海域软土地层超大直径泥水盾构管片上浮控制技术研究

段荣刚

（中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司，河南洛阳 471002）

0 引言

目前，中国已成为盾构法隧道的建设大国，超大直径盾构隧道施工技术越来越广泛地应用于我国公路、铁路、城市轨道交通等建设领域。随着城市化进程的发展及交通需求的迅猛增长，在隧道工程中选择超大型盾构法已成为一种必然趋势。隧道断面形式的日趋多元化，可以满足单层3 车道、双层4/6 车道或公路轨道交通叠层的要求，可进一步推动该工程技术的发展，逐步实现大深度和大断面以及长距离的趋势[1]。珠海横琴岛属于软土地质，地下广泛分布着软黏土沉积层，具有地层适应性问题，超大直径盾构机在该地层中掘进时将面临地面沉降、刀盘结泥饼、管片上浮等一系列难题。

1 工程概况

横琴杧洲隧道工程位于横琴一体化区域，隧道穿越马骝洲水道，北岸接洪湾片区，南岸接横琴岛。主体为双管单层双向六车道盾构隧道。盾构隧道投入一台开挖直径15.01m 泥水平衡盾构机，左线盾构段长944.98m，右线盾构段长978.311m。盾构隧道管片设计通用环管片，外径14.5m，内径13.3m，环宽2m，厚0.6m。管片采用10 分块，1 封顶块+2 邻结块+7 标准块。中间箱涵分为A 型、B 型两种箱涵型式，每节中间箱涵宽5m，高4.52m，长2m，B 型中间箱涵侧墙预留1000×2100mm 门洞作为疏散和检修门洞。

盾构主要穿越淤泥、黏土、粉质黏土，局部涉及碎石质粉质黏土、全风化砂岩、强风化砂岩（入隧道约3m 左右）。导致地表塌陷地质灾害的主要是一些特殊的岩土，如填土和软土。场地内填土成分混杂，厚度、均匀性和密实度差异大，附加荷载作用下易诱发差异沉降；南岸填筑时间不长，填土厚度较大，沉降稳定时间较长，尤其是软黏土厚度较大区域。软土为淤泥，呈流塑状，分布连续，具有孔隙比大、强度低和压缩性高等不良工程特性，软土受到外加载荷和地震的影响，会发生触变或震陷一类的变形，进而引起地质灾害，如地表塌陷等，导致路面变形破坏。

2 管片上浮情况

该项目盾构区间掘进至30 环时，测量人员对已成型隧道管片进行轴线偏差测量，数据显示，管片水平偏差最大的是第16 环，偏差为-52mm，垂直偏差最大的是第20 环，上浮203.6mm（见图1），根据《盾构法隧道施工及验收规范》（GB 50446—2017），隧道轴线平面位置和高程允许偏差为±150m，垂直偏差已超出规范要求。同时，管片出现错台以及裂缝渗水，裂缝主要集中在管片环向腰部以上，顶部居多，且多为贯穿性裂缝（见图2）。

图1 0-25 环隧道轴线偏差值折线图

图2 管片开裂及渗水现场图

3 管片上浮原因分析

3.1 地下水

珠海地区地层含水量丰富，且盾构隧道正好位于区间线路的下坡地段，在下坡段的掘进施工中，由于自身存在向低处流淌的特性，地下水大量汇集于盾构机作业位置。

3.2 反向推力

盾构机在下坡区实施掘进的过程中油缸会产生“斜后方向上”的推力，这种推力按照力学原理会得到分解并形成两种分力，即横向和纵向分力。管片会向上移动是受到了垂直分割力的影响，并最终沿高程方向浮动，即上浮现象。

3.3 同步注浆的作用

同步注浆的基本原理是隧道与盾体之间的间隙在实施注浆后被填充，管片与周边土壤形成了稳固的复合结构整体，进而共同抵御外界的冲击[2]。理论上，必须完全地填充管片背面间隙。但一般情况下，泥浆往往是失水固结，在盾构推进过程中，由于壳体与土壤的关系，使得开挖断面比盾构的直径大，同时会有一些浆液向周边地层中劈开，致使实际注浆比理论注浆量多，而且这个数值很难把握，容易出现不饱和现象；另外一个主要原因是，惰性浆液是我国目前同步注浆的普遍选择，这种浆液初凝时间长，地下水很容易将其稀释。所以，在某种程度上，泥浆强度低不仅无法对管片产生限制，反而会产生上浮力。

3.4 掘进速度

盾构推进速度如果过快，会导致盾构通过区域的地层不稳定，注浆浆液不能及时凝结，使管片上浮的危险性提高。

4 应对措施及处理技术

分析了管片上浮和位移的原因后，应根据不同的上浮机理制定相应的处理办法。但如前文所述，很多时候管片上浮是各种原因共同作用的结果，因此针对每一项问题制定出解决办法后，还应采取综合利用的手段，如此才能确保达到最佳的处理效果。

