盾构法空推施工管片上浮原因分析及控制措施

陈小卫 詹洋 毛代红 中国水利水电第七工程局有限公司

盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法。它是将盾构机械在地中推进，通过盾构机刀盘上安装的双刃滚刀、单刃滚刀、撕裂刀或软岩刀等刀具对岩体进行切割、研磨使之破碎，以达到掘进的目的。当岩石强度大于80MPa时，由于岩石强度过大，刀具磨损较快，且掘进速度缓慢，为满足整体施工需求，一般考虑在较长段岩层大于80MPa时采用矿山法形成盾构机空推通道，盾构机采用空推过站的方式通过硬岩地段。

为确保盾构机在空推段顺利通过，矿山法隧道施工完成后在隧道底部施工一导向平台。导台支撑着盾构机并为盾构机前进起导向作用，盾构机在导台上空载推进并拼装管片。导台砼强度等级C30，厚150mm，导台断面圆弧与隧道中心夹角为60°，每延米导台砼量为0.253m3。盾构机空载推进依据刀盘与导向平台间的关系，调整各组油缸的行程，使盾构姿态沿设计方向推进。开始段推进速度控制在15～40mm/min，熟练后控制在60～85mm/min，总推力约300t，下部油缸压力略大于上部油缸。曲线段，计算出盾构机每进一环的偏转角与铰接油缸行程差和推进油缸行程差。盾构推进前复核钻爆隧道与盾构机轴线误差，并调整铰接油缸、推进油缸，保证盾壳与钻爆隧道间的间隙，确保盾构按隧道设计轴线推进。管片安装从隧道底部开始，先安装标准块，依次安装相邻块，最后安装封顶块。封顶块安装时先径向插入约6/7管片宽度，调整位置后缓慢纵向顶推。管片块安装到位后，及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，然后移开管片安装机。由于矿山法隧道净空直径Ф6400，管片外径Ф6000，管片与隧道初衬之间有20cm宽的环形空隙，在盾构向前推进的同时喷射豆砾石充填，并同步注入水泥浆，使管片脱离盾尾时，由于豆砾石对管片的支撑，防止管片下沉产生错台，并增加盾构向前推进的摩擦力。管片背后同步注浆，使管片与地层紧密接触，提高支护效果。每环管片豆砾石充填量为5.84m3，采用5～10mm大小的花岗岩。充填豆粒石主要施工方法如下：采用砼喷射机吹豆砾石，喷射机布置在盾构刀盘前方约15米处，附近堆放豆砾石，豆砾石通过竖井葫芦吊垂直运输和洞内汽车水平运输到喷射地点，压缩空气从竖井外压缩机通过管道提供，盾构往前推进2～3环，吹填豆砾石2～3环，吹填前先将盾构刀盘与隧道初支的空隙处用袋装砾石封堵，防止吹填时豆砾石和浆液流出。按照从里到外、从下到上的吹填方法把盾体外的空隙填满，喷管操作人员站在焊接在刀盘上的施工平台上；同步注浆采用水泥膨润土混合浆，配比为水泥：粉煤灰：膨润土：水=1：3：5：6.75，注浆压力现场灵活控制，以将豆砾石填充饱满、密实为原则。水泥浆初凝控制在8h、终凝控制在12h左右。施工时根据浆液的流动情况，适当调整浆液水灰比以及胶凝时间。管片顶部豆砾石往往很难一次注浆充填密实，留有少量空洞，当管片脱出盾尾等第一次注浆凝固后，每隔2环打穿拱腰以上管片吊装孔，检查第一次注浆效果，必要时采用二次注浆补强。注浆材料采用水泥膨润土混合浆或（水玻璃+水泥砂浆）双液浆。双液浆配合比：水：水泥：水玻璃=1：1：1，水玻璃根据需要凝固时间进行调整，在管片缝隙漏水情况下使用双液浆。

以中铁装备190土压平衡盾构机为例，盾构机刀盘开挖直径为6280mm，为确保盾构机通过，矿山法段开挖净空直径为6400mm，盾体直径6250mm，盾构管片外径为6000mm。由于受隧道内空间限制，豆粒石自然堆砌时，一般仅堆砌半洞，盾构空推通过时利用喷射机在刀盘前端向前方向上半洞盾体及隧道周围空隙内喷射豆砾石，当采用同步浆液对盾构机周围豆粒石进行充填时，由于管片直径较盾体直径小约25cm，且管片和盾构机同轴，导致盾构机周围虽在豆粒石充填时已密实，但当拖出盾尾后管片上部豆粒石填充不密实，由于前端没有掌子面，为减少浆液流动至刀盘前端豆粒石范围，故一般注浆压力较小，且同步注浆量较小，且水泥浆初凝时间约8小时，时间较长，注浆后随重力作用下多数分布于管片下半部分，且极易随管片周围渗水同步流失，且二次注浆时，因受设备注浆管位置限制，同时考虑管片渗水情况，当采用双液浆时由于凝结时间较短，一般仅在注浆管周围浆液较丰富，由于浆液无法在60秒内将管片周边填充密实，导致管片顶端存在较大空腔，而管片设计自重约13t，经计算，封闭管片单环在地下水中浮力约42t，大于管片自重，故在盾构隧道成型后，地下水重新充填隧道周围空腔时必然导致管片上浮，而由于隧道顶部的空腔存在无法保证隧道线型质量，故矿山法空推隧道的抗上浮问题亟待解决。

