李玲：盾构隧道管片上浮原因分析

上软下 硬地层
１２８ １６４ １７１
３１ ４０ ３５
５７～０９１０ 直线 ５１～０７８０ 缓和曲线 ５３～０８１０ 缓和曲线
１７２
３２
５７～０８２０ 缓和曲线
１７３
４０
５５～０８７０ 缓和曲线
１７４
４５
７５～０９００ 缓和曲线
１７６
４０
７０～０９００ 缓和曲线
１７７
３３
７０～０９００ 缓和曲线
１７９
２２
５７～０８９０ 缓和曲线
１８６
４９
５９～０８９０ 缓和曲线
１８９
１０２ ６０～０７５０ 缓和曲线
１９０
１０３ ６０～０７５０ 缓和曲线
从上表的数据可以分析总结出如下：（忽略人为因素和其他影响）
在直线段，管片上浮最大值为 １２㎜１，最小值为 ２１㎜，综合稳定范围为 ６０
盾构隧道管片上浮原因分析及控制措施
1、前言 在盾构掘进中，管片上浮是一个非常棘手、非常令人头痛的问题。造就一 条外观完美、曲线圆滑的好隧道，控制管片上浮是我们地铁建设中的重中之重。 2、管片上浮的限制与危害 管片上浮是指管片脱离盾尾后,在受到集中应力后产生向上运动的现象。《规 范》规定盾构掘进中线平面位臵和高程允许偏差为±50mm。管片拼装偏差控制 为±50mm。隧道建成后，中线允许偏差为高程和平面为±100mm，且衬砌结构 不得侵入建筑限界。由此推算管片上浮允许值与盾构姿态、管片姿态密切相关， 因此均应限制在±30mm以内才能保证不侵限，并使管片外侧得到均匀的注浆回 填。 管片上浮的危害：一是造成盾构隧道的“侵限”。二是在管片的端面产生剪 切应力，造成管片的错台、开裂、破损和漏水，降低管片结构的抗压强度和抗渗 压力。 3、管片上浮的环境特征 ⑴、从地层地质情况来看，管片在硬地层 ﹤８﹥岩石中等风化带，﹤９﹥岩 石微等风化带容易上浮，且地层越硬上浮情况越严重。其次，在上软下硬地层中 引起的管片上浮也比较严重。 ⑵、从线路特征来看，在变坡点、上坡段、反坡点，尤其是在竖曲线的最 低点，管片上浮比较严重。 ⑶、从管片上浮影响范围来看，一般是 10～１５环连续出现上浮情况。 ⑷、从管片上浮的速率和快慢来考虑，在开始上浮的第一天，数值一般可以
地层持续掘进越久，管片上浮可完全得到控制（线路特征相同和推力相差不大的
情况下）。
⑵、管片在受力的情况下上浮
在盾构施工中，管片在克服自重的情况下才有可能上浮，也就是管片所受
力的向上分力必须大于自重。
①盾构机千斤顶的推力与管片的环向轴力不平行时，向上的分力克服重力
就引起管片的上浮。另外，当盾构机千斤顶上下推力差过大时，形成的反力偶也
3
会导致相邻各管片的上浮。
对图中的 Ａ点取距时，由推力差引起的反力偶 Ｗｆ１－＝ｆ２（３ｆ１－）ｆｔ·２ｍ ，为逆
时针方向。由重力引起的力偶为 ＷＧ＝２×００．７５＝·１ｍ５， 为ｔ顺时针方向。根据力
偶平衡 Ｗ总＝３（ｆ１－）ｆ－２１５，＝（０ｆ１－）ｆ＝２５，ｔ ｆ＞１ｆ２。
７５～０８５０ 缓和曲线
１６１
７
７５～０８５０ 缓和曲线
１６２
２
６０～０８００ 缓和曲线
