盾构施工管片上浮控制研究

李彦兴

（中铁科学研究院四川铁科建设监理有限公司）

1 隧道工程概况

丽水路站～清河路站区间隧道由南向北敷设，沿线主要为工业区与高压防护绿地，下穿菱湖公园。

区间隧道采用单层管片衬砌，材料为钢筋混凝土。管片内径5400mm、外径6000mm，厚度为300mm。管片拼装采用六分块方案：三块标准块，两块邻接块，一块封顶块。管片组合方式为通用型管片，拼装方式为错缝拼装，管片接头采用弯螺栓。

1.1 地质概况

盾构隧道掘进范围内土层为黏土⑥2、粉质黏土⑥3、全风化泥质砂岩⑩1、强风化泥质砂岩⑩2、中风化泥质砂岩⑩3层。

盾构穿越范围内以黏性土为主，呈硬塑～坚硬状，粘塑性好，土体强度较高，土层黏聚力高，另第⑥2层黏性土具有弱膨胀性。

区间盾构隧道范围内分布风化岩层，强度较高，勘察揭示⑩3层中风化泥质砂岩最大饱和单轴抗压强度为6.73MPa。

1.2 水文地质

拟建工程区内地下水主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水。

第四系孔隙水主要赋存于人工填土中，以上层滞水为主，水量微弱。黏性土层分布广泛，埋深浅，成层性较好，透水性和富水性均较弱。根据钻探揭露显示，主要接受大气降水、灌溉水、河流流水、生活废水、雨水、污水等地下管线漏水垂直渗漏补给。排泄方式为蒸发、向下补给潜水和人工抽降地下水。

基岩裂隙水主要赋存于岩石强、中等风化带中。基岩的含水性、透水性受岩体的结构、构造、裂隙发育程度等控制，由于岩体的各向异性，加之局部岩体破碎、节理裂隙发育，导致岩体富水程度与渗透性也不尽相同。拟建工程区间上方有菱湖公园人工湖，裂隙水较发育。

2 下穿菱湖期间管片上浮情况

下穿菱湖公园段时发现，左右线均发生管片上浮情况，其上浮的态势非常相似，出现上浮趋势较大、管片连续上浮的共性。本次取例的管片主要为上浮至超限位置管片区段，上浮趋势呈曲线形式发展，但并不是单纯以单峰值形式出现，在未及时处理或采取处理措施不当未能抑制上浮继续发生的情况下，上浮趋势会呈连续波浪形式发展，右线隧道管片侵限量比左线隧道少，虽发现后及时采取措施处理，但未能抑制上浮趋势，导致出现波浪形式变化。左右线管片上浮量见表1、表2。

表1 左线上浮统计 （mm）

表2 右线上浮统计 （mm）

3 管片上浮原因分析

3.1 硬塑型粉质粘土对盾构施工的影响

盾构机刀盘直径大于盾体直径，盾构机在掘进过程中，管片与地层之间会有14cm宽的建筑空隙。由于硬塑型粉质粘土自稳能力强，地层基本不会坍塌，刀盘经过之后与管片之间的空腔就一直存在。盾构掘进过程中，刀盘前方的水以及一部分气体会经过盾体外侧流通到管片背后，影响盾构同步注浆质量，管片背后的空隙填充不饱满，浆液中的水得不到渗透，短时间浆液达不到凝固状态，管片得不到自稳定，就会产生管片上浮、错台和破损现象。

3.2 地层中裂隙水影响

区间上方为菱湖公园人工湖，湖底距离隧道拱顶约6m。地层中裂隙水较多，盾构掘进一段距离后，地层中裂隙水逐渐汇集到管片壁后，很容易形成浮力。对于刚拖出盾尾的管片可能马上就被游离态的水包围，从而更容易形成水浮力。

3.3 同步注浆浆液影响

当管片脱离盾尾时，根据阿基米德原理F浮力=ρ液gV排，如果同步注浆浆液不能及时初凝并达到一定的早期强度，管片被包围在浆液中，会产生比水更大的浮力。在管片脱出盾构过程中，随着浆液的注入及地层中水的逐渐汇集，会产生一个动态的上浮力。同步注浆量及地层中裂隙水汇集量的多少会影响动态上浮力，导致管片不均匀上浮而造成管片错台破损。因此如果砂浆不能及时凝固对管片产生约束，管片就一直处于悬浮状态，就有上浮的可能[1]。

