李玲：盾构隧道管片上浮原因分析

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置和高程允许偏差为±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,数值一般可以达到稳定值的2/3,第二天上浮值为稳定值的1/4～1/3,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HERRENKNECHT公司设计与制造的φ6250mm 复合式盾构机进行施工。

盾构机设备总长为73 m，刀盘的外径设计为6280mm，。

盾构区间圆形隧道（管片）外径6.0m，内径5.4m，管片厚度300mm，管片宽度1.5m，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140㎜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）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㎜＞30mm；在〈7〉地层中，管片上浮值最小，平均上浮值为12㎜＜30mm；且在〈7〉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，形成的反力偶也对图中的A点取距时，由推力差引起的反力偶W f1-f2=3（f1-f2）t·m ,为逆时针方向。

由重力引起的力偶为W G=20×0.75=15 t·m，为顺时针方向。

根据力偶平衡 W总=3（f1-f2）-15=0，（f1-f2）=5t，f1＞f2。

对图中的B点取距时，由推力差引起的反力偶W f2-f1=3（f2-f1）t·m ，为顺时针方向。

由重力引起的力偶为W G=20×0.75=15 t·m，为逆时针方向。

根据力偶平衡 W总=3（f2-f1）-15=0，（f2-f1）=5t，f2＞f1。

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（Q el），﹤5-2﹥硬塑或中密状残积土（Q el），﹤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0.11～0.22m/d，隧道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121环处为﹤7﹥和﹤8﹥地层，水位为地面以下0.6米，隧道埋深为23米，则地下水的浮力为F=1000×9.8×（23-0.6）=2.1952×105KN，管片的重力为G=2.5×8×9.8=1.96×105KN。

F＞G，地下水的浮力引起管片上浮。

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：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121㎜，最小值为21㎜，综合稳定范围为60㎜～65㎜＞30mm，超限；缓和曲线段的管片上浮最大值为103㎜，最小值为22㎜，综合稳定范围为32㎜～40㎜＞30mm，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是促因此当θ≥2.5473°时，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。

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2～2.5Mpa以上；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＜30～40s最佳。

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50bar。

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/d，可视为警戒，当管片上浮的速率＞50mm/d，立即停机，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。