对上表三种地层下管片上浮的情况进行比较：在〈７〉岩石强风化带和〈８〉
岩石中等风化带地层交接处，管片上浮的情况最严重，平均上浮值为 ３８．㎜９＞
３０ｍ；ｍ在〈７〉地层中，管片上浮值最小，平均上浮值为 １２㎜＜３０ｍ；ｍ且在〈７〉
⑶、及时同步注浆及二次注浆。 ①浆体的要求 ａ、具有能充分填满间隙的流动性； ｂ、注入后必须在规定的时间内硬化，一般在硬土地层凝固时间控制在 ３～４ 小时内为好； ｃ、保证管片与周围土体的共同作用，减少地层扰动； ｄ、具有一定的强度，浆体 ２８天抗压强度在 ２～２．５Ｍ以ｐ上ａ； ｅ、产生的体积收缩小； ｆ、受到地下水稀释不引起材料的离析等。 ②注浆一定要及时、足量。 ③及时二次注浆。双液浆的凝固时间＜３０～４０最ｓ佳。 ⑷、封水 ①注浆饱满，封住后方管片背后来的水。 ②分区，也就是每隔十环注一次双液浆截水。 ⑸、螺栓进行二次复紧，提高管片整体抗拉浮能力。 可通过三次紧固来实现：在盾壳内（拼装时）进行第一次紧固；脱离盾尾
３５
５３～０８１ ０
缓和曲线
１７ ３
４０
５５～０８７ ０
缓和曲线
１７ ４
４５
７５～０９０ ０
缓和曲线
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７０～０９０ ０
缓和曲线
１７ ７
３３
７０～０９０ ０
缓和曲线
１５８
２０
７０～０８７０ 缓和曲线
１５９
１６
７０～０８７０ 缓和曲线
１６０
１５
对图中的 Ｂ点取距时，由推力差引起的反力偶 Ｗｆ２－＝ｆ１３（ｆ２－）ｆｔ１·ｍ ，为
顺时针方向。由重力引起的力偶为 ＷＧ＝２×００．７５＝·１ｍ５， 为ｔ逆时针方向。根据
力偶平衡 Ｗ总＝３（ｆ２－）ｆ－１１５，＝（０ｆ２－）ｆ＝１５，ｔ ｆ＞２ｆ１。
由此可见，上下千斤顶的推力差控制在 ５ｔ之内为佳，否则将分别引起管片
层中的﹤５－﹥１，﹤５－﹥２，﹤６﹥，﹤９﹥是不透水层至微透水层，岩体中基本无
水，可视为隔水层，﹤７﹥，﹤８﹥是基岩强风化、中等风化层，为弱～中等透水
层，渗透系数 ０．１～１０．２２，ｍ隧／道ｄ洞身地下水不甚丰富。
例如：（假设管片只受地下水的作用）在从客村～大塘的左线隧道掘进的第
１２环１处为﹤７﹥和﹤８﹥地层，水位为地面以下 ０．米６，隧道埋深为 ２３米，则
１３ ６
２３
６８～０９１ ０
缓和曲线
１３ ７
２４
６２～０８７ ０
缓和曲线
１３ ８
２６
５７～０９０ ０
缓和曲线
１３ ９
２４
５９～０９１ ０
缓和曲线
１４ ０
２５
５８～０８９ ０
缓和曲线
１４ ４
３０
５８～０８２ ０
缓和曲线
１６ ４
４０
５１～０７８ ０
缓和曲线
１７ １
㎜～６５㎜＞３０ｍ，ｍ超限；缓和曲线段的管片上浮最大值为 １０㎜３，最小值为 ２２
5
㎜，综合稳定范围为 ３２㎜～４０㎜＞３０ｍ，ｍ超限。 另外，在隧道线路的变坡点、反坡点，特别是在曲线最低点，管片上浮的情