3.4 盾构机推力影响

盾构机在掘进过程中需要通过调整各组油缸推力来达到纠偏目的，以符合设计轴线要求。但受盾构机自重影响，盾构机下部油缸推力一般大于上部油缸推力，特别是在下坡阶段，盾构机下部油缸推力增大将在线路设计轴线法线上产生一个向上的分力，这个分力结合管片壁后水与砂浆产生的浮力将加大管片上浮量[2]。

4 管片上浮技术控制措施

4.1 前期控制措施

4.1.1 同步注浆配合比调整

为缩短同步注浆浆液凝固时间，及时有效地包裹管片和约束管片上浮，采用如表3配合比。

表3 同步注浆配合比

该配比下砂浆特性如下：

⑴浆液凝固时间

经现场取样，该配合比砂浆初凝为2～3.5小时，终凝6～7小时，砂浆和易性及流动性良好。

⑵砂浆比重

使用比重仪测定该配合比的砂浆比重为1.78㎏/m3、1.77㎏/m3（两次测定），使用量筒（3L）及电子秤计算出砂浆比重为（7537.4－1800.5）/3=1.91㎏/m3。

⑶砂浆质量体积法测量比重及收缩率

采用3L量筒装满砂浆，砂浆凝固前重量为(7537.4－1800.5)g(皮重)，凝固后重量为(7433.4－1800.5)g(皮重)，质量损失约0.104㎏，收缩的凹槽使用量杯加水，加水0.110L。因此，砂浆体积收缩率为0.110/3×100%=3.7%，干砂浆比重为（7433.4－1800.5）/(3-0.110)=1.95㎏/m3。

⑷砂浆稠度

采用砂浆稠度仪测量砂浆稠度，该配合比砂浆稠度为110～140mm，二次测试分别为130mm、128mm。

4.1.2 砂浆+水玻璃性能试验

为缩短砂浆凝固时间，让管片脱出盾尾后及时受到硬性物质约束，减小管片上浮，特做本次试验。

试验过程：

砂浆+水玻璃为10:1充分搅拌。

使用量杯取砂浆1000ml，纯水玻璃100ml，加入桶内充分搅拌，两次试验均在50～60s间迅速凝固。

试验小结：

⑴砂浆+水玻璃交错注入能够加快同步砂浆凝结时间，砂浆+水玻璃在接触面快速形成骨架层，减小砂浆向刀盘流动量。（可以考虑管片开孔注同步双液浆，能够提前在混合器内混合，减少交叉注入出现的混合不均匀的现象。）

⑵10:1=砂浆:水玻璃掺量能够使砂浆较快凝固。

4.2过程中控制措施

4.2.1 密封环施工

地层中裂隙水较多，形成水流汇流至刚脱出盾尾的管片壁后，造成砂浆凝固时间加长，管片持续上浮。因此，在管片脱出后备套后，及时进行密封环施工，截断管片后部来水，保证管片壁后是砂浆包裹管片。密封环施做时注意以下几点：

⑴密封环要求脱出后备套后每十环进行一次，除封顶块之外，每个孔都需要进行注浆。

⑵密封环采用水泥+水玻璃双液浆形式，水泥:水=1:1，水泥浆:水玻璃=1:1。

⑶下穿菱湖掘进时上部土仓压力参数如下：

左线盾构机下穿菱湖公园段期间土仓压力情况见图1。

图1 左线上部土仓压力统计图

右线盾构机下穿菱湖公园段期间土仓压力情况见图2。

图2 右线上部土仓压力统计图

丽清区间下穿菱湖期间，盾构机土仓压力总体控制在0.8～1.3bar之内。根据左、右线过湖期间上部土压力与湖面异常情况综合分析，土压力大于1.1bar时，湖面有轻微冒泡，土压控制在0.8～0.9bar，湖面基本无异常，未见冒泡现象，同时区间右线将泡沫流量降低至500L/min，膨胀率降低至3%，对控制湖面冒泡有明显作用。

结合以上情况，注浆量采用注浆压力及注浆量双重控制原则，当注浆压力达到0.3MPa或整环注浆量达到3m3时，即停止注浆。

4.2.2 同步注浆

同步注浆浆液采用水泥:细骨料:水:粉煤灰:膨润土=200:720:450:360：50的比例进行拌制。该浆液具有和易性及流动性良好、初凝时间短、收缩率小、有一定的早期强度等特点。同步注浆时应注意以下几点：

