盾构推进施工过程中隧道管片上浮问题分析

盾构推进施工过程中隧道管片上浮问题分析

摘要：盾构隧道管片上浮控制是确保隧道线型符合设计要求和隧道建筑限界的关键，文章从盾构工法特性、衬背注浆、盾构姿态及线路走向等影响因素着手，对盾构掘进过程中管片产生上浮的现象、原因进行了分析研究，并提出了控制措施。

关键词：盾构隧道，管片上浮，位移控制

1前言

近年来在我国上海等软土地区城市地铁建设中，常常会遇到盾构隧道在施工阶段的上浮问题，严重者甚至要通过调坡等来满足线路设计要求。盾构隧道管片上浮位移控制是确保隧道线型符合设计要求、满足隧道建筑限界的关键，在盾构掘进过程中，盾构隧道的上浮问题主要由于隧道在地层中失去抗浮能力所致，它受盾构衬砌同步注浆、盾构工法特性、工程地质及水文地质条件、盾构姿态和线路走向等因素影响。上海轨道交通2号线西延伸段VI标区间隧道所在工程区域土体物理力学性质差、地下水位高、埋深浅、急曲线、大坡度设计线路等特点，致使施工阶段隧道上浮量最大达到9cm。因此，本文结合上海轨道交通2号线西延伸段VI标区间隧道管片上浮的工程实例，从盾构工法特性、同步注浆、盾构姿态及线路走向等方面着手，重点对盾构掘进过程中管片产生上浮的现象、原因及施工对策进行分析研究，为解决软土地区盾构隧道上浮问题提供一些建议。

2工程概况及地质条件分析

2.1工程概况

上海轨道交通2号线西延伸工程Ⅵ标区间盾构隧道单线全长1258米，区间隧道平面总体走向呈“C”字形，纵断面总体走向呈“V”字形。隧道最大覆土厚度约为15.5米，隧道水平曲线最小转弯半径为399.851米，最大纵坡为37％。

隧道外径为6200mm，内径为5500mm，衬砌为环宽1200mm的通缝管片，管片采用通缝拼装，M30双头直螺栓联接；环缝及纵缝间防水材料采用三元乙丙弹性密封垫。

2.2工程及水文地质条件分析

本区段隧道埋深中间深，两端浅，隧道顶板标高-1.361～-11.129m。盾构隧道穿越地层分布较稳定，分层界限明显，土层起伏变化不大。整个区间隧道穿越土层主要为软土层，包括③1层灰色淤泥质粉质粘土、③2层灰色粘质粉土、④层灰色淤泥质粘土、⑤1-1层灰色粘土层，除③2层透水性好外，其余土层呈流塑状态，尚均匀。第6层灰色淤泥质粘土是盾构施工的主要土层，但由于其压缩性高、含水量高、孔隙比大、强度低、稳定时间长，在动力作用下极易产生流变、触变现象。在该土层中，盾构推进阻力较小，但需注意周围土体容易变形的不利影响，如果施工不当，极易造成较大的管片上浮和地面沉降，应尽量减少对土体的扰动。

本场地浅部地下水属潜水类型，补给来源主要为大气降水与地表径流，水位动态为气象型，地下水埋深取0.5～0.7m。本标段施工区域微承压含水层分布于⑤2粉细砂层中，隧道因不通过此层在施工中没有特别的问题。

3盾构隧道管片上浮位移观测及分析

由前所述，本区间隧道平面总体走向呈“C”字形，纵断面总体走向呈“V”字形，隧道具有埋深浅、急曲线、大坡度等特点。在整个区间盾构掘进过程中，一直对管片姿态主要是管片中心高程上浮加强监测，监测频率为一次/日。在下行线纵坡为-27.265‰的第296～305环和纵坡为37‰的第1000～1009环段管片中心高程上浮位移值进行统计，见表1、表2，图1和图2显示了根据表1、2绘制的管片拼装后不同时间的中心高程上浮位移变化曲线。从统计数据和管片垂直位移曲线走势(图1、2)可以观察出，在纵坡为-27.265‰的第296～305环段管片拼装24h后最大上浮位移达55mm，管片拼装48h 后最大上浮位移达75mm,约一周后最终上浮位移稳定在89mm左右。在纵坡为37％的第1000～1009环段管片拼装24小时后最大上浮位移达30mm，管片拼装48h后最大上浮位移达54mm，约一周后

最终上浮位移稳定在73mm左右。上浮位移观察结果表明，在这上下坡的两段隧道管片拼装后的初期(最初2天)管片已经上浮了总位移的74～84％，上浮速率快，后期上浮速率趋缓。并且在拼装24h 后下坡时管片的上浮值明显大于上坡时的上浮值。