况更为严重 。从下图（以变坡点为例）可以看出：作用于 Ａ管片的总推力 Ｆ通 过传递作用于 Ｂ管片，并与 Ｂ管片的轴线成一个夹角。由 Ｆ产生的分力 Ｆ１是促 使管片上浮的主要原因。当 Ｆ１≥Ｇ时，管片就开始上浮。而且夹角越大，分力就 越大，由此而产生的上浮情况就越严重（掘进方向是从 Ａ→Ｂ）。
地下水的浮力为 Ｆ＝１０×０９０．×８（２３－０）＝．２６．１×９１５０５Ｋ２Ｎ，管片的重力为 Ｇ＝２．５
×８×９．８＝１×．１９０５Ｋ６Ｎ。Ｆ＞Ｇ，地下水的浮力引起管片上浮。
4百度文库
③相邻管片之间的相互作用力。当从新拼管片 Ｂ传递过去的力不垂直后一
管片 Ａ的环面时（掘进方向为 Ａ→Ｂ），也可能导致管片的上浮。同时，前一管片
7
后进行第一次复紧；进入 １号台车前进行第二次复紧。 ⑹、千斤顶的推力差 原则：能顺利推进时，尽量注意不要采用较大的推力差。油压保证小于 ５０ｂ。ａ ｒ ⑺、及时测量，做到早发现，早处理。 ① 每天必须测一次，当发现管片上浮时，加紧管片测量密度。可以每５环
测一次或者每 ２环测一次。 ② 设立警戒值。当管片上浮的速率＞３０ｍｍ，／可ｄ视为警戒，当管片上浮的
2
等都能影响管片的上浮。尤其在上软下硬地层中，管片上浮情况最为严重。由于
存在相对的软硬情况，容易引起前一管片的上浮！具体情况可见下表的数据：（下
列表格数据来源于广州市地铁三号线客大盾构区间左线隧道的第 93～206 环管
片的施工记录）
地质
〈８〉
〈７〉 〈８〉 〈７〉
环号 管片上浮（㎜） 盾构机推力（ｔ） 线路特征
1
达到稳定值的 ２／３第，二天上浮值为稳定值的 １／～４１／３到，第三天、第四天管片就 不再有上升的趋势，逐步稳定下来。
⑸、从其他方面，比如注浆不饱满且水大时；上下千斤顶推力差过大时； 螺栓未拧紧时；受浆液性质的影响时；管片由于螺栓的影响而自身带有的特性等 都或多或少的会引起管片的上浮。
4、管片上浮的原因 结合在广州三号线客大盾构区间的施工经验，可从以下四个方面来分析管片 上浮的原因 ⑴ 、同步注浆不饱满，从而存在上浮空间 本工程拟采用一台德国 ＨＥＲＲＥＮＫ公Ｎ司Ｅ设Ｃ计Ｈ与Ｔ制造的φ６２５０复ｍ合ｍ式 盾构机进行施工。盾构机设备总长为 ７３ ，ｍ刀盘的外径设计为 ６２８０，ｍ。ｍ盾构 区间圆形隧道（管片）外径６．０，ｍ内径 ５．４，ｍ管片厚度 ３００，ｍ管ｍ片宽度 １．５，ｍ 分块数为 ６块（管片由一块封顶块、两块邻接块、三块标准块构成）。盾构机与 管片之间存在着 １４㎜０的建筑空隙，如果同步注浆不饱满，使管片外侧与土层之 间的间隙没有及时有效地充填，就必然出现管片上浮的空间。 其次，在同步注浆不饱满时，地层土软硬不同，产生的管片上浮情况也不同。 一般情况下，软地层不容易上浮，而硬地层却有空间导致管片上浮。这是因为在 掘进过程中，对于软地层，上部松软地层土的自稳性差，会因为自重、存在空隙 而有相对的下沉，从而使因注浆不饱满造成的管片和土层之间的剩余空隙基本消 失。硬地层由于自稳能力强，完整性好，能很好的控制自身沉降。再者同步注浆 采用凝结时间为 ５ｈ～７ｈ的砂浆，使管片有足够的上浮空间和时间，且地层越硬， 管片上浮的情况越严重。 另外，土层软硬不均现象，包括软硬交接面的倾斜度、长度、上覆土层情况
