关于盾构推进过程中管片上浮问题的研究(10.9)

关于盾构推进过程中管片上浮问题的研究摘要：本文通过实际盾构推进过程中管片上浮问题分析，对注浆材料进行研究。

关键词：管片上浮；惰性浆液配比；注浆量；
1．前言
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管片的上浮问题，严重情况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，确保地铁运行安全的关键。

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。

2.工程概况
十号线9标段古北路站至水城路站区间盾构推进工程，区间上行线1018.561m，下行线1025.927m，区间最大坡度为20‰，最小转弯半径为450米。

隧道衬砌构造形式：衬砌采用1.2m预制钢筋混凝土管片，通缝拼装；管片设计强度C55、抗渗等级≥S10；隧道内尺寸：φ5500mm（内径）；隧道外尺寸：φ6200mm（外径）；每环由6块管片组成，环宽1200mm，厚度为350mm；管片环向、纵向均采用M30直螺栓连接。

衬砌防水措施为两道防水，除管片混凝土结构自防水和衬砌接缝设遇水膨胀橡胶密封垫，同时在管片外弧面内侧（弹性密封垫沟槽外侧）增设一条遇水膨胀橡胶阻水条。

区间穿越重要的建筑物及管线有上水Φ1200，雨水Φ1200，上海歌舞团两层房，虹桥路1518号两层建筑，延安绿地内雕塑基础，延安绿地内灯杆基础，延安路高架桥桩，纺织控股集团公司内多层房，上海市纺织工会等。

盾构推进深度范围内，主要以④、⑤1层土为主，在区间中段局部涉及⑤2层和⑤3层，盾构区间地质详细情况见以下各图：
图1-2古北路站～水城路站工程地质剖面
根据以上区间工程地质剖面图，可以看出在工程施工区内，本线路隧道掘进主要在第④层淤泥质粘土、第⑤1层粘土之中。

第④层、第⑤1层土属高含水量、高压缩性、低强度、低渗透性的饱和软粘性土，具有较高的灵敏度和触变特性，在动力作用下易破坏土体结构，使土体强度骤然降低，易造成土体失稳；还有部分施工区域位于⑤2层粉质粘土夹粘质粉土之中，该层土夹有较多薄层粉性土，且局部夹粉砂团块，土性不均，透水性较好，为微承压水层。

隧道掘进过程中容易产生粉性土涌水并引发开挖面失稳和地面沉降，尤其容易产生突发性涌水和流砂。

本标段采用土压平衡盾构施工。

3．情况说明与分析：
1、情况说明：
古北路~水城路站下行线于2007年10月15日出洞，总共854环，230环~300环出现管片上浮量过大情况，最大上浮量达到13cm。

在推进过程中我项目部对每100环复测管片实际偏差值，在推进到180环左右时，复测1~100环管片上浮值在5cm以内，上浮量在经验值范围内，在推进到290环时，我项目部对101~200环进行实际偏差值的复测，发现从170环开始管片上浮量有增大趋势，最大值达到9cm，对此我项目部停止盾构推进，对1~300环管片高程进行复测，结果发现210~300环上浮量最大已达到11cm左右。

1～160环管片上浮量统计及170～300环管片上浮量统计详见下图。

我项目部对上浮量较大的170~300环的地质情况与施工参数同上浮量在经验范围内环数的地质情况与施工参数进行对比。

①地质情况
根据300环以前的岩土勘察报告，盾构隧道大都在第④层淤泥质粘土、第⑤1层粘土之中推进，1-160环主要在④层淤泥质粘土中推进，160-300环管片底涉及⑤1层粘土。

另根据岩土勘察报告，在管片上浮较大值处土体的峰值粘聚力约为10KPa，管片上浮较小处土体的峰值粘聚力约为17KPa。

②施工参数
本区间在185~355环需要穿越鲜墙房餐厅等门面房和延安路高架桥桩，根据前100环试验段推进参数，对穿越其间的参数进行了优化。

为保证连续施工，我部采用了
需要穿越的这些门面房年代较久，基础不坚实，为了保证地面沉降控制在允许范围内，在穿越期间我项目部增加了注浆量，注浆量从原来的2.5m3增加到2.7m3，并且在盾尾后20环左右进行了二次补浆，二次补浆采用水泥浆，补浆量为每环0.3m3，
每环比原来多注0.5m3。

2、情况分析
项目部对本管片上浮进行讨论，原因分析之后认为：
①地质情况：
本区间隧道通过土层为④淤泥质粘土和⑤1层粘土，从地质资料反映第④层、第⑤1层土属高含水量、高压缩性、低强度、低渗透性的饱和软粘性土，具有较高的灵敏度和触变特性，在动力作用下易破坏土体结构，使土体强度骤然降低，易造成土体失稳，根据以往施工经验，该两层土对盾构施工是有利的，切口土压易建立，土体强度不高，不会使总推力过大，出土容易，不会使螺旋机扭矩过大，且该两层土并无微承压水，不会发生涌水现象。

虽然土体性质大致相同，但仔细比较，我们发现上浮量过大处的土体的峰值粘聚力约为10KPa，而管片上浮较小处土体的峰值粘聚力约为17KPa，粘聚力相差较大。

由于粘聚力的减小，致使土体对于管片的束缚力减小，管片就相对较容易上浮。

②施工参数
施工参数严格按照前100环试验段推进参数设定经验设定，推进速度控制在30mm以内。

只对同步注浆量作了调整，使每环注浆量比以前增加0.5m3。

由于注浆量增大，且凝结时间较长，致使管片所受浮力增大，浮力大于土体压力，管片自重等的合力，使管片产生较大上浮。

③其他产生上浮原因分析
Ⅰ由于上部超挖产生的上浮，本工程没有使用超挖刀，可以不用考虑此因素产生的影响。

Ⅱ隧道覆土深度过小也会使管片产生较大上浮，本区间隧道管片上浮量较大处最小覆土深度为10.6米，大于隧道1.5D，且管片上浮量较大值出覆土比上浮量较小处覆土要深，因此，隧道覆土深度的影象因素也可忽略不计。

