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