⑴每环同步注浆量不低于5m3，同时注意注浆压力不大于3bar，防止注浆压力过大浆液窜流至刀盘。

⑵注浆司机在掘进过程中时刻关注掘进速度，注意注浆速度要与掘进速度匹配，保证浆液均匀填充管片壁后空隙。

⑶管片上浮量较大阶段，可采用上部两路注浆量加大、下部两路注浆量减少的方式进行注浆，可抵消部分管片动态上浮力。

⑷由于该配合比浆液初凝时间较短，要求每个班组必须每天清洗一次注浆系统，包括砂浆罐、下料口、注浆管，保证同步注浆质量。

4.2.3 二次注浆

二次注浆水泥采用P·042.5普通硅酸盐水泥，水玻璃为35°Bé，配比为：水泥:水=1:1，水泥浆:水玻璃=1:1。

⑴二次注浆目的

①缩短砂浆凝固时间，让砂浆从液体尽快转换成固态，增加对管片的约束力。

②填充管片壁后上部注浆不够饱满的空隙，防止上部空隙过大，下部浆液产生浮力。

③作为衬砌防水的第一道防线，提供长期、均匀、稳定的防水功能，同时能截断管片后部来水。

④二次注浆时分解部分管片上浮力。

⑵二次注浆技术要求

①当管片脱出盾尾第三环位置开始进行二次注浆，二次注浆应在掘进过程中进行，让同步注浆浆液与双液浆更好地混合。

②注浆频率根据当前阶段上浮量来确定，当上浮量大于4cm时每环进行一次二次补充注浆，小于4cm时，每两环进行一次二次注浆。

③二次注浆开始阶段只注入水玻璃，让水玻璃与砂浆混合，结束阶段采用注水泥+水玻璃双液浆形式封口。

④注浆点位置选择在隧道3～9点以上部位，注浆时采用注浆量与注浆压力双重控制原则，注浆压力不超过0.3MPa，每环二次注浆量不大于1m3。

4.2.4 盾构机姿态控制

盾构推进中，过量的蛇形运动造成的纠偏过程会使管片环面受力不均以及周围土体扰动，所以要控制好盾构机的姿态，发现偏差时应逐步纠正，控制油压差不宜过大，与盾构中心线相对称区域的千斤顶油压差应小于70bar，其伸出长度差应小于70mm。盾构主司机在盾构纠偏时要采取“勤纠、少纠”原则，不得过急过猛地纠正偏差，每环纠偏量不大于5mm。

4.2.5 盾构机掘进速度控制

掘进速度的控制也直接影响到管片上浮的程度。一般情况下，推进速度很快，会导致同步注浆浆液跟不上推进的步伐，造成管片外的建筑空隙充填不密实，浆液也不能及时地提供一定的强度限制管片位移，所以一般以缓慢推进为宜，推进速度不大于50mm/min，以确保管片在脱出盾尾后不会因浆液的问题而产生不稳定的位移。

4.2.6 出渣量控制

盾构掘进过程中严格控制出渣量，在渣量超出设计值(连续两车出渣油缸行程小于300mm)，或者出渣量无法有效控制时，应立即停机并分析原因，采取相应控制措施。

4.2.7 盾构机掘进高程控制

在施工过程中，根据检测到的管片上浮的统计值，通过和隧道设计轴线的比较，发现管片上浮较严重时，及时将盾构掘进高程降至设计轴线以下30～50mm，以此来抵消后续掘进的管片上浮值，使隧道轴线最大程度地接近设计轴线。

4.2.8 管片姿态测量

在盾构掘进过程中，测量组每天需要进行一次管片测量，测量范围为拖出盾尾30环位置，每天将测量数据进行汇总、处理、上报，相关技术人员及时分析当前阶段管片上浮量，及时采取相应的处理措施，严控管片上浮。

5 结语

在本标段已完成的下穿菱湖公园段掘进情况来看，在裂隙水较大的泥质砂岩与硬塑型粉质粘土中掘进时，截断管片后部来水、保证浆液有效填充管片壁后空隙、缩短管片壁后砂浆凝固时间是控制管片上浮的三个关键因素。在通过采取密封环施工+同步注浆+二次注浆三重控制的措施下，基本上能有效控制管片上浮。