土压盾构施工过程中管片上浮控制技术探讨

韩 学 志

（中铁十六局集团有限公司，北京 100124）

1 工程概况及水文地质

1.1 工程概况

成都地铁5 号线土建10 标元华车辆段出入段线盾构区间由南、北出入段线构成，单线总里程3 218 m。区间隧道平面总体呈S 形，纵断面总体走向呈V 形。隧道最大覆土厚度19.2 m，最小覆土厚度5.7 m。隧道水平曲线最小转弯半径350 m，最大纵坡为32‰。

盾构管片采用C50 P12 混凝土预制。管片外径6 000 mm，内径5 400 mm，环宽1 500 mm，1 200 mm，管片厚度300 mm。每环由6 块管片组成，其中1 块封顶块、2 块临接块、3 块标准块。本隧道采用左、右转弯楔形环与标准环相互组合的方式来完成不同转弯半径的曲线拟合需求。所有楔形环均为双面楔形，楔形量38 mm。

衬砌环拼装方式采用错缝拼装，封顶块偏离正上方±54 °和±18 °，衬砌环连接采用M27 弯螺栓，环缝10 根，纵缝12 根。环缝及纵缝间防水材料采用三元乙丙弹性密封垫，管片间采用丁腈橡胶软木衬垫缓冲。图1 为衬砌管环连接示意图。

本隧道使用1 台海瑞克盾构机开挖，盾构机刀盘直径6 290 mm，盾尾标准间隙设定为30 mm，盾尾采用被动铰接形式，盾尾四周共设置8 路同步注浆管（4 用4 备）。

1.2 水文地质

本区间隧道除始发和接收段位于单一砂卵石地层，最低点前后共200 m 位于单一的中风化泥岩地层外，其余区段全部走行于上部为松散卵石，下部为强风化和中风化泥岩的复合地层。隧道埋深在5.7 m～19.2 m 不等。

区间隧道内地下水丰富，上部主要来自于地层潜水和地表降水，与锦城湖的湖水连通。下部主要来自于泥岩裂隙水，经探查在岩层较破碎的区段有水压较高的局部富水段。

2 管片上浮监测情况分析

通过观察统计，管片上浮主要有以下几个规律。

1）管片上浮从脱出盾尾那一刻开始（严重时管片在盾尾内就已开始上浮），在24 h 内完成上浮位移的80%，72 h 后管片达到基本稳定的状态。

2）管片上浮位移在离开盾尾约1 个盾构机长度（6 m～9 m）的位置达到最高值。

3）管片最终上浮位移基本与理论建筑间隙持平，即管片实际最终上浮到了开挖隧洞的最顶部，已无上浮通道。

3 管片上浮影响因素分析

3.1 施工中管片受力分析

推进过程中管片所受到的上升力可按下式计算：

式（1）中：F浮为管片在地层中受到的浮力，kN，主要由地下水（F水）和未固化的砂浆（F砂浆）提供，取其中最大值；P升为推进过程中受隧道坡度、管环楔形及盾构机姿态的影响，盾构机的推力并不完全垂直于管环截面，而是与管环截面呈一定角度，推进过程中产生的上升分力，kN；G管为管环自身重力，kN；F负为管片外部负载产生的重力，一般是指管环内及管环上部压覆在管片上的负载产生的重力，kN。在自立性好的地层，管环外侧上部为开挖空隙无负载，因此一般取内部负载的重力值，此处取1 块管片的重力，约32 kN；F其他为由螺栓紧固产生的管环之间的摩擦力和牵引力，kN。

