微膨胀地层中盾构管片上浮控制技术研究

夏成旭

(合肥市轨道交通集团有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

膨胀土亦称“胀缩性土”，浸水后体积剧烈膨胀，失水后体积显著收缩的黏性土。合肥地区黏土地层中因含有高岭土颗粒，而具有微膨胀的潜势，属于微膨胀土。在盾构掘进因需要注浆，会使微膨胀土地层的含水量发生改变，因而管片周围土会产生胀缩应力，导致管片出现不同程度的上浮，对于成型隧道的限界控制产生不利影响[1-4]。

1 工程概况

合肥地铁4号线金桂路站-科学大道站盾构隧道区间地层中黏土含有伊利石、高岭石等亲水性颗粒而具有遇水膨胀，失水收缩，反复胀缩的特性，具有微膨胀性，属于微膨胀地层。区间隧道采用盾构法施工，盾构机为中铁装备CTE6250H土压平衡盾构机，刀盘直径6 280 mm，刀盘开口率到达60%。管片设计外径6 m，厚0.3 m，内径5.4 m，长度1.5 m。

2 管片上浮位移观测

表1为管片上浮统计表，表中初测时间为：该环管片拼装完成当天，该环管片一般位于盾尾位置；二测时间为：该环管片拼装完成第二天，该环一般位于盾尾后6环位置；三测时间为：该环管片拼装完成第三天，该环一般位于盾尾后12环位置；四测时间为：该环管片拼装完成第四天，该环一般位于盾尾后18环位置。

表1 管片上浮统量(单位：mm)

从表1可以看出，单环管片最大总上浮量达到56 mm，最小总上浮量也有14 mm。如不控制管片上浮现象，极容易出现管片侵限问题。

管片累计上浮量与时间的关系如图1所示。

图1 管片累计上浮量与时间关系图

由图1可知，管片第一次的上浮量较大，占总上浮量的比例超过82.4%。其中91环第一天的上浮量达到59mm，上浮量最大极易出现管片侵限；从第2天开始除96环，其他管片上浮量不在变化，趋于稳定，有部分管片的上浮量略有减小。通过管片与盾构机的相对位置关系以及每天掘进速度等情况，分析可知：当管片脱出盾尾后管片开始出现上浮现象，直到盾尾后6环管片上浮量趋于稳定。

3 管片上浮原因分析

隧道管片上浮主要受地质条件、注浆浮力、管片与土体间的间隙、盾构姿态等因素影响[5]。下面对此次观测区间内隧道中管片上浮的具体原因进行分析。

3.1 同步注浆

文献[6]研究受注浆液的影响，管片脱离盾尾后，浆液的浮力为管片自重的4倍。通过现场注浆后观察管片上浮情况发现同步注浆可以很好地填充管片与土体之间的间隙，减少管片的移动空间，但由于注浆量不足或者浆液初凝时间长，不能很好地限制管片的移动，也会导致管片上浮。

3.2 二次注浆

二次注浆可以很好地填充同步注浆未充满的空隙，二次注浆跟进不及时，对管片上浮也会有一定的影响。

3.3 注浆点位选择

文献[7]研究发现，管片上浮与注浆压力有关。通过观察现场注浆发现注浆点位置对注浆压力有影响。当注浆点偏下，下部注浆压力会大于上部注浆压力，就会给管片一个向上的力，加剧管片的上浮；当注浆点偏上时，上部注浆压力大于下部注浆压力时，就会给管片一个向下的力，抑制管片上浮。因此注浆过程中注浆点的位置特别关键。

3.4 千斤顶压力

当盾构机保持正趋向时，盾构机千斤顶会给管片一个向下的分力，限制管片的上浮。当盾构机的趋向为负时，盾构机千斤顶会给管片一个向上的分力，剧管片的上浮[8,9]。盾构垂直姿态控制不稳，导致趋向变动较大，可能使上浮量呈波浪状变化。

3.5 螺栓复紧

通常螺栓紧固分3次进行，分别是管片拼装时、推进至1 200 mm时、脱出盾尾时。紧固的螺栓能有效增加管片之间的整体性，从而减少管片环与环之间、片与片之间的错动，特别是环与环之间的纵向螺栓，使环与环之间连成一个整体，有效减少管片上浮。

3.6 地层的胀缩性

由于地层土为微膨胀性黏土，具有遇水膨胀，失水收缩，反复胀缩的特性，故同步注浆、二次注浆、渣土改良等能够使地层含水量发生变化，对管片的稳定产生影响。

4 控制措施

管片安装后存在上浮主要是因为盾构机刀盘的直径要大于管片直径，导致管片脱出盾尾后与土体之间存在空隙，从而管片安装后会出现上浮[10]。为了解决管片上浮量较大这一问题，根据上述原因分析提出同步注浆、二次注浆、控制千斤顶推力和螺栓复紧等措施。

4.1 同步注浆

同步注浆的配合比、初凝时间和注浆量是影响管片的重要因素。在隧道盾构掘进过程中，通过调整注浆材料和优化配合比，以缩短浆液初凝时间，浆液材料配比表如表2所示。注浆过程中，适当增加注浆量，由原来的5方改为5.5方，减小管片与土体之间的间隙。通过调整注浆方式来减小管片上浮，由均匀注浆改为适当增大上部注浆量。上部注入70%的浆量，下部注入30%的浆量，以增大上部压力，减小下部压力，从而减少管片上浮量。

表2 浆液材料配比表(1m3浆液)

4.2 二次注浆

二次注浆及时跟进到一号台车附近，及时填充同步注浆遗留下的空隙，加速浆液的凝固，限制管片上浮；开孔位置选择在管片环上半部，以压力控制为主。

4.3 千斤顶推力

稳定盾构机姿态，盾构机纠偏采取勤纠、缓纠的方式，严禁大趋向纠偏，保持盾构机抬头推进，使千斤顶始终给管片向下的分力，抑制管片的上浮。

4.4 螺栓复紧

加强对于螺栓复紧的管理，确保螺栓复紧及时、全面，减少环与环之间的位置错动，控制管片上浮。

5 结果分析

采取上述措施后，管片上浮量情况见表3。由表3所列可知，管片的总上浮量明显减小，105环管片上浮量最大，但也只有18mm。其他两个管片的上浮量基本为0。

表3 采取措施后管片上浮量(单位：mm)

采取措施后管片的累计上浮量随时间变化的曲线如图2所示。

图2 采取措施后管片累计上浮量与时间关系图

从图2可以看出，管片的上浮量在第一天仍未最大，但是与未采取措施前相比上浮量有明显的减小，初次上浮量最大仅为17 mm，仅为采取措施之前最大上浮量59 mm的28.8%，减小了71.2%。从图中还可以看出，第二天开始，曲线开始下降，说明采取措施后管片累计上浮量开始减小，管片的整体上浮情况得到缓解。结果表明，在采取了增加同步注浆量和调整注浆方式、及时跟进二次注浆、控制千斤顶压力和及时螺栓复紧等措施之后，管片上浮状况得到了有效的控制，证明所采取的措施具有有效性。

6 结束语

通过对合肥市盾构管片上浮量的研究分析，在微膨胀地层中盾构掘进时出现的管片上浮量较大的现象，可以通过适当增加注浆量，增大上部注浆量，采用初凝快的硬性浆，盾构姿态抬头稳定推进，二次注浆及时跟进，加强螺栓复紧等措施进行有效控制。另外根据调查及实践盾构机选型时可选用刀盘直径较小的盾构机也有利于管片上浮控制。由于管片上浮的原因较多，控制管片上浮应采取综合治理的措施，单一措施难以达到理想效果。