粘土地层盾构管片上浮原因分析及应对措施

（中铁十六局集团有限公司北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100）

伴随着盾构施工在我国的兴起，盾构技术也越来越成熟，被广泛地应用到典型的黏土地层中。在盾构施工中，成型隧道的质量是施工方和监理方以及设计方等关注的重点，直接关系到隧道的使用以及人的安全。目前，在粘土地层盾构施工中，管片上浮直接导致管片大量错台、破损，甚至直接影响成型隧道线型超限。因此，需要在实际施工中研究分析管片上浮的原因，制定有效措施避免管片上浮，保证隧道后期使用质量。

1 管片上浮的危害

隧道地层盾构管片上浮会带来一系列的连锁反应。首先，管片上浮直接影响成型隧道的轴线偏差，会引起衬砌结构侵入隧道的建筑限界，其次，管片上浮会引起管片间的错台，使纵向连接螺栓受剪，出现管片裂缝，严重的还会剪断纵向连接螺栓，影响结构安全，此外，螺栓的剪断或管片间出现裂缝和错台等可能破坏管片的防水结构，进而引起渗漏，如果不及时补救，在一些地层中可能出现严重的管涌、流沙等事故，最后，在同步注浆的施工中，管片上浮引发的上覆土裂缝会使浆液外流，注浆量也会明显增加，裂缝中水的补给会阻碍浆液凝固，更不利于上浮现象的改善。

2 粘土地层盾构管片上浮的主要原因

粘土地层盾构管片的上浮现象会导致隧道项目工程困难或成果不理想。造成粘土地层盾构管片上浮的原因很多，主要有如下几点。

2.1 粘土地层与盾构管片之间存有空隙

由于粘土地层具有水分较大、材质较松、承载力弱等特点，可能导致盾构管片安装不到位，在后续工程中出现盾构管片上浮的问题。通常，粘土地层和盾构管片之间一旦形成空隙，在粘土地层砂土流失的过程中，会产生管片上浮的情况，对工程质量造成影响。粘土地层与盾构管片间存有空隙是技术人员在安装管片前期要注意的问题，空隙会导致粘土地层与管片间发生错位，严重时可能造成管片受力不匀而断裂。在发现有空隙的情况下，应及时将空隙进行填补。技术人员应定期对已安装管片的项目进行检测和排查，做到早期及时发现。

2.2 粘土土质和工程坡度的影响

粘土土质不具有坚硬的特性，因此，在粘土地层进行盾构管片安装时，要额外关注粘土的土质问题。从粘土土质和工程坡度影响的角度来讲，土质疏松和工程坡度不合适会使粘土地层与盾构管片之间存有空隙，导致管片上浮。即使没有明显的空隙，也会出现区域松软的部分，导致局部管片所受的浮力增大，进而受力不均，呈现盾构管片上浮的结果。从工程坡度角度分析，通常情况下工程坡度维持在30度以下为宜，若角度过大，管片与周围粘土的受力出现不平衡的现象更甚，上浮情况也就更严重。由此可见，粘土土质和工程坡度对管片上浮的影响十分普遍，需要在工程进行之前实地进行合理规划。

2.3 从浆液角度分析

工程进行中粘土地层和盾构管片之间如留有空隙，通常通过注入浆液的方式对空隙进行填充。由于浆液的质地和凝固速度存在差别，导致管片所受浮力也大不相同。若浆液的质地较稀，注入粘土地层和盾构管片之间后会导致管片所受的浮力更大，若浆液的质地较稠，注入过程中会增加浆液的注入难度。因此，调配浆液的配比要根据粘土地层的质地进行充分考虑。一般情况下，浆液的凝固速度要与管片的重量匹配。若浆液的凝固速度较慢，会出现盾构管片上浮的情况，若浆液的凝固速度较快，会出现管片还未移动至合适位置就凝固的现象。因此，技术人员应对浆液的质地和凝固速度进行合理控制。

2.4 盾构的姿态问题

盾构机在掘进过程中的轨迹实际上是围绕隧道轴线的一条蛇形曲线，要通过不断调整各分区千斤顶的推力来确保盾构的姿态。盾构管片上浮较大段位于缓直线上，盾构油缸部分偏差以及盾构机右侧铰接油缸伸长量一直为零的情况下造成盾构机出现“载头”现象，导致施工中推力差，管片受到偏心压力，在已安装环面上产生力矩作用，压力差越大，力矩值越大，管片环面受力不均加剧了管片的上浮。

3 如何应对粘土地层盾构管片上浮问题

粘土地层盾构管片上浮问题会影响隧道项目工程质量，为了改善与解决上浮现象，从以下几方面展开探析。

3.1 从二次注浆与同步注浆角度分析

同步注浆指在盾构机安装管片时就对粘土地层与盾构管片之间的空隙及时填充。其可以最大程度减少管片上浮的现象，但技术难度较大，一般对于同步注浆的浆液凝固时间也有要求。二次注浆指在盾构机将管片进行注浆固定完毕后，再次注浆对工程进行二次固定。在二次注浆的过程中，只需要控制固定位置即可，这与盾构管片首次固定是分不开的。对于二次注浆与同步注浆，技术人员应引起足够的重视，保证同步注浆和二次注浆呈现较大的固定效果，从而减少盾构管片出现上浮的情况。二次注浆和同步注浆都应及时进行，保证注浆的时效性。

3.2 控制盾构机姿态

盾构机姿态也就是盾构机的行为轨迹在某种程度上决定着盾构管片与粘土地层之间的空隙是否存在及其大小。通常，盾构机的行为轨迹尽可能控制在较小的范围内，尽量降低管片出现“蛇型”的情况。若出现“蛇型”的情况，就表明盾构管片的跨度较大，产生的空隙也就越大。一般情况下，盾构机管片安装每环不超过3mm。技术人员在控制盾构机姿态时，首先，应对盾构机的精度进行确认，保证盾构机行为轨迹的精确度，其次，应对工程实施路线进行详细的规划，避免出现“蛇型”走势。控制盾构机姿态后，粘土地层与盾构管片之间的空隙也就随之控制，避免了盾构管片的上浮情况。

3.3 强化管片姿态监测技术

管片姿态监测技术指对管片进行传感器监测，判断管片是否存在上浮现象。精密度较高的监测设备提供的数据相对精确。土地监测的硬件设备通常会采用使用简便的测量设备，较复杂的监测设备在技术人员操作过程中会难以上手，进而导致监测结果出现较大误差。强化管片姿态监测技术也是强化整个项目工程的系统反馈。技术人员在管片表层安装监测传感器，并将传感器的终端与电脑连接，通过电脑的信息反馈，技术人员对管片进行实时监测，如果出现上浮，及时修补。

4 小结

综上所述，粘土地层与盾构管片之间的测量和安装技术在很大程度上决定了管片的上浮情况。技术人员应及时分析管片上浮原因，从根本上减少盾构管片的上浮现象，保证项目工程的质量，优化项目的进度。