3.1.1 管片在地层中受到的浮力

管片平均密度：ρ=2.4 t/m3。

管片环体积：V=8.05 m3。

管片产生的重力：G=193.2 kN。

管片在地层中受到的浮力：F水=423.9 kN；F砂浆=678.2 kN；F浮1=230.7 kN；F浮2=485.0 kN。

故单环管片在地层中受到上升力F浮1，F浮2取最大值：F升=485.0 kN。

由上述计算可看出在全泥岩地层，由于成洞效果好，在砂浆未凝固期间内管片受到接近2.5 倍自身重量的上升力。

假设该上升力均匀在管环上半圆的圆周周面上，则抵消该上升力，砂浆必须在管片脱出盾尾后达到P≈0.034 MPa。

由此计算看出必须缩短同步砂浆的初凝时间，而且要保证砂浆的初凝强度。

实际施工中，1 个掘进循环一般只有60 min～120 min，为保证砂浆的流塑性一般控制砂浆的初凝时间在6 h～8 h。因此在砂浆初凝前盾构机已经完成3 环～4 环进尺，此时脱出盾尾的管环全部浸润在未初凝的砂浆中，累加后的上浮力大大增加，此时极易造成管片整体上浮、错台、破碎等现象，因此必须采取措施缩短浆液的初凝时间。

3.1.2 推进分力

盾构机在上下坡时千斤顶油缸对管片施加一个向上的分力P升，这里使用管片上浮量最大区段的坡度32‰，计算得：P升≈287.85 kN。

此处取在泥岩地层推进过程中的平均推力P=9 000 kN，则在推进过程中管片在脱出盾尾后受到的升力F：

管片在推进过程中所受的向上的升力是管片自重的2.7 倍，在砂浆未凝固的情况下该升力急剧上升至管片自重的4 倍。

3.2 管片上浮原因总结

成型管片上浮为普遍现象，同时也是隧道工程建设领域的重点处理对象[1]，通过对实际情况的分析，探明引发管片上浮现象的主要原因，具体作如下分析。

1）地下水土压力偏大，所设置的管片不具备完全抵抗水土浮力的能力，由于受力状态失衡，导致管片上浮。

2）同步注浆施工期间浆液用量不足，部分建筑空隙难以得到填充，导致管片上浮。

3）同步注浆的工艺控制不合理，由于浆液初凝时间过长，难以快速硬结而导致管片上浮。

4）地层偏弱，盾构机推力较低，难以在管片间形成足够的约束力，导致管片上浮。

5）盾构机推进过程中未调整好盾构机千斤顶推力截面，与隧道截面形成交角，正常推力给管片一个上升的分力，加剧了管片的上浮。

4 管片上浮控制基本措施

4.1 改良浆液，提高注浆压力，增加注浆量

1）缩短初凝时间。在制备浆液时可适当增加水泥的用量，使浆液初凝时间缩短至4 h。

2）增加浆液的稠度。可根据浆液的配制情况选择合适的增稠剂，保证砂浆的凝聚效果，提高其抗冲刷能力。

工程实践中，具体应从如下方面切入：①添加适量增稠剂和水泥用量，将浆液的初凝时间控制在4 h 以内；②加强对盾构机运行期间垂直姿态的控制；③加强二次注浆，保证结构空隙得到有效充填，水灰比=1∶1，水泥浆：水玻璃混合液=2∶1，静止状态下初凝时间25 s～30 s。表1 为增稠型同步砂浆浆液配比表。

表1 增稠型同步砂浆浆液配比表 kg/m3

需注意的是：一般在浆液车上调制浆液，调制完成后第一时间将浆液抽取到台车浆液罐里进行注浆，缩短浆液停滞时间。同时在添加增稠剂和水泥时一定要均匀撒开，否则会造成结块、结团现象，易堵塞抽浆泵或抽浆管。

3）提高注浆压力。将原来2.1 bar～2.3 bar 的注浆压力，提高至4.0 bar～5.5 bar，使浆液扩散得更远。增稠后浆液的流动性、扩散性变差，因此要相应提高注浆压力设定值，确保浆液的扩散范围。

4）增加注浆量。注浆量由原来的6 m3增加到7.5 m3，由于浆液在运输、转移和注入地层的过程中均有不同程度的损失，因此增加浆液拌制量以保证充填饱满。

5）均匀注浆。由原来的只使用上部2 根注浆管，改为4 根注浆管同时使用。保证浆液注入的速度和掘进速度相匹配，同时缩短上部浆液充填建筑空隙的时间。

4.2 及时跟踪双液注浆

为控制管片上浮，在实际施工中双液注浆频率逐步由5 环1 注提高至3 环1 注、2 环1 注、直至每环1 注。双液注浆的点位一般控制在2 点～11 点间，每环的注浆量则控制在0.3 m3～0.5 m3，双液注浆比例按1∶1 配置，初凝时间基本控制在30 s，在上浮量较大的区段，缩短初凝时间到10 s～15 s。

