盾构隧道管片上浮原因分析及应对措施

张智勇

摘要： 地铁盾构施工时的管片上浮问题非常棘手，难以处理。本文依托长沙地铁盾构区间管片上浮的问题，从水文地质情况、盾构作业影响、管片后压浆等方面进行原因分析及研究，并针对性地提出了控制管片上浮的处理措施及施工对策。

Abstract： The problem of the pipe float-up during subway shield construction is very tricky and difficult to handle. Based on this problem of Changsha Metro， the reasons are analyzed and studied from the aspects of hydrogeology， the influence of shield operation and grouting after the segment of the shield， and some treatment and construction measures are put forward.

關键词： 地铁；盾构施工；管片上浮；原因研究；控制措施

Key words： metro；shield construction；pipe float-up；cause study；control measures

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）06-0143-03

0 引言

地铁盾构掘进施工过程中，管片上浮问题比较突出，部分项目甚至严重到需设置调坡以适合线路设计，造成了较大的工期及经济损失。为了确保地铁隧洞线型满足设计及保证工程质量，需将管片上浮位移量控制在规定的合理范围内。盾构掘进时管片的上浮主要是因为管片抗浮能力不足所引起，管片上浮问题受到多种复杂因素的影响，包括水文地质、工程地质、掘进工法及工艺措施、管片构造、管片后压浆等。长沙市轨道交通5号线一期工程土建一标华雅站-万家丽广场站区间盾构掘进时，管片最大上浮值达到93mm。本文依托此项目的工程实例，从盾构工法特征、盾构作业姿态及管片后压浆等多方面着手，对管片上浮问题产生的原因进行了系统的分析及研究，并采取针对性施工对策及措施，很好地控制了管片的上浮。

1 工程简介

长沙市轨道交通5号线一期工程土建一标华雅站-万家丽广场站盾构区间所在地属浏阳河形成的阶地，由河流相二元结构组成，为典型的河流冲蚀、堆积地貌。地层以强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩为主，深度40m范围内主要赋存两层地下水：松散岩层孔隙水类型和红层孔隙裂隙水，地下水主要接受大气降水、地下管线渗漏补给，亦和周边地表水体呈互补关系。枯水期时，地下水由两侧向浏阳河或洼塘径流，以侧向渗流运动方式向河流排泄。浏阳河沿线阶地中的孔隙水多因河流水位的升涨而呈现出由承压水到潜水间的性质变化。

根据勘察报告，区段沿线地层分述如下：①第四系全新统（Q4）：主要为人工填土层（Q4ml），第四系人工填土场地分布广泛；②第四系上更新统（Q3）：主要为河流相冲积层（Q3al），岩性主要为粉质粘土、粉土、及砂砾石层等；③第四系残积层（Qel）：基岩风化残积而成，岩性为残积粉质粘土，覆盖于基岩之上，不连续分布于场地；④白垩系（K）：主要为泥质粉砂岩，分布于全路段。本区间底板埋深18～20m，隧道主要穿越强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩，岩性为软岩，强度不高。

盾构区间圆形隧道外径为6000mm，内径5400mm，管片厚度300mm，管片宽度1500mm，分块数为6块，分别为3块标准块，两块2块邻接块（中心角64.5°）和1块封顶块（中心角15°），衬砌环宽为1500mm。环间采用错缝拼装。管片混凝土等级为C50，抗渗等级P12。

在隧洞盾构掘进施工中，由专人对管片中心高程及偏位进行监控量测，通常量测频率为1次/d，对于管片上浮严重的区段，加强监测，量测频率加大至2次/d及以上。监测时发现，本区段右线第58～65环段的管片上浮值较大，其量测值统计于表1、图2所示。

从图2的上浮值曲线图可看出，此段58～65环段管片拼装完成后1d内（24h）上浮的速率为最大，最大上浮值达45mm；从拼装完成后1d至2d（48h）时间段内，上浮速率明显减缓，管片2d时最大累积上浮值为64mm；管片拼装2d后，上浮率逐渐降低，至7d时已趋于稳定，其中64号环7d时的上浮值93mm为最大。

从表1看出，58～65环段管片上浮值较大，不加以控制的话，易导致管片错台、开裂、破损及隧道轴线偏位等问题，从而影响隧洞成型质量。

2 管片上浮分原因析

2.1 管片与围岩间存在空隙 管片安装后的外缘直径与盾构机切削围岩形成隧洞的直径间无疑存在差异，使得管片脱出盾尾后，管片外缘与隧洞围岩不完全密贴，而是存在环向空隙。如不能及时将空隙填充，给了管片上浮的空间。

2.2 盾构掘进超挖影响 盾构机在掘进时切削盘的轴线与设计的隧洞中心线存在一定偏差，故掘进时需不断对盾构机的姿态进行调整及纠正，故盾构机切削盘以“蛇形”的折线向前推进。且此段掘进时盾构机处于强、中风化泥质粉砂岩的不同地层交界处，盾构机前行时更易出现“抬头”及“栽头”现象，无疑增加了管片的上浮空间。

2.3 工程地质及线路坡度的影响 当盾构机掘经软弱围岩时，因围岩软弱，塑性变形大，拱顶围岩自稳能力差，管片脱出盾尾时，隧洞顶围岩在产生沉降变形，减少或消除了拱顶围岩与管片之间的空隙，此时有利于控制管片的上浮。但本段隧洞穿越白垩系（K），主要为泥质粉砂岩，其自稳能力较强，围岩与管片间的空隙得不到减少或消除，在不及时加以约束的情况下，管片可在间隙内无约束上浮。本段围岩裂缝较多，施工期间为长沙当地的雨季，地下水位较高（隧洞位于地下水位以下），在透水地层中盾构掘进时，管片浸泡于水或是浆液中，巨大浮力使得管片上浮。endprint

