盾构法隧道施工中管片上浮分析和预防

盾构法隧道施工中管片上浮和预防
中铁十三局集团广州地铁项目部姚明会谈家龙
【内容提要】：本文结合广州市轨道交通四号线仑大盾构区间工程实例，从盾构工法特性，同步注浆工艺，盾构姿态控制及线路走向等方面着手，对土压平衡盾构施工过程中产生的隧道管片上浮现象、原因进行了分析研究，并提出了相应的施工控制对策，对盾构法隧道施工中控制管片上浮有很好的借鉴作用。

【关键词】：盾构法施工管片上浮和预防
1 前言
在盾构掘进过程中，管片上浮多数情况下是发生在硬岩地段，尤其在下坡段，跟踪测量结果显示，在脱出盾尾后24小时（掘进12环左右）内管片上浮值就可以达到80～100mm，在随后的时间里管片上浮速度有所减慢，在36小时后管片上浮量基本达到稳定。

管片上浮主要受工程地质、水文地质、管片衬砌注浆质量、盾构机姿态控制等方面的影响。

本文结合广州城市轨道交通四号线仑大盾构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，重点对土压平衡盾构施工过程中产生的管片上浮的现象、影响因素及应对措施进行分析研究，为解决盾构隧道管片上浮问题提供一些参考建议。

2 工程概况及地质分析
2.1工程概况
仑大盾构区间线路位于广州城市中心区东南侧，属珠江三角洲平原区的珠江水网带北缘，地形略有起伏，为河流和低丘地带。

区间隧道两次过山，两次过河，两次过村，一次过站。

隧道右线长2301.3m，左线隧道长2298.275m。

设竖曲线4个，最小竖曲线半径为3000m，最大纵坡为42.65‰。

最小平面曲线半径800m。

区间隧道平面总体走向为“V”字形，纵断面总体走向为“W”字形。

区间线路间距为12.7m～15.7m。

2.2线路区间工程及水文地质分析
本区间隧道穿越地层分布不均匀，地层分布复杂，分界不明显，起伏变化大。

隧道主要穿过<8Z>中风化混合岩、<9Z>微风化混合岩地层。

<8Z>地层起伏较大，隧道中有<7Z>地层出露，厚度约2m－7m。

洞顶覆盖大部分为〈5Z-1〉、〈5Z-2〉地层。

隧道洞顶埋深18～40m。

3 隧道管片上浮位移跟踪及分析
3.1管片上浮位移跟踪
本区间隧道平面总体走向呈“V”字形，纵断面总体纵向成“W”字形，最大埋深50米、地下水位高、地层起伏大、坡度大等特点。

在掘进的过程中，一直跟踪测量管片中心线高程，一般的检测频率为每天一次，在发现管片上浮较严重的区段，加强检测频率，一天两次。

在施工过程中，发现在硬岩地层和隧道处于下坡竖曲线上时，管片上浮程度较大。

以右线为例，在下行线坡度为27.75‰的第88环~96环和上行线坡度36.21‰的第841环~第850环段管片中心高程上浮值进行统计，见表1、表2。

表 1 环片姿态检测成果表
仑大盾构区间右线环片姿态检测日期:2004.11 单位 mm
表 2 环片姿态检测成果表
3.2跟踪数据分析
根据以上的管环检测成果，管片上浮位移趋势图，如下：
图1 右线第88~96环段管片上浮位移趋势图
图 2 右线第841~849环段的管片上浮趋势图
从上面管片上浮位移趋势图来看，在下坡27.75‰的第88环~96环段管片拼装24小时内上浮速率最快，最大上浮位移达60mm，管片拼装48小时后累计上浮达75mm，约一周后上浮位移稳定在99mm左右。

在上坡度36.21‰的第841环~第850环段拼装24小时后最大上浮位移达33mm，管片拼装48小时后累计上浮达50mm，约一周后上浮位移稳定在70mm左右。

上浮位移检测成果表明，在下坡隧道管片在拼装后两天内，管片的上浮值占累计位移的80%~85%，特别是在拼装24小时后上浮速度很快，后期上浮速率逐步趋于稳定。

在拼装24小时后下坡时管片的上浮值明显大于上坡时的上浮值。

4 隧道管片上浮的影响因素分析
4.1衬砌环形建筑空间
盾构机切削刀盘直径D与隧道管片外径d有一定的差值，当管片脱出盾尾后，管片与地层间产生一环形建筑空间。

不及时填充此空间，就给管片提供了上浮条件。

4.2过量超挖影响
盾构机在掘进过程中的隧道轴线与理论轴线有一定的差值，在掘进过程中时时在调整盾构机的姿态，盾构机走的线形是“蛇形”。

当盾构机刀盘处于几种地层交错界面时，盾构机很容易产生“爬坡”和“栽头”现象，无形中增加了管片外的建筑空间。

4.3水文地质与线路坡度影响
在软弱地层中，由于围岩自稳性差，应力释放快，塑性变形大，这一环形空间在管片脱出盾尾后，拱顶围岩极有可能发生变形引起地表过量沉降，减小了围岩与管片之间的间隙，有利于即时约束管片上浮的趋势。

