浅析泥岩地层中盾构施工管片上浮原因及控制措施

董信乐

（中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250000）

伴随着盾构施工法在我国的兴起，盾构施工技术越来越成熟，被不断的应用到各种地层中。在众多地铁工程中，盾构施工的成型隧道质量是业主方、施工方、监理方以及设计方等多家单位一直关注的重点，直接关系到成型的隧道能否投入到地铁运营中去，以及人民的安全是否能得到有效保障。泥岩地层盾构施工中，管片上浮直接导致管片大量错台、破损甚至直接影响到成型隧道线型的超限。本文结合成都地铁6号线玉双路站-牛王庙站区间管片上浮的工程实例，从全断面泥岩地质特性、同步注浆浆液配合比及注浆工艺、盾构姿态控制三个方面，重点对掘进过程中产生的管片上浮现象以及实施的措施及效果进行分析研究。

1 工程地质及水文概况

1.1 地质概况

玉双路站-牛王庙站区间主要穿越地层为5-3中风化泥岩，部分为5-2强风化泥岩及5-1全风化泥岩。

中风化泥岩：褐红色、紫红色，中厚层状，泥质或微钙质结构，泥质胶结。岩芯多呈柱状，少量呈碎块状，较完整，岩质较软，为极软岩。软弱夹层或差异风化在部分地段较明显，易风化，遇水易软化，岩体基本质量等级为Ⅴ类。厚度一般1.50～14.10 m。

强风化泥岩：褐红色、紫红色，泥质结构，裂隙较发育，岩芯多呈碎块状、短柱状，岩质软，为极软岩，岩心碎块手可折断。岩体基本质量等级为Ⅴ类，层厚一般0.70～9.20 m。

全风化泥岩：褐黄色、褐红色、紫红色夹灰白色，主要由黏土矿物组成，岩质极软，岩芯呈土柱状，少量碎块状。本层沿线广泛分布，发育厚度不均匀，层厚0.50～4.60 m，部分地段缺失该层。

1.2 水文概况

根据成都地区水文地质资料及地下水赋存条件，开挖掌子面地下水主要有三种存在形式：一是充填层上部滞水，二是第四系砂卵石层孔隙潜水，三是基岩裂隙水。第四系砂卵石层的孔隙潜水对工程影响很大。

管片上浮情况统计。2019年7月18日，玉牛区间左线在盾构掘进完成第510环后，发现成型管片上浮量较大，其统计数据见表1。

从统计数据可以看出，玉牛区间左线第496～505环管片上浮量出现较明显变化，最大上浮量为108 mm，管片轴线高程位移量为66 mm，出现超限现象。

表1 管片上浮量统计数据

2 管片上浮原因分析

成都地铁6号线玉双路站-牛王庙站盾构区间采用两台Φ6 280 mm EPB盾构机连续施工，掘进施工中脱出盾尾的成型管片与开挖土体间会有140 mm的间隙，掘进过程中通过同步注浆来填充此间隙，填充效果及浆液凝结时间是控制管片上浮的重点。

2.1 地质条件原因

因为泥岩渗透性差，稳定性好，所以盾构机在泥岩地层中掘进时，渣土改良中的水和地层水大部分通过盾体与土体之间的间隙汇集到管片壁后，积聚后很容易形成浮力。管片刚脱离盾尾，其壁后的间隙可能马上会被水包裹，从而更容易形成水浮力。根据管片结构尺寸可以计算得出一环管片自重G=192 kN（管片混凝土体积计算为8 m3/每环），每环脱出盾尾的成型管片受到的浮力F浮=ρ液gV排=1×10×42.4=424 kN（每环管片排开水的体积为42.4 m3）。根据以上两个数据对比分析可见，每一环脱出盾尾的成型管片受到的浮力远大于其自重。可见，成型隧道管片在地下水丰富的全断面泥岩地质条件下，管片自身存在上浮的趋势。

2.2 同步浆液质量

土压平衡盾构机掘进中同步注浆的目的是防止地面沉降，保证管片（管片位移）的稳定性和应力的均匀性，提高隧道的抗渗性。为满足这三个要求，同步浆液的性能要求应满足：（1）填充性能良好；（2）浆液具有流动性、保水性和黏聚性以及较少的离析性；（3）初凝时间应为4～6 h，为抵抗围岩形成的不均匀压力，浆液还需具备一定的早期强度；（4）为避免浆液被地下水稀释，浆液应具有适当的稠度；（5）浆液凝固后的缩水率小，会更有效地起到固定管片的作用。

通过上述分析可以得出结论，解决管片位移的关键在于有效的填充管片与土体之间的间隙。

玉双路站-牛王庙站盾构区间盾构在泥岩地层中掘进，为了填充管片与土体间的空隙，同步浆液通过在盾尾配备好的注浆管路进行压注，其浆液配合比见表2。

表2 同步浆液配合比 /kg

因为此段地层主要为强风化、中风化泥岩，裂隙水比较发育，渗透系数较大（K=3～5 m/d）。在盾构施工中，渣土呈流塑状并偶尔有喷涌现象出现。这个现象充分说明，此段地层含水量比较丰富。

通过从脱出盾尾后10环管片注浆孔开孔观察，发现注浆孔仍有浆液流出，说明以上述浆液配合比所拌和的浆液初凝时间大于6 h，成型管片相当于还被液体所包裹，自然会产生上浮现象。同时，地下水汇集于管片四周将浆液稀释，导致浆液初凝时间延长，进一步恶化了管片稳定环境。