为了控制管片上浮，本工程曾一度将双液注浆点选在了管片出盾尾的第1 环，效果较明显。但是在抵近盾尾使用双液浆时，需注意注浆时机，建议在推进的过程中注双液浆，可以避免盾尾被浆液包裹。实践证明，使用双液浆补充注浆可以有效解决管片上浮问题，建议后续施工中主动使用双液注浆对管片壁后进行补充注浆，降低管片的上浮几率。

4.3 其他措施

1）调低垂直控制姿态。根据本区间经验，在措施做得足够好的情况下管片仍然普遍存在均匀的上浮现象，隧道整体上浮的幅度基本维持在30 mm～40 mm。因此在实际施工过程中，可以将导向系统的垂直控制点向下压40 mm，以抵消隧道整体上浮的位移量。

2）螺栓复紧。在地质条件复杂、管片上浮严重的区段必须严格控制螺栓复紧频次，严格按照要求复紧3 次以上。同时由于复紧频次增加，人工复紧质量不能保证，建议使用专用快速工具复紧，以防出现人工复紧不到位的现象。

3）槽钢拉锚。为增强管片的抗浮能力，将盾尾后部1 环～2 环管片使用［100 的槽钢与盾尾内的管片连接起来，使盾尾前后的几环管片成为一个整体，提高此区域管片的抗浮能力[2]。一般拉2 道即可，压力较大的地层可以增加到3 道。

4）严格把控施工进尺。正常工况下，单日进尺量可达到1 个盾构机长度或更长，期间管片上浮的发生概率相对较大，若缺乏有效的控制措施则容易出现盾构机抬头困难等异常状况[3]。受此影响，盾构机上、下两部分的盾尾间隙处于动态化的变化状态，加大了误差的控制难度。

5）调整盾构机工作姿态。盾构机的反推力将作用于管片处，随即形成方向向上的分力，在其影响下管片存在上浮现象。对此，操作人员应合理控制盾构机，保证其推力与管片截面形成相垂直的关系，尽可能削弱向上的分力。若盾构机的推力偏小易导致管片间的应力快速释放，管片间的约束力被削弱，发生更为明显的管片上浮现象。

6）加大荷载。处理区域为盾尾与1#台车之间，可向其中增加荷载，例如采取堆载管片的方式，以维持管片的稳定性，从而达到抑制管片上浮的效果。

7）放水降压。施工期间存在难以有效注入浆液的情况，经检查后发现隧道具有高度的密封性且压力较大。对此，通过开孔的方式卸压，在释放承压水后即可恢复正常注浆施工状态。

8）开孔检查。隧洞成型效果与地质条件具有紧密关联，需根据实际地质情况针对性检查壁后注浆效果，分析浆液的注入情况。若局部浆液不饱满应探明具体原因，采取相适应的处理措施，保证缝隙内浆液的饱满度，力争在源头上处理好问题，以免因后续出现大范围质量问题而返工。

4.4 管片上浮防治效果

1）管片垂直姿态和管片上浮位移部分观测数据显示，使用增稠浆液后管片垂直姿态最终平均值为-26.2 mm，管片上浮位移平均值为16.6 mm，管片最终垂直姿态偏差为-9.6 mm，在设计允许偏差范围内。

2）控制效果。在严格执行同步注入增稠浆液和双液浆的情况下，管片上浮得到了有效控制，24 h前后测量差值约稳定在30 mm，基本解决了管片上浮的问题。

5 结论与建议

在本工程隧道施工过程中，针对成都富水泥岩、砂卵石复合地层容易发生管片上浮现象，通过采用改良砂浆稠度、加大注浆量、及时补充双液浆、调整盾构机姿态等措施，有效填充壁后空洞，保证管片拼装稳定性，达到控制盾构管片上浮的目的，充分发挥出管片在隧道工程中的作用。按照本文所提的内容有序组织施工，本工程最终取得了良好的效果，可为今后类似工程提供借鉴。