某黄土盾构隧道管片上浮原因及控制技术研究

孟宪义MENG Xian-yi

（中铁二十一局集团轨道交通工程有限公司，济南 250000）

1 工程概况

1.1 基本情况

在前期盾构勘探深度60m 范围内，某黄土盾构隧道区间地层自上而下依次为：均匀不一的人工填土、风积新黄土、风积老黄土等。该区间盾构隧道主要穿越古土壤、老黄土地层。地下稳定水位埋深在13.5～16.7m，含水层厚度大于50m，地下水年均变化不超过2m。

盾构隧道管片设计参数如表1所示。其中环向设置6 块管片，环向每接缝使用2 个弯螺栓，总计12 个，纵向共设10 个螺栓。

表1 盾构隧道管片设计参数（mm）

1.2 上浮情况统计

目前盾构区间左线已始始发。经测量后管片垂直轴线偏差严重。从测量数据得出，工程测量值与设计值最大差值为157mm，上浮段平均上浮量57mm。在统计的114 环管片中，上浮量大于100mm 的存在19 环，上浮量为50mm至100mm 存在13 环，可以发现区间左线存在上浮量大、上浮连续等问题，如图1 所示。

图1 盾构区间管片上浮情况统计

管片衬砌结构的上浮问题是盾构隧道施工和运营中诸多问题的根源，是评价其结构形态的重要指标。当隧道结构产生的位移和变形持续增大时，隧道结构的内力也将随之逐渐增加，当隧道衬砌结构中产生的内力大于混凝土及螺栓的最大允许应力时，衬砌管片就会逐渐出现压损或者开裂的现象，导致管片耐久性和水密性受到影响。管片上浮导致结构丧失承载能力和使用性能，不均匀管片衬砌漂移使得结构的稳定性不能满足要求，进而严重危及结构受力及运营安全，如图2 所示。

图2 管片因上浮出现错台、掉角、开裂、渗水质量缺陷

2 上浮原因分析

2.1 黄土地层影响

在无水条件下，黄土地层具有强度高、成拱性好的特点。但黄土地层具有湿陷性特征，当黄土地层被地下水浸湿后，黄土的结构会迅速发生破坏，致使地层产生附加下沉[1]。当黄土遇水后达到饱和时，通常指黄土饱和度＞80%，湿陷性消失。但由于黄土中的可溶盐浸水溶解，致使其内聚力降低，加之饱和孔隙水所产生的润滑作用，饱和黄土的抗剪强度一般较低[2]。黄土地层还易受到地下水和同步注浆浆液的耦合影响，一定程度上削弱了黄土地层承载力，稳定性也将受到影响，因此黄土地层中盾构管片上浮问题表现更为突出。

2.2 地下水位影响

场地地下水主要赋存于黄土、砂层、圆砾夹层中，含水层厚度大于50m。区间隧道主要受到地下潜水影响，区间范围内自然稳定水位埋深介于13.00～16.00m 之间，区间隧道埋深介于11.0～20.0m 之间，隧道区间全程处在水位线以下。影响隧道衬砌管片形成的因素有两个：一是地层隧道为中空圆筒体，整个隧道位于地下水中，地下水对整个隧道的浮力较大；二是地层隧道周围同步注浆浆液完全浸入地下水中，导致浆液含水量增加，浆液凝结时间增长。

在盾构施工机械系统设计制造时，为保证盾构机顺利进行掘进和管片拼装活动空间，盾构机盾壳与管片之间存在一定的间隙，盾尾直径与管片外径之间的差值即是盾尾间隙，现场土压平衡盾构机盾尾间隙为140mm。盾构推进时，管片脱出盾尾后，注浆若得不到有效及时填充，就会直接导致管片脱出盾尾后处于一个四周无约束的状态。此时，汇集在管片周边地下水活动产生的浮力，使刚安装的管片结构在此14cm 的空隙内自由进行上浮[3]。

2.3 盾构机姿态影响

在盾构掘进过程中，必须调整各分区千斤顶的推力，使盾构机逐渐接近隧道设计轴线[4]。而本段隧道线路纵断面采用单面纵坡，左线最大坡度为7.769‰、右线最大坡度为7.770‰。盾构掘进过程中，受盾构机自身结构头重脚轻的影响，盾构机容易发生一定程度的前倾，导致盾构机姿态偏离掘进设计轴线。为了控制盾构机前倾栽头的趋势，使盾构机尽可能按隧道设计轴线掘进，需要保持上部、下部千斤顶推力差，下部千斤顶推力大于上半部千斤顶推力，从而克服盾构机自身的重量。为了满足设计线路的需要，还需要逐步增加下部千斤顶的推力，从而调整盾构机的运动轨迹。

因此，在施工中盾构机推进时，盾构机油缸的推力方向是“斜后方向向上”。依据静力学原理，将推力分解为水平分力和垂直分力。管片在竖直分力的作用下向上产生位移，最终表现为管片在设计高程控制方向的上浮现象[5]。

2.4 同步注浆影响

一方面，管片上浮主要受到浮力影响，另一方面，管片浮动位移空间由盾尾间隙提供。为了限制管片的位移空间，必须及时采用同步注浆技术填补盾构尾部间隙，使管片与周围岩层紧密结合，形成一个结构稳定的复合体。要解决上述问题，重点在于浆液选择和注浆工艺两方面。