2.3 盾构姿态

盾构机在掘进时围绕着隧道设计轴线做蛇形运动，要不断地调整各组油缸千斤顶的油压让盾构机实际掘进轴线与隧道设计轴线相拟合。

因盾构机在泥岩地层中掘进时，泥岩渗透性差，自稳性好；又因开挖直径大于盾体直径，掘进过程中盾体与岩土之间摩擦力减小，导致滚动角变化快，盾构机姿态跳动厉害，偏离隧道设计轴线严重。这时就得频繁调整盾构姿态，导致管片环面受到油缸千斤顶不均匀的推力，因此管片受到的盾构机提供的向上的分力大于管片自身的重力，就会导致管片向上移动，因此发生上浮现象。

3 管片上浮控制措施

3.1 同步注浆量及浆液质量控制

根据以往盾构施工经验得出结论：同步浆液在保证不堵管的条件下，尽量缩短初凝时间，加快对管片的约束。现场实践得出同步浆液初凝时间控制在3～4 h，注浆压力控制在2～3×105Pa，每环（1.5 m型管片）注浆量控制在6 m3以上。另外，每隔两环对管片顶部注浆孔位置开孔，检查同步浆液的注入情况、观察初凝时间（见表3）。

表3 同步浆液配合比 /kg

同步注浆关键技术措施：

（1）注浆量≤理论值135%特殊情况除外；

（2）注浆压力1～3×105Pa定期清洗压力传感器，保证压力准确性；

（3）注浆速度根据掘进速度而定，推进完浆液注完尽量保证上下左右四路同时注浆，尽量保证均匀注浆。

3.2 二次注浆

在管片脱出盾尾2-3环处逐环进行二次注浆，同时在管片脱出盾尾6-8环做止水环，每推进5环做一次。二次注浆主要采用双液型浆液进行注浆，分A液（水泥+水）和B液（水玻璃+水）通过二次注浆泵将浆液通过管片吊装孔注入管片同步，施工中以钟表点为标准，注浆点位在2点、10点之间（含2点、10点）的范围内。

（1）二次注浆目的。①防止同步浆液不饱满，导致上部管片同步空隙大，下部浆液产生浮力。②固定管片，防止管片因静态浮力而变动，解决静态浮力引起的管片上浮以及错台。③形成止浆环，将浆液与水断开，减少静态浮力。④分解同步注浆产生的上浮力。

（2）二次注浆的注浆量和压力。二次注浆压力是注浆量的决定因素，二次注浆压力主要考虑盾构管片拼装完后，螺栓连接处所能承受的最小破坏压力来定，一般压力不超过5×105Pa，根据二次注浆压力控制注浆量。

（3）注浆浆液配合比（见表4）。

表4 二次注浆浆液配合比

（4）二次注浆关键技术措施。根据盾构法的特点，二次注浆作为配合同步注浆控制管片上浮、错台以及破损，其主要控制技术措施有：①二次注浆及时跟进同步注浆，防止拖后环数过多，不能达到预期效果。②注浆孔应该尽量设置在拱顶2点、10点范围内，以便更好固定管片环和阻挡顶部水流通道。③注浆孔位宜设置在盾尾后3环处（视具体设备情况确定）。④浆液的凝结时间应控制在20 s以内。⑤注浆时控制好注浆压力和注浆量。⑥二次注浆要与同步注浆相结合，随着盾构掘进的开挖，不间断施工。

3.3 盾构机姿态控制

有效地对盾构机的掘进姿态进行纠偏，是控制管片上浮的一个重要因素，需遵循几项原则：

（1）根据实际施工情况合理选择掘进参数；

（2）调整各组千斤顶油压，油压差不宜超过5×106Pa，千斤顶行程差应不大于40 mm；

（3）调整盾构机姿态严禁“猛纠”“急纠”，要做到“勤纠缓纠”，单环纠偏量0～5 mm。

3.4 其他措施

（1）确保盾构连续施工，避免因长时间停机导致管片上浮。

（2）合理选择管片型号，确保成型管片姿态与隧道设计轴线拟合，避免因管片选型失误造成管片上浮。

（3）管片拼装螺栓进行三次复紧：在拼装完成后首次对整环管片螺栓进行复紧，在下一环推进过程中对其进行第二次复紧，拼装下一环时对此环进行第三次复紧，螺栓复紧顺序是从K块开始，依次向两边对称复紧。

（4）每掘进5环对盾尾进行清理，避免盾尾中的杂物和硬物导致管片在拼装过程中出现上浮。

（5）每天进行一次管片监测，如发现管片上浮量大于50 mm时，应立即停止掘进，进行注浆处理。

4 结语

通过对成都地铁6号线玉双路站-牛王庙站盾构区间工程实践结果表明，在盾构隧道施工前期，进行充分的地质研究，通过对比与分析制定适合不同地质条件的浆液配合比，及时进行二次注浆，控制好盾构机掘进姿态，不仅能有效地控制地表沉降，还能控制管片上浮问题。因此，成型隧道的质量是可控的，相信不久的将来会有更多更有效的技术措施来控制泥岩地层中的管片上浮问题，从而保证施工质量及安全。