抵消管片拖出盾尾后产生的上浮量，使稳定后成型管片的轴线符合设计规范要求。

6.结论
台山核电站取水隧洞项目盾构段地层复杂多样，针对出现的管片上浮错
台，通过以上控制措施已取得了明显的效果，管片轴线、错台均控制在规范要求之内。

管片上浮在盾构隧道中频繁出现，需要加强对地层的认知性，为有效的控制管片上浮我建议如下:
①在不同的地层，进行监控量测，掌握其上浮的变化规律，实施不同配比的同步注浆浆液，使其完全填充地层空间，达到浆液填充的均匀性、致密性，及时有效的固结管片和稳固地层；
②及时调整盾构姿态较小蛇形运动到达平稳掘进；合理的管片选型较少管片相邻环间的剪力；
③螺栓的二次复紧加强了管片环间的紧密性；
④尽可能的连续掘进减少叩头量；
⑤根据上浮量的动态监测及时调整竖向高程来抵消一定的管片上浮量。

注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看。