表1：纵坡-27.265‰段管片中心高程上浮值统计(第296环-305环)

表2：纵坡37‰段管片中心高程上浮值统计(第1000环-1009环)

图1：纵坡-27.265‰段管片中心高程上浮变化曲线

图2：纵坡37‰管片中心高程上浮变化曲线

4 盾构隧道管片上浮的影响因素分析

4.1 盾构工法特性的影响

为保证盾构的顺利掘进和管片拼装，盾构机的切削刀盘直径D与隧道衬砌管片的外径d有一定的差值，于是在盾构开挖的洞身与管片外径间存在建筑间隙Δ=D-d0的在上海高水位软土地层中，管片脱出盾尾后，拱顶土体全部塌落到管片结构需要一定时间和过程，如不及时填此空间，脱出盾尾的管

片周围处于无约束的地下水的包围状态，给管片的位移提供了可能的条件。盾构隧道是空心的简体，在混凝土自重作用下有下沉的趋势；但在全断面地下水压力作用下，防水性能优良的衬砌隧道则有上浮的趋势。以本区间盾构隧道外径6.2m、内径5.5m、宽1.2m的管片为例：

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=1 000 ×9.8 ×36.2≈355(kN)(2)

式中：混凝土比重ρ为2400kg/m3，管片混凝土方量Vc约为7.8m3，一环管片所占空间体积V约为36.2m 3。

可见管片混凝土自重G小于水浮力F，而拱顶土体施加在管片结构上需要时间，这就解释了在拼装管片初期为何隧道上浮位移发展快的原因。另一方面盾构机的重量主要集中在前盾{切口环和支承环)，由盾尾至后配套台车间一段衬砌(约9～10环管片)基本无压载，管片脱出盾构后失去了约束，同时还受到周围土层的作用。土层作用可能是压力，也可能是盾构出土造成地基卸载，地基回弹的作用上浮。

4.2 同步注浆工艺的影响

如前所述，隧道上浮有两大条件：一是建筑间隙Δ的存在，二是引起上浮位移的力，同步注浆浆液在填充了建筑间隙A的同时，让隧道与周围土层紧密接触形成稳定的复合构造体共同抵抗外力。要达到上述目的，关键问题是选择的注浆浆液应满足：①必须具有充填性；②应具有一定的和易性且离析少；③应及早凝固且有一定的早期强度，以抵抗变形对管片产生的不均匀压力。同时，浆液硬化后的体积收缩率要小，以便更好地固定管片；④应有合适的稠度，以便不被地下水稀释。从衬背注浆的目的和对浆液的性能要求上分析，及时填充固结管片背后环形建筑空间是解决管片上浮位移的关键。本区间隧道同步注浆量、注浆压力的选定依盾构推进的理论建筑孔隙GP计算：GP=πL×(R2-r2)+g=1.82(m3) (3)

公式中：R为盾构外半径(3170mm)；r为管片外半径(3100mm)；L为环宽(1.2米)；g为盾壳外4根注浆管肋总体积。

理论上讲，浆液需100％充填建筑总空隙。山于通常的浆液失水固结，盾构推进时壳体带土使开挖断面大于盾构外径，部分浆液劈裂到周围地层，导致实际注浆量要超过理论注浆量。按照以往工程实践，注浆时实际注浆量应为理论空隙体积的130～200％，在本区间上述两试验段采用160％

(1.82×155％=2.82m3)。另外，注浆压力应为保证足够注浆量的最小值，一般为0.2～0.4MPa。浆液分配控制为：增大上部两个注浆管注浆量和注浆量和注浆压力，下部两个注浆管少注甚至可以不注。对于整环管片来讲，上部与下部的注浆量比例为2∶1或者2∶0。

本区间隧道同步注浆浆液采用惰性浆液，其主要成分为砂、粉煤灰、膨润土和水(配合比见表三)，24 h强度很低(基本无强度)，在富水软土地层中，惰性浆液初凝时间长，浆液在初凝前容易被稀释，因此低强度浆液不仅无法对管片提供约束，相反提供了上浮力；另一方面，盾构机掘进震动和隧道内电瓶车运动震动下，未凝固的浆液材料很可能被挤到隧道底部或地层其他间隙，进一步加剧了隧道上浮。

表三、同步注浆浆液配比

从盾构机掘进到管片脱出盾尾后的工况分析来看，隧道管片在一定长度范围内就象两端固定的弹簧梁，一端受到盾尾的约束不能上浮，另一端受到已凝固注浆固体的约束也不能上浮。这时，如果管片脱出盾尾后(一般情况2～3环)，同步注浆的浆液不能达到初凝和一定的早期强度，隧道管片仍然可视为浸泡在液体之中，在浮力的作用下必然会产生上浮现象。

4.3 盾构机姿态及走向的影响