4.1 同步注浆

同步注浆要合理选择注浆孔位及注浆参数[3]。根据以往盾构施工所获经验，为降低管片上浮率，可以选择提升注浆压力和注浆量。注浆时，只注上、中部注浆孔，位于下部的两孔可以不注浆。2∶1 或2∶0 的注浆方式（上部∶中部）是整环管片的最佳注浆模式。一般情况下，同步注浆压力为土仓的1.1～1.2 倍。浆液性能指标必须满足如下条件：第一，3～5 小时必须初凝，4～12 小时必须终凝；第二，24 小时固结体的抗压性一般不应小于0.3MPa，28 天固结体的抗压性不应小于2.5MPa；第三，固结率大于95%，固结收缩率小于5%；第四，浆液在地下水压力作用下的防水稀释性能较好；第五，浆液静止后无沉淀、离析现象。

注浆速度对浆液的渗透和固结有直接影响，从而对管片上浮有较大影响。应根据盾构的推进速度确定注浆速度，注浆速度要匹配盾构推进速度，同时确保同步注浆量充足。理论上，同步注浆量为将盾尾建筑空隙填满，但一些因素必须考虑到，如盾构推进过程中的纠偏、浆液渗透（与地质条件有关）以及注浆材料固结收缩等。根据该盾构区间段的地质及管片上浮情况，注浆量通常是理论注浆量的1.2～1.5 倍（现场同步注浆量统计见图3）。

图3 现场同步注浆量统计

注浆量计算：

式（1）中：λ 为注浆率（一般取120%～150%）；V 为盾构施工引起的空隙，m3。

式（2）中：D 为盾构切削外径，m，（削切外径15.01m）；d 为预制管片外径，m，（预制管片外径14.5m）；L 为回填注浆段长，即预制管片每环长度（预制管片每环宽2m）。

根据式（1）、式（2）计算：

Q =(15.01² - 14.5²)/4×π×2×(120%～150%)=28.35～35.45m3

即注浆量为28.35～35.45m3/环（2m）。

4.2 二次注浆

当发现管片上浮量较大时，必须立即对成型的隧道管片采取补压浆措施，以防止泥水流失。在同步注浆的基础上，每隔5 环进行二次注浆，使隧道纵向形成间断的止水隔离带，以减缓、制约管片上浮，从而控制管片上浮。二次注浆量的控制根据注浆压力和管片变形确定，一般为2～3m3，注浆压力为3.5～6.5bar，二次注浆位置距离盾尾不小于5 环。二次注浆采用水泥水玻璃双液浆，初凝时间为25s。

4.3 控制盾构机姿态

在盾构机掘进过程中，由于蛇形运动和下坡推进过度，会导致频繁纠偏，纠偏过程中管片环面受力不均匀[4]。因此，在掘进过程中需要有效控制盾构机的姿态，使其最大限度地沿隧道轴线做蛇形移动，在掘进过程中，当检测到偏差时，应逐步修正，以避免管片环面因人为原因出现受力不均衡现象。同时对各区域千斤顶油压进行合理调整，使油压差保持在合理水平，与盾构中心线相对称区域的千斤顶油压差不超过5MPa，其伸出长度差不超过12cm。在掘进时，预留一定的上浮量，适当降低盾构机的垂直姿态，将盾构机中端的垂直姿态控制在0mm 以下（见图4）。

图4 盾构姿态示意图

4.4 控制掘进速度

当同步注入浆液时，如果浆液对管片不能发挥快速有效的固结和稳定作用，则应适当控制盾构掘进速度，通常采用缓慢推进的方式，推进速度不得超过30mm/min，确保管片脱离盾尾时形成的空间量与注浆量之间的平衡，并尽量避免地下水稀释注入的浆液，使浆液性能降低。

5 效果检查

在盾构掘进过程中采取上述技术措施，管片上浮量得到了一定的控制，图5 为76～90 环管片轴线偏差折线图，从图中可以看出管片上浮量最大为44.8mm。

图5 76～90 环隧道轴线偏差值折线图

6 结语

通过研究该工程的管片上浮现象，发现隧道管片上浮与多种因素密切相关，包括水文地质、盾构掘进参数和同步注浆量等。因此，采取调整浆液的配比和注浆量、合理设定掘进参数、盾构机垂直姿态降低，以及在上浮现象发生后及时二次注浆，可有效控制管片上浮，为后续盾构区间的施工质量提供保障，且能为其他施工单位在类似地质条件下实施大直径盾构施工提供一些参考。