探讨盾构法管片上浮控制施工技术

吴凯

中铁十七局集团第二工程有限公司 陕西 西安 710000

前言

随着时代的进步及我国交通行业的飞速发展，安全、环保意识的不断加强，盾构法以其适应性强、安全、快速等优点在国内地铁、轻轨等行业得到了的快速发展和普遍应用，成为城市交通隧道建设的首选工法。而在施工过程中管片上浮是盾构施工控制错台、破损、线性的一道难题，如何控制管片上浮成为盾构法施工的关键。

1 工程概况

（1）工程简介。西安北客站至机场城际铁路项目机场站-机场西站盾构区间左线全长2815.079m；右线全长2850.8m。隧道拱顶覆土7m～30m，线间距13m～21.4m。区间线路共设计了3条曲线，曲线半径分别为R680、R800、R550，其中R680及R800为左转弯，R550为右转弯。线路从机场站北段始发，向西北方向进入机场保护区，下穿机场现状滑行道和停机坪后，在T1航站楼前出租车停车场穿出。纵断面采用V字坡设计，最大坡度26.15‰，线路最低点位于3号联络通道处，轨面埋深约30m。设四处联络通道，其中3#联络通道与废水泵房合建，联络通道采用矿山法施工。

隧道衬砌采用6块厚度300mm、环宽1.5m的环形预制钢筋混凝土管片，错缝拼装，组成外径6.0m，内径5.4m的圆形单洞隧道。采用同步注浆填充管片与地层空隙。

（2）地形、地貌。本区间场地地貌单元简单，为黄土塬区，地势开阔，地形较平坦，勘探点地面高程474.27m～477.81m。

（3）地层岩性。盾构施工穿过的机场内地层主要由第四系更新统地层水上老黄土（4－1－1）和古土壤构成（古土壤4－2－1）。机场内场地地层总体分布稳定，沉积韵律清晰，各层地基土的均匀性较好，承载力从上至下逐渐增高，工程性能较好。

第四系中更新统地层，根据本次钻探揭示，勘探深度范围内地层详细描述如下：

4-1-1水上老黄土（Q2eol）：褐黄-黄褐色，具针状孔隙，含少量 钙质结核及零星蜗牛壳，可塑状态为主，局部软塑。压缩系数平均值 a1-2=0.17MPa-1，属中偏低压缩性土。层厚0.7～9.8m，层底高程426.48～448m。属Ⅲ级硬土，该层土在本区间连续分布。

4-2-1古土壤（Q2el）：褐红色，具针状孔隙，团粒结构，局部结核较富集（粒状、未形成钙层），粒径0.5～2cm，硬塑状态为主，局部可塑。压缩系数平均值a1-2=0.17MPa-1，属中等偏低压缩性土。层厚1.8～3.3m，层底高程428.03～452.08m。属Ⅲ级硬土，在本区间连续分布，与4-1-1层老黄土以互层形式存在。

（4）水文地质特征。区间地下水主要为第四系孔隙潜水，主要赋存于中更新统黄土和古土壤层孔隙和裂隙中。根据收集的资料、现场调查结果和勘探结果分析，线路YDK28+539.6-线路终点段场地地下水标高介于445.25～447.21m，水位埋深29～30.5m。地下水位位于结构底板以上[1]。

2 管片上浮原因分析

管片上浮指管片在地面荷载、土压力、水压力等荷载的作用下，隧道管片偏离预定高程，发生地面方向起拱现象。而引起管片上浮的原因有许多，就本工程而言，引起管片上浮的原因如下：

（1）地下水作用力。工程概况中已提及，本工程局部隧道结构位于地下水水位以下。盾构机制造时，为保证盾构隧道顺利掘进及盾尾间隙，盾构机刀盘切削直径与管片外径之间肯定有一定差值，本工程盾构机刀盘直径6.27m，管片外径6m。这必然导致管片在脱出盾尾后，四周处于无约束状态，因地下水产生浮力远大于管片自重，使管片产生上浮现象。

（2）工程地质及线路纵坡的影响。因本工程始发段长度约80m范围内以前为机场φ1200mm雨水管，后期因雨水管线改迁，对该段采取放坡开挖后回填。该段地质存在上软下硬情况，不利于盾构掘进轴线控制，易形成错台、破损且管片上浮严重。

（3）同步注浆工艺影响。同步注浆原理是使浆液在填充隧道建筑间隙后，让管片与周围土层紧密接触，形成稳定的复合构造体共同抵抗外力。

同步注浆通常采用惰性浆液，原材料：沙子、粉煤灰、水泥、膨润土、水。因浆液失水固结，加之部分浆液会扩散至周围地层，导致实际注浆量远超理论注浆量，且注浆量难以掌握。可能造成浆液的不饱满。惰性浆液强度低且初凝时间长，易被地下水稀释。管片脱出盾尾后，一定程度上，低强度浆液不仅不能对管片提供约束力，相反提供了上浮力。