在硬岩地层中，管片脱出盾尾后，由于基岩的稳定性，环形建筑空间在相对长时间内是稳定的，脱出盾尾的管片是处于无约束的状态，若得不到及时的约束，管片就会产生较大的
位移。

在透水层中盾构掘进形成的环形建筑空间在充满水或浆液的情况下，隧道管片全部浸泡在盾构掘进形成的圆形坑道之中，隧道管片在全断面地下水（或未凝固的浆液）工况下，管片本身就有上浮的趋势。

4.4浆液影响
刀盘开挖直径与管片之间有一个建筑空隙，在管片完全脱出盾尾后，就要及时的填充这个间隙，以此来约束管片的位移。

通常采用的同步注硬性单液水泥砂浆来填充这个空隙，砂浆能否填充密实并较早的提供强度是限制管片位移的关键。

如果砂浆在管片脱出盾体后还是处于液体状态，将给空心筒体状的隧道提供一定的浮力，隧道结构本身的自重并不能完全平衡这个浮力。

以本区间隧道外径6m，内径5.4m、宽1.5m的管片为例：
（1）管片自重：G=γ×Vc=24×8.05=193.2KN
（2）管片在脱出盾尾后受到的力还包括：相临管环连接螺栓的约束力、推进油缸撑靴提供的竖向摩擦力，实践表明这两个力不会超过400t。

（3）砂浆浮力：F=ρ×g×V=1825×9.8×42.30=758.14 KN
式中：管片混凝土比重为：24KN/m³,方量为8.05 m³，一环管片所占空间体积42.30 m³。

在下坡地段，管片受到的浮力还有与水头压力差。

（4）管片脱出盾尾后，隧道管片在一定长度范围内就像两端固定的“弹簧梁”，一端受到盾尾（盾构机主机重350吨）的约束不能上浮，另一端受到已经凝固的水泥砂浆的约束也不能上浮，如果“弹簧梁”越长，即管片悬浮在不能达到初凝和一定的强度的同步注浆浆液中越长，虽然管片间以螺栓连接，但在浮力的作用下发生弹性变形，不能完全抑止管片上浮，在浮力和外力的作用下必将产生上浮现象。

（5）盾构机的重量主要集中在前面的盾体，盾尾至拖车五范围内基本无荷载，管片脱出盾尾后失去了约束，同时还受到周围围岩的作用，很容易引起管片的上浮。

由此可以看出，（3）、（4）、（5）项合力大于（1）、（2）项合力，即在建筑空隙填充不饱满或浆液还处于液体状态的情况下，管片自重及另外的两个力无法克服砂浆的浮力，这就解释了在管片拼装初期隧道上浮位移发展较快的原因。

4.5 盾构机推力影响
本区间盾构隧道设计轴线平面上呈“V”字形，纵断面呈“W”字形，无论是盾构机偏离轴线以下还是线路曲线的变化，都要通过调整各组油缸推力来达到纠偏的目的。

特别是在下坡
时，盾构机底部油缸推力的增大将在设计轴线法线上产生一个向上的分力，这个分力对管片的上浮产生很大的影响，特别是在同步注浆液没有完全提供约束力的情况下。

以25‰的坡度为例，油缸千斤顶推力为平均为1200t时，法线方向的分力为25‰×1500＝300t，该分力方向是垂直于隧道轴线，施工时该力反复作用在管片上，也使管片有个上浮的趋势。

5 管片上浮的控制措施
从不同的角度分析了管片产生上浮的原因，在后续的施工过程中针对不同的因素提出以下相应的应对措施以指导施工生产。

5.1 二次双液注浆和同步注浆
在硬岩地层解决管片上浮问题，实质上是注浆稳定管片与管片上浮的竞赛，盾构机自身的构造决定只能通过盾构机注的同步注浆，在浆液性能上的特点决定了浆液不可能完全限制管片上浮。