前端和后端上浮。
②地下水的浮力。地下水位高低及土层渗透系数，地下水补给来源，隧道埋
深大小等地层本身的状态也会影响管片的上浮。盾构隧道所穿过的﹤５－﹥１可塑
或稍密状残积土（Ｑｅｌ），﹤５－﹥２硬塑或中密状残积土（Ｑｅｌ），﹤６﹥岩石全风化
带，﹤７﹥岩石强风化带，﹤８﹥岩石中等风化带，﹤９﹥岩石微等风化带六个岩
例如：设 Ｆ与 Ｆ２之间的夹角为θ，一环管片的重力为 Ｇ＝２×．８５＝２，０可ｔ取推力 Ｆ＝Ｔ＝４（５以０上ｔ表格数据中最小值）。 则：Ｆ１＝×Ｆｓｉθｎ＝４５０θｓｔｉ＝ｎＧ＝２０ｔ
θ＝ａｒｃ（ｓ２ｉ０ｎ／４）５＝０２．５°４ ７３ 因此当θ≥２．５４°７时３，管片就开始上浮了。 ⑷、其他影响因素。包括管片螺栓不紧固，未形成整体；测量不及时，措 施滞后；管片选型不对的影响。 总之，管片上浮并不是只由其中一个因素独立产生的，而是一个各方面共 同作用下的结果。 ５、控制措施 针对以上几种情况，我们采取了各种方法，效果不错。总的原则是： ⑴、在上坡段掘进时，适当增大盾构机下部油缸的推力；在下坡段掘进时， 适当增大盾构机上部油缸的推力；在左转弯曲线段掘进时，适当增大盾构机右部 油缸的推力；在右转弯曲线段掘进时，适当增大盾构机左部油缸的推力；在直线
6
段掘进时，尽量消除各组千斤顶的推力差。在均匀的地质条件时，保持所有油缸 推力一致，在软硬不均匀的地层掘进时，根据不同地层在断面的具体分布情况， 遵循硬地层一侧推进油缸的推力和速度适当加大，软地层一侧推进油缸的推力适 当减小的原则。
⑵、当发现管片上浮速率偏大时，应停止推进，减小推力亦即减小上浮的分 力 Ｆ１，使之小于管片的自重力，并利用管片的自重力使管片下沉，可作为控制 管片上浮的首选措施。
的反作用力导致后一管片相对下沉（与后面的变坡点计算类似）。
⑶、隧道的线路特征
隧道的线路特征在一定的程度上也会影响管片上浮。具体影响程度如下表
数据：
地质
环号 管片上浮（㎜） 推力（ｔ） 线路特征
９３
１２１ ５４～０８６０ 直线
９４
１１７ ５４～０８３０ 直线
１０２
１１４ ５５～０８３０ 直线
１１７
６５
５７～０８９０ 直线
１１８
６６
６５～０９００ 直线
１１９
６５
６０～０８７０ 直线
１２０
６３
４８～０７８０ 直线
１２１
６０
４５～０８００ 直线
１２２
６０
５０～０７００ 直线
（７）（８）１２６ １２７
３７ ２１
５８～０８１０ 直线 ５６～０８７０ 直线
速率＞５０ｍｍ，／立ｄ即停机，实施二次注浆。 ⑻、在变坡点处，应注意两点： ①盾构机的推进速率不应太快。 ②管片应选好型，避免因选型失误造成上浮内力。 ６、结语 ⑴、管片上浮可以控制，但在硬地层、软硬交接处、变坡点处需要特别注 意； ２、处理要及时，关键是测量应及时，措施要果断； ３、建议： ａ、减小管片外侧建筑空间，不易过大。 ｂ、实施同步双液注浆方案。