复杂地层盾构管片上浮纠偏及处理施工技术研究

孙 震

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司 湖北武汉 430074）

1 工程概况

区间隧道为常码头站至王家墩商务区的王家墩中心站，区间右线里程为右 DK4+326.005～右DK5+563.400，右线长1237.395 m；区间左线里程为线路设2个曲线，曲线半径分别为700 m、650 m，线间距为15～18 m。区间最大埋深约26.69 m，最小埋深约9.84 m。右线穿越（3-4）粉质黏土夹粉土层24.8 m、（3-5）粉质粘土夹粉砂粉土层99.0 m、（4-1）粉细砂层495.0 m、（4-2）细砂层618.7 m。

2 盾构隧道管片上浮位移观测

常～王区间右线盾构在掘进118环时，管片姿态经人工复测后垂直姿态已超过50，管片出现明显上浮现象，下表统计了常～王区间右线118环～214环中部分环管片上浮情况。

表1 部分环管片中心高程上浮值统计表

3 管片上浮原因分析

3.1 同步注浆的影响

图1 盾构管片姿态

隧道上浮有两大原因：一是管片与土体之间有间隙的存在，二是引起上浮位移的力，同步注浆浆液在填充了管片与土体之间有间隙的同时，让隧道与周围土层紧密接触形成稳定的复合构造体共同抵抗外力。要解决以上问题，关键选择的注浆浆液应满足[1-2]：①必须具有充填性；②应具有一定的和易性且离析少；③应及早凝固且有一定的早期强度，以抵抗变形对管片产生的不均匀压力。同时，浆液硬化后的体积收缩率要小，以便更好地固定管片；④应有合适的稠度，以便不被地下水稀释。从衬背注浆的目的和对浆液的性能要求上分析，及时填充固结管片背后环形建筑空间是解决管片上浮位移的关键。

鉴于通常的浆液失水固结，盾构推进时壳体带土使开挖断面大于盾构外径，部分浆液劈裂到周围地层，导致实际注浆量要超过理论注浆量。按照以往工程实践[3]，注浆时实际注浆量应为理论空隙体积的150%～250%，在本区间上述两试验段采用170%。另外，注浆压力应为保证足够注浆量的最小值，一般为0.15～0.25 MPa。浆液分配控制为：增大上部两个注浆管注浆量和注浆量和注浆压力，下部两个注浆管少注或不注。对于整环管片来讲，上部与下部的注浆量比例为2∶1或者2∶0。

从盾构机掘进到管片脱出盾尾后的工况分析来看，隧道管片在一定长度范围内就象两端固定的弹簧梁，一端受到盾尾的约束不能上浮，另一端受到已凝固注浆固体的约束也不能上浮。若管片脱出盾尾后（一般情况2～3环），同步注浆的浆液不能达到初凝和一定的早期强度，隧道管片仍可视为浸泡在液体之中，在浮力的作用下必然会产生上浮现象。

3.2 盾构机姿态及走向的影响

盾构机在掘进过程中的运动轨迹实际上是一条蛇形运动轨迹，始终围绕着隧道轴线作蛇形运动，要通过不断调整各分区油缸千斤顶的推力来让盾构机运动中不断逐渐靠近隧道设计轴线[4]。而本段隧道设计轴线纵断面呈“V”字形上下坡，所处地层砂层。在盾构掘进中，由于盾构机自身重量，可能发生盾构机偏离隧道中心线以下。此时，为纠正其运动轨迹不断靠近理论轴线，要加大下部千斤顶的推力以克服盾构机身的自重。在隧道轴线由下坡改变为上坡或由急下坡改变为缓下坡时，亦需要加大下部千斤顶的推力，循序渐进地改变盾构机的运动轨迹，以满足设计线路的需要。本区间盾构隧道无论是盾构机偏离隧道中心线以下还是线路坡度变化，都通过加大下部千斤顶的推力来调整盾构机的姿态。这样，致使管片底部受到大于上部的作用力，管片环面上受力不均，加剧了管片上浮的趋势。