（4）盾构机反向推力。在下坡地段盾构掘进时，由于盾构机油缸顶推力方向为斜后方向上，盾构机反推进力可分解为一个竖向方向和一个水平方向的分力。管片脱出盾尾后在竖向分力作用下向上产生位移，最终可表现为管片在高程方向上浮现象。

（5）盾构掘进速度。盾构掘进速度如果过快会导致盾构通过区域地层不稳定，而同步注浆惰性浆液不能在管片脱出盾尾后及时凝结，将会使管片上浮现象概率大大提高[2]。

3 管片上浮控制措施

右线盾构隧道施工过程中管片上浮最大约4～5cm，管片脱出盾尾后，管片破损、错台，且很不利于隧道轴线控制。发生该类问题后，对引起管片上浮的各种因素进行了分析和研究后，在后续施工中采取了针对性施工处理措施，以确保把管片上浮控制在1～2cm合理范围内。

（1）首先检查盾构机各个油缸是否存在偏差。严格控制推进千斤顶的油缸压力，及时检查设备完好性，确保管片均匀受压。

（2）选择合适的注浆浆液及方法。根据隧道管片在纵向长度上为两端固定梁的假定，只要管片侵泡在盾构机掘进形成的“圆形坑道”中内的“液体”中，管片就永远存在上浮的趋势。要想消除或减缓这一趋势，就必须使管片脱出盾尾后，不再受到盾尾及其他介质的约束。因此，必须确保盾尾空隙注入的浆液具有充填性、初凝时间短、具有一定的早起强度且收缩率小。

由质检人员、试验员、物资收料员共同对进场注浆材料原材料进场验收，对于不合格原材料坚决予以退场。在结合现场实际工程、水文地质的基础上经过多次试验后，不断对浆液配合比进行改进，浆液凝结时间控制在6小时左右，浆液配合比7d强度可以达到2Mpa，28d强度5.6Mpa，浆液体积收缩率＜10%。调整同步注浆量控制在5.5～6.5m3/环，注浆压力提高0.4～0.6bar，控制在2.5～4bar，严格控制注浆量。加强同步注浆过程控制，保证注浆管路畅通，同步注浆4根管路均衡连续对称注浆。

（3）严格控制盾构掘进姿态。盾构掘进过程中，过量的蛇形运动会造成纠偏过程中使管片环面受力不均而对周围土体产生扰动，所以必须控制好盾构机姿态，发现偏差时勤纠、缓纠，不得过急、过猛纠偏，本项目制定了盾构机操作规程要求纠偏量不得超过3mm/环。同时跟踪测量管片法面上的变化，及时利用环面贴片的方法纠偏，粘贴时上下左右呈阶梯状分布，同时根据管片上浮经验值，将盾构机推进轴线高程控制在设计轴线高程一下限定值，以此来抵消管片脱出盾尾后上浮值。

（4）及时进行二次注浆。由于同步注浆浆液存在一定的收缩现象，因此在管片脱出盾尾后应及时进行二次注浆，在管片脱出盾尾4～5环后采用双液浆进行二次补浆，双液浆在填充性能、初凝时间、早起强度及防止流失等方面性能指标需达到一定要求，尽早使管片与周围地层结成结构整体，可很好地控制管片上浮现象。

（5）优化掘进速度。正常情况下，盾构机最大掘进速度为80mm/min，一般情况下，盾构机掘进速度为40～60mm/min，同步注浆及二次注浆施工工序的作业时间短而忙乱，可能导致管片与隧道周围地层之间空隙填充质量较差，浆液不能及时提供拟制管片上浮所需的强度。本项目经过试验，采取的掘进速度控制在30～40mm/min，加强管片螺栓复紧，可以很好地控制管片在脱出盾尾后上浮现象。

（6）效果检测。施工实践证明，经过对盾构机械、壁厚注浆原材料、配合比、注浆量、盾构机姿态、二次注浆采用双液浆、掘进速度的调整及控制，管片上浮趋势得到了有效控制，基本控制在1～2cm。证明所采取的上浮控制措施是科学有效的[3]。

4 结束语

管片上浮是盾构法施工过程中不可避免的，也是盾构施工的一大难题，通过对现场施工的摸索和研究，可以如下得出结论：盾构法施工管片上浮问题实际是浆液凝结时间与管片上浮时间上的竞赛，因此，盾构掘进过程中应根据不同的工程水文地质、隧道埋深等情况的变化而不断调整，严控注浆材料原材料质量控制、优化同步注浆浆液配合比、控制好同步注浆浆液工程量、注浆压力尤为重要。同时加强机械设备保养、严控掘进姿态、及时进行二次注浆、优化掘进速度。本项目针对管片上浮这一难题，通过以上措施，管片上浮量基本可以控制在1～2cm，上浮量得到了有效拟制。