2.4 浆液影响 切削形成的隧洞与管片间存在空隙，通常采取及时压注硬性单液水泥砂浆进行填筑，以避免管片产生上浮等位移。砂浆填充的密实情况及能否尽早提供强度是控制管片位移的关键。如管片脱出盾尾后砂浆尚为未凝固的液体状态，浆液作用于管片的浮力超过其自重及其它抗浮力之和时，使得管片产生上浮。

以本区间隧道外径6m，内径5.4m、宽1.5m的管片为例进行抗浮计算：①管片自重：G=γ×Vc=25×8.05=201.3kN；②砂浆浮力：F=ρ×g×V=1.825×9.8×42.3=758.14kN。

可見：砂浆浮力=758.14kN>管片自重=201.3kN。虽然管片在脱出盾尾后抗浮力还有联结相邻管片螺栓的约束力和推进油缸撑靴提供的竖向摩擦力（工程实践表明两种抗浮力不会超过400t），仅就一个环节管片进行计算的话，管片抗浮力是大于砂浆浮力的，但由于螺栓连接的弹性变形及存在安装间隙，长段管环结构呈现出很大柔性，当长段管环整体悬浮于浆液里时，中间部分的管环的抗浮能力急剧降低，难以完全抑止管片上浮。

3 管片上浮的控制措施

以上对引起管片上浮的各种因素进行了分析及研究后，在58～65环段及后续施工中采取了针对性的施工处理措施，以确保把管片上浮控制在合理的范围内。

3.1 二次注浆与同步注浆 在工程地质层面处理管片上浮问题，实际为注浆稳固管片与管片上浮在时间上的赛跑。但基于盾构机的构造特点，同步注浆的浆液仅能采用慢凝的性能指标决定了其不能是上浮速率最大期间（管处拼装完成后1d内）提供强度而及时有效抑止上浮。

本项目采取二次注入双液速凝浆液的方法以控制管片上浮。注入的双液速凝浆液在填充性能、初凝时间、早期强度及防流失等方面的性能指标需达到一定要求，才能尽早使管片与围岩固结成结构整体。

本项目根据工程地质特性、水文地质情况及施工作业条件，配置了不同性能指标的硬性双液速凝浆液，初凝时间6～10h。施工作业表明，初凝时间为6h的浆液虽最快提供强度，其抑止管片上浮的效果最佳，但进行浆液的运送及泵送时，极易将注浆管路填塞，进而影响了施工进度，拖延了处理过程。初凝时间为8h的浆液能达到最佳的处理效果。

3.2 盾构机姿态控制 如果盾构机姿态控制不好，势必需进行频繁纠偏，无疑造成隧洞为“蛇形”，也就使得管片存在更大上浮的空间，故在盾构掘进时需进行盾构机姿态的精细控制，使盾构机以尽可能小的偏移量进行蛇形运动。出现偏差时不能实施急剧纠偏，造成管片与隧洞间出现较大空隙，应是采取微调逐步纠正。本项目制订了盾构机的操作规程要求纠偏量不得超过每环3mm。

3.3 掘进速度控制 因本项目的强、中风化泥质砂岩的围岩较软，正常情况下盾构机的掘进速度很快，同步及二次注浆施工工序的作业时间短而忙乱，导致管片与隧洞间空隙填充质量差，浆液不能及时提供仰止管片上浮所需的强度。故掘进速度需与注浆速度相适宜，本项目经过试验，采取的推进速度不超过5cm/min，以确保管片在脱出盾尾后不会因注浆作业滞后问题而产生不稳定的位移。

3.4 合理控制盾构机掘进高程 在本区间掘进时，监测一旦发现管片上浮较严重时，将盾构机切削盘轴线高程降至隧洞设计高程以下5cm处，实践证明，很好地抵消了的管片上浮，更好地使隧洞轴线与设计轴线相重合。

4 效果检测

随后监测表明，经采取管片后注双液浆、盾构姿态控制、掘进速度调整等措施，很好地控制管片的上浮。管片上浮量基本控制在5～13mm间，证明所采取的上浮控制措施是科学有效的。

5 结束语

①管片上浮主要发生于安装后的48h内，上浮量通常超过总量的70%以上，故控制管片上浮的措施需尽早实施，以达到最佳的控制效果。

②影响管片上浮的因素多，作用较为复杂，在施工时要根据复杂多变的地质情况及外部影响因素，结合监控量测结果，对各种施工信息进行动态分析及研究，通过技术与经济的综合考虑，对浆液的配合比进行适时调整及动态管理，以达到最佳的控制上浮效果。

③施工时，还要持续收集盾构机掘进时的各种参数及对应的管片上浮量，进行总结及分析，探索出不同地质条件下的适宜掘进参数，最大程度地控制管片的上浮，以达到规范及设计要求。

参考文献：

[1]杨秀仁.北京地铁盾构隧道设计与施工技术[M].北京：中国铁道出版社，2016，01.

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[3]张东晓，李朝，吕大桅，孙成博，徐杏华.盾构隧道管片上浮机理分析及控制研究[J].铁道标准设计，2011（7）.

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