常规隧道抗上浮措施：每天跟踪测量管片姿态，及时反馈监测数据，分析管片姿态每日变化趋势，研究管片是否存在上浮，以及上浮速度及上浮量。防止管片上浮主要是在回填和注浆期间，要严格按照前述施工方法、步骤进行回填和注浆施工。加强管片注浆管理，保证管片上部及圆曲线外侧的管片空隙也被浆液填充密实。一旦出现管片上浮，可在管片上浮或侧移处，通过打穿吊装孔，打入注浆管进行二次补充注浆，浆液可选择使用双液浆使其凝固速度加快，迅速填充管片背后上部间隙，阻止管片上浮或侧移。根据现场实际操作反馈，上述措施人员投入较大，每日测量人员进行管片姿态测量时同盾构掘进施工存在一定的交叉作业，安全风险较大，降低施工工效。当地下水位较高时，地下水在管片拼装过程中迅速充填管片周围，当发现管片上浮时，再通过管片周围注浆，在浆液凝结前，管片仍受到周围地下水的持续浮力，故无法立即控制管片的上浮，从新开孔、注浆此段时间管片仍存在上浮，若未迅速处置，极易导致管片上浮过大，不满足盾构施工规范对洞轴线的允许偏差值要求。

为确保盾构空推施工质量，避免管片注浆不密实导致的管片后期上浮较大，影响盾构隧道施工质量，经现场实际使用，目前对盾构空推过站注浆工艺进行了优化，具体施工措施及操作流程如下：

盾构空推管片周围空腔形成原因主要为盾构机与管片之间的直径差异，盾构机过空推段时，在盾构机进入空推导台前，立即对盾构机周围刮刀进行了拆除，拆除后，以中铁装备为例，盾体直径为6250mm，由于盾构管片必须在盾体内拼装，豆粒石充填在矿山法隧道内盾构机盾体前端，当盾构机通过管片提供反作用力前进的过程中刀盘前端6250范围内豆粒石已全部推离隧道，而管片直径为6000mm，盾构机在空推导台上滑行过程中，管片受盾构机尾盾及后部注浆固结段管片通过螺栓连接束缚，导致新拖出盾尾的管片无法直接接触导台，此时周围充填的豆粒石在重力作用下自由下落至管片两侧部分间隙，同时管片周围迅速充填大量地下水，具体分析详见《关于盾构法施工渗水通道成因猜想及初步验证》（注浆水运.2020年5月下）正文论述，此时同步注浆浆液无法充填管片正下方区域，且极易沿渗水通道流失或渗入周围隧道土体中。为确保盾构施工质量，在常规拼装中加强螺栓连接控制外，创新采取了如下方式：1）同步注浆时直接采用双液注浆，浆液凝结时间在60s以内，由于浆液凝结时间较短，故此时浆液流失较少，同时在盾构空推时同时对隧道内进行抽水，确保管片底部无积水，此时注浆可根据管片同周围矿山法间隙算出充填量，此时仅通过下部两个注浆孔进行注浆，注浆仅需保证管片下半部同隧道周围及底部导台之间的间隙被同步浆液充填密实相互接触避免管片下沉；2）在隧道顶部1点、11点、12点三处提前固定三个不透水土工布加工的水带，水带充填后直径必须大于管片及矿山法之间的间隙并耐受压力一定的压力（仅用于终浆控制），当下半部进行同步注浆后，每3环-5环在预埋的土工袋内充填双液浆，利用浆液迅速充填管片顶部及管片周围矿山法段空间间隙，确保管片后期不上浮；3）浆液凝结后，再利用二次注浆对管片周围进行充填，进一步加强管片同周围矿山法段进一步可靠充填。通过上述措施有效避免了直接注浆过程中的管片上浮现象，同时可以在二次注浆时加大注浆压力，确保管片周围浆液的充填质量，进一步确保了空推断管片拼装线型及质量。

结语

由于目前矿山法隧道无统一的抗上浮措施，仅通过注浆机过程测量监控控制，人员投入数量较大，发现上浮后，需进一步打孔注浆并利用钢筋强制束缚管片，为被动措施，时间长，效果较差，必要时需配合打孔泄水或堆载的措施，投入大，交叉影响大。通过上述顶部预充填的方式不仅有效的控制管片上浮，且土工袋投入小，有效的控制了施工质量，降低了施工成本。本文描述的施工措施可能存在一定的不足之处，希望在后续过程中相互学习沟通。