4 管片上浮纠偏措施

4.1 注浆控制技术

在含水软土地层中，解决管片上浮问题实质上是同步注浆稳定管片与管片上浮在时间上的问题,比较理想的注浆方法应是盾构沿轴线掘进，注浆浆液完全充填施工间隙并快速凝固形成早期强度，隧道与周围土体形成整体构造物从而达到稳定[5]。在浆液性能上的选择唯有双液瞬凝性浆液（水泥浆液和水玻璃浆液）和同步注浆工艺能彻底解决管片上浮的问题。双液瞬凝浆液因其时效特点在隧道位移控制上是具有优势的，但双液浆随着温度的变化，同种配比的浆液化学凝胶时间因时而异，堵管故障极易发生。同步注浆管在掘进结束前只能清洗而无法更换，这也是本区间仍然采用惰性浆液的原因之一。

根据管片上浮的规律值和盾构推进姿态的关系合理选择注浆孔位、注浆量和注浆压力。根据本区间施工经验，盾构上部两注浆孔的注浆量明显大于下部两孔位的浆量，有时甚至下部可以不注浆以减小管片的上浮量。

4.2 盾构机姿态控制技术

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的过程。所以要求在掘进过程中必须要控制好盾构机的姿态，尽可能地使其沿隧道轴线作小量的蛇形运动。按规范要求，盾构掘进中，拼装管片中心轴线的平面位置和高程允许偏差为±50 mm。发现偏差时应逐步纠正，避免突纠，以免人为造成管片环面受力严重不均。

在本区间施工中重点控制急曲线和大坡度转点，一要合理调整各区域千斤顶油压，但各区千斤顶油压差不宜过大，与盾构中心线相对称区域的千斤顶油压差应小于5 MPa，其伸出长度差应小于12 cm；二要跟踪测量管片法面的变化，及时利用环面粘贴石棉橡胶板纠偏，粘贴时上下呈阶梯状分布。三要根据上浮规律值控制盾构推进高程。

4.3 掘进速度控制技术

若同步注浆过程中，浆液不能达到及时有效地固结和稳定管片的条件时，应适当控制盾构掘进速度，一般以缓推为宜，推进速度不大于4 cm/min，确保管片脱出盾尾时形成的空隙量与注浆量平衡，尽量避免注入的浆液被水稀释而降低浆液性能。

4.4 盾构机推进高程控制技术

在本区间隧道推进中，根据统计的管片拼装后上浮经验值，将盾构机推进轴线高程降至设计轴线下50mm，以此来抵消管片衬砌后期的上浮量，使隧道中心轴线近可能地接近设计轴线。

5 上浮后的管片处理技术

上浮后的管片处理比较难，一般可尝试在隧道底部打开注浆孔泄压，释放管片底部的注浆浆液，根据经验，此方法效果不理想，且污染隧道[6]。一旦发现管片上浮超限，立即停止盾构掘进，对已上浮的管片通过注浆孔进行二次注浆。注浆材料以瞬凝双液浆为最好，注浆压注顺序应顺着隧道坡度方向，从隧道拱顶至两腰，最后压注拱底。终止注浆以打开拱底注浆孔无渗水为条件，以防止盾构恢复掘进后管片继续上浮。对于上浮段长、上浮量大、超限严重的隧道，只有进行设计调坡才首岂满足隧道限界的要求。

6 结语

在对区间隧道施工过程管片上浮控制中，要对复杂地质情况进行分析研究，加强管片姿态变化监测并做系统分析、归纳，从中摸索出适应不同土质、覆土等条件与之相对应的盾构掘进参数的变化规律并及时对其进行动态优化和调整；同时适时合理地管理注浆作业，调整不同施工段的配比和注浆量、注浆压力：最大可能地控制隧道管片在施工过程中的上浮，使隧道轴线满足设计规范要求。