唯有双液速凝浆液彻底解决管片上浮的问题。

双液速凝浆液在浆液性能的选择上应保证浆液的充填性能，初凝时间与早期强度，限定扩散范围防止流失。

才能保证隧道管片与围岩共同作用形成一体化的构造物。

在本区间盾构机始发前通过对区间各种地层的地质和水文条件差异的分析，配置了4种不同单液硬性水泥砂浆，初凝时间6小时～10小时。

实践表明，初凝时间为6小时的浆液虽然能较早的提供强度，但是在浆液的运输及泵送的过程中，极易造成注浆管路的堵管，严重影响施工进度，初凝时间为8小时的浆液比较适合本区间的施工。

日本青木公司承担的广州地铁一号线黄沙～烈士陵园区间盾构掘进，采用的双液速凝浆液，初凝时间最短为6秒，全段隧道管片上浮的情况极少，最大值仅仅10mm。

由于盾构机自身设计的特点，通过盾构机自身管路只能注单液浆，如果双液浆由盾构机的同步注浆管注入，极易引起管路堵塞，并且影响盾尾密封刷。

目前大多数施工单位在使用海瑞克盾构机均采用同步注浆，在需要二次注浆时使用国产的双液注浆泵，由于注浆泵体积大，注浆时掘进施工须停下，影响施工进度，在工期紧张的情况下，均是在不得已的情况下临时注入双液浆，没有形成系统的和完整的密闭环，广州地铁四号线仑大盾构区间采用江苏产的气压注浆泵，具有体积小，操作简单，安全性高，在第6～10环通过手孔注入双液浆，成功解决了盾构机掘进与注浆的矛盾。

5.2 盾构机姿态控制
盾构机过量的蛇形运动必然造成频繁的纠偏，纠偏的过程就是管片环面受力不均匀的过程，所以要求盾构机掘进过程中必须控制好盾构机的姿态，尽可能地沿隧道轴线作小量的蛇
形运动。

发现偏差时应及时逐步纠正，不要过急过猛地纠正偏差，人为造成管片环面受力不均匀，根据统计结果每环管片纠偏量不应大于每环3mm。

5.3 掘进速度控制
掘进速度的控制也直接影响到管片上浮的程度。

一般情况下在粘土层等较软的地层中掘进时，推进速度很快，同步注浆浆液就跟不上推进的步伐，造成管片外的建筑空隙充填不密实。

浆液也不能及时的提供一定的强度限制管片位移。

所以一般以缓慢推进为宜，推进速度不大于50mm/min。

以确保管片在脱出盾尾后不会因浆液的问题而产生不稳定的位移。

5.4合理控制盾构机掘进高程
在本区间施工过程中，根据检测到的管片上浮的统计值，通过和隧道设计轴线的比较，发现管片上浮较严重时，及时的将盾构掘进高程降至设计轴线以下50mm，以此来抵消后续掘进的管片上浮值，使隧道轴线最大程度的接近设计轴线。

6 结论
隧道处于埋深较深的富含水硬岩地地层，管片背后环形建筑空间的存在给管片上浮造成客观的外部条件，而在软弱渗水土层或砂层中，虽然隧道管片也存在上浮的趋势，隧道围岩应力释放可以限制管片上浮。

本文所列举管片上浮的主要原因是因为隧道管片有上浮的空间，由于未对上浮空间及时进行填充固结而造成的，在施工中针对复杂多变的地质情况，准确预测地质，对各种施工信息进行动态分析及控制，通过技术与经济的比较，适时作出合理的适应不同地质条件的浆液配合比，动态管理浆液，同时，不断收集总结盾构机掘进过程中的各种掘进参数，摸索出不同地质条件下与之相适应的掘进参数的变化规律，最大程度地控制隧道管片在施工过程阶段的位移和变形，以满足设计和规范要求。

参考文献： 1周文波，盾构法隧道施工技术及应用，中国建筑工业出版社，2004
2曾慎聪，郦伯贤，胡胜利，机械化盾构隧道掘进，浙江大学出版社，2003
3 中铁西南科学研究院信息研究室译，盾构隧道新技术，2001
4朱伟，盾构标准规范（盾构篇）及解说，日本土木协会编，北京：中国建筑工业出版社，2001
5魏康林，朱伟，盾构隧道施工技术发展新方向，河南大学学报（自然科学版），第29卷增刊，2001.12
6朱伟，陈仁俊，盾构隧道技术问题和施工管理，岩土工程界，2001年第12期，pp.14~16
7胡胜利，乔世珊，土压平衡式盾构机（盾构机系列讲座之二），建筑机械，2000年第1期，pp.24~26
8吕文舫，郭雪宝，柯葵编，水力学，上海：同济大学出版社，1990。