浆液的选择需要考虑以下几个方面：①浆液具有良好的充填性，可注性好；②浆液流动性好且不容易离析；③凝结时间短，具有一定的早期强度从而与管片结合成一个整体共同抵抗土压和反推力；④浆液体积收缩率小，以便浆液凝固后握裹固定管片；⑤稠度合适。解决管片上浮问题的关键是及时地填充盾尾间隙固结管片。当管片脱出盾尾后，浆液还没有达到初凝和形成强度之前，这时管片相当于浸泡在液体环境中，在浮力作用下发生上浮。

注浆工艺方面，同步注浆原理是通过浆液填充孔隙使管片与周围土层形成稳定的组合结构，从而共同抵抗外力。当浆液100%充填空隙时才能形成上述稳定结构，但浆液由于失水固结等原因，实际施工中往往难以100%充填空隙。同时注浆过程中部分浆液劈裂到周围地层，导致盾构实际注浆量要超过一定的理论注浆量。而施工中实际注浆量通常难以确定，掌握不好容易可能造成浆液的不饱满；被稀释的浆液给管片提供了上浮力。

3 上浮控制技术

3.1 控制同步注浆参数

同步注浆工艺是保证地面建筑、地层稳定、盾尾密封及管片衬砌结构安全的重要一环，因此必须依据施工状态严格控制，确保注浆质量和安全，同步注浆情况如图3 所示。

图3 同步注浆示意图

根据工程实际，同步注浆严格按照每环6m3的注入量和压力双控，注浆压力不超过2.5bar，浆液初凝时间在场地外实验在6 小时45 分左右开始初凝，进入管片壁后按8 小时初凝考虑，凝结时间测定由砂浆凝结时间测定仪测量得出，浆液基本性能测定如图4 所示。

图4 浆液基本性能测定

3.2 优化二次注浆方式

二次注浆是在管片上预设注浆孔，直接通过注浆孔进行注浆。通过管片注浆进行二次注浆，可以及时弥补管片背部出现空洞、少浆等问题，有效抑制上浮发生，二次注浆如图5 所示。

图5 二次注浆示意图

根据施工现场，二次注浆采用水泥浆与水玻璃组成的双液浆，控制浆液初凝时间，迅速将管片钟表方向11 点、1点上部背部空隙填充，达到一定的压力，同时打开下部7、5 点位进行观察，防止浆液注到下部引起二次上浮，如图6所示。因由盾构姿态、工期进度等原因，在不考虑降低掘进速度的情况下，根据工程实际在盾尾后及时补浆，一般不超过盾尾后10 环。

图6 双液浆注浆示意图

二次注浆配比为（以下为参考值具体根据地质情况由实验确定）水泥浆∶水∶水泥=100kg∶150kg；水玻璃双液浆∶水泥浆水灰比1∶1.5，水泥浆和水玻璃比例1∶1，水玻璃的波美度Be'=35～40，模数M=2.8～3.1。双液浆注浆压力为0.25Mp～0.4Mp。双液浆的凝结时间控制在20-30s 的范围内，防止浆液扩散。

3.3 提升盾构施工严谨性

根据工程选用的壁后注浆浆液的初期凝结时间，合理降低每班掘进环数至每班4-5 环，给予管片充分稳定时间，增加盾构隧道整体纵向刚度。同时在施工中应对管片螺栓及时进行复紧，保证管片螺栓紧固到位。螺栓紧固工作分三次进行，拼装完成后紧固一次，下一环推进至1200mm 时复紧一次，下一环拼装完成后复紧一次。

3.4 控制盾构纠偏参数

施工时发现盾构姿态发生偏移时应及时纠偏，保证好油压差值，控制以轴线为对称的两千斤顶伸出长度差应小于65mm，油压差应小65bar。盾构纠偏过程中应遵循“勤纠、少纠”原则。

3.5 增加管片姿态测量频数

盾构施工期间，按照每日测量、每日上报、每日分析的思路，对拖出盾尾30 环内管片高程进行测量，对测量数据进行及时分析，及时采取相应的处理措施，严控管片上浮[6]。

4 控制成效

盾构施工期间，在发现管片上浮超限后，立即采取对应措施，根据每日管片测量报告，控制上浮前管片拖出盾尾后上浮量为30～40mm，距离盾尾15 环后整体上浮90～100mm，上浮峰值为157mm。采取上述相应控制措施后，盾尾脱出后管片上浮量为10～15mm，距离盾尾15 环后整体上浮30～40mm，盾构隧道管片衬砌在采取相应控制措施后错台、破损现象明显减少，提高了隧道施工质量。

5 结语

①盾构隧道管片衬砌结构的上浮是施工及运营中迫需解决的问题，随着上浮量的增大，管片极易出现错台、掉角、开裂、渗水等质量缺陷，严重则导致结构丧失承载能力和使用性能，进而严重危及结构受力及运营安全；

②盾构隧道管片衬砌结构上浮是由地层、地下水位、盾构机姿态和同步注浆等原因的综合影响而产生的，在追溯问题本源时建议综合考量，结合工程实际得出较为贴切原因；

③通过控制同步注浆参数、优化二次注浆方式、提升施工严谨性、控制纠偏参数、增加管片姿态测量频数等举措能有效的控制盾构隧道管片上浮趋势，在实际工程中建议多措并举。