Ⅲ隧道轴线对上浮也有一定的影响，当隧道处于下坡轴线时，盾构的推力在垂直方向有一向上的分力，此分力也对隧道上浮有一定的影响，不过管片上浮量较大值处与上浮量较小处均处于下坡段，且盾构在④淤泥质粘土和⑤1层粘土中推进，总推力不大，对隧道上浮影响不大。

Ⅳ管片拼装后与盾尾存在一定间隙，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，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。

但此上浮为普遍情况，并不能产生管片较大上浮量。

基于以上分析，我项目部认为，对隧道上浮影响最大的且也是我们可以控制的因素是同步注浆的材料。

4 引起上浮的同步注浆研究
经过以上分析，我项目部对同步注浆的配比进行讨论认为
1、浆液比重为1.65基本满足同步注浆的要求。

2、浆液为惰性浆液，凝结时间较长，使管片长时间处于一定浮力作用下，在电瓶车来回运输振动的情况下，更加容易产生液化现象，使管片上浮增大。

3、为了使浆液凝结时间减少，最好的选择是采用可硬性浆液，不过采用可硬性浆液容易堵管，为了保证掘进的连续性，确保盾构穿越鲜墙房餐厅等门面房和延安路高架桥桩的安全，采用惰性浆液更加可靠。

因此，如何使惰性浆液在较短的时间内凝结，产生一定强度，约束管片上浮就成了关键。

经过研究，我项目部决定对在同步注浆浆液内加入生石灰。

石灰简介：
石灰是一种以氧化钙为主要成分的气硬性无机胶凝材料。

石灰是用石灰石、白云石、白垩、贝壳等碳酸钙含量高的原料，经900～1100℃煅烧而成。

石灰是人类最早应用的胶凝材料。

石灰有生石灰和熟石灰（即消石灰），按其氧化镁含量（以 5％为限）又可分为钙质石灰和镁质石灰。

由于其原料分布广，生产工艺简单，成本低廉，在土木工程中应用广泛。

石灰在同步注浆浆液中的作用：
1、保水能力生石灰熟化后形成的石灰浆中，石灰粒子形成氢氧化钙胶体结构，颗粒极细(粒径约为1μm)，比表面积很大(达10～30 m2/g)，其表面吸附一层较厚的水膜，可吸附大量的水，因而有较强保持水分的能力。

2、石灰稳定土将消石灰粉或生石灰粉掺人各种粉碎或原来松散的土中，经拌合、压实及养护后得到的混合料，称为石灰稳定土。

它包括石灰土、石灰稳定砂砾土、石灰碎石土等。

石灰稳定土具有一定的强度和耐水性。

广泛用作建筑物的基础、地面的垫层及道路的路面基层。

由上可知，石灰加入浆液中后，对同步注浆的浆液性质改良有两个方面，一个是其保水性能增加，且石灰与水反应需消耗大量的水，使浆液泌水率减小。

另一个是其产生石灰稳定土方面性质的作用，可以使浆液在较短时间内产生一定强度，约束管片上浮。

1浆液配比方面：
我项目部在原有的浆液配比的基础上，将2包粉煤灰换成2包生石灰，浆液比重相同。

改进前同步注浆配比
浆液改进后，我项目部跟踪测量了350环，360环及370环管片从拼装到进车架再到出车架期间管片上浮的情况，详细上浮情况见下表：
推进至674环时，对350，360，370环进行高程测量，测得350，360，370环高程与拼装状态下高程相比较，管片总共上浮57mm，48mm，50mm，上浮基本控制在经验范围内。

通过上表可以看出管片上浮基本上可以分成三个阶段：
1、在管片出盾尾至进车架阶段上浮值占总上浮值的60﹪左右；
2、管片进车架后，管片在车架的重力作用下及电瓶车来回运输的情况下，有升有降，但主要表现为下降，此阶段可以减小管片上浮量；
3、出车架后，管片继续呈现上升趋势，大约占总上浮量的40﹪。

通过比较，我项目部认为改进后的同步注浆可以有效的控制管片在④淤泥质粘土和⑤1层粘土中的上浮，对控制管片上浮，保证隧道轴线起到很大的作用。

我项目部对两种浆液进行了简单的实验，实验结果见下表：
通过实验我们发现：两种浆液的比重基本相同；刚拌制好的两种浆液的稠度基本相同，但2个小时后，两种浆液的稠度有差值。

另外，我们通过预制的试块发现：加入石灰的浆液凝结速度比没有加入石灰浆液的凝结速度要快，强度要大的多。

数据：
通过实验可以说明：加入石灰的浆液保水性能较没有加入石灰的浆液要好，泌水率较小，凝结速度快，强度高，与我们分析的结果相同。

由于泌水率小，凝结快，强度高，使得管片周围可以被浆液较好的包围，相对不加石灰的浆液，使上浮的空间减小，使上浮的条件相应受到限制，有效的控制管片上浮。

结论：
同步注浆浆液中加入石灰，可以在两个方面对浆液性质进行改进，一个是其保水性能
增加，使浆液泌水率减小；另一个是其产生石灰稳定土方面性质的作用，可以使浆液在较短时间内凝结并产生一定强度。

通过加入石灰的同步注浆浆液在控制管片上浮方面的作用是明显的，可以有效地控制管片过大的上浮，对保证隧道轴线意义重大。