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盾构施工过程中管片上浮原因分析及处理技术

王浩宇
【摘 要】本文以成都地铁施工案列为基础，对盾构隧道施工中管片上浮的原因进行分析，并从同步注浆、管片姿态等方面提出控制及处理隧道管片上浮的针对性措施，供同行参考。
【关键词】盾构；管片上浮；原因分析；处理
随着时代的进步，安全、环保意识得加强，盾构法施工以其影响面小、安全、快速等优点，成为城市轨道交通建设的首选。
盾构施工过程中，拼装完成的管片不时会出现局部或整体上浮。本文结合成都地铁2号线二期工程土建03标盾构隧道工程实例，就施工期间盾构隧道管片上浮机理及控制进行研究探讨，力求为解决同类型盾构施工中管片上浮问题提供一些方法借鉴和建议。
0.工程概述
成都地铁2号线二期工程03标“保安村～龙泉东站”盾构区间长1490.108m，隧道埋深8.6m～17.40m；区间线路从保安村站以20‰坡度下坡至YDK54+100.00，随后以28‰坡度上坡至YDK55+050.00，最后再以2‰坡度下坡至龙泉东站。本线路穿越地层均为成都地区典型的砂卵石地层，地下水位高、水量丰富、补给性强。施工过程当中，隧道左、右线在里程YDK53+300.00～330.00、YDK53+420.00～435.00处下坡段掘进时，管片均不同程度上浮7～9cm，导致隧道管片局部接缝出现错台超限、破损严重现象，对工程外观和实体质量均造成不良影响。
1.盾构管片上浮的原因分析
盾构管片上浮是在多种因素共同作用下产生。就本工程本区段而言，产生盾构管片上浮原因主要有以下四点。
1.1地下水作用力
概述中已经提及，成都地区地层含水量丰富，且本文所述地铁施工里程正好位于区间线路的下坡地段，在下坡段的掘进施工中，地下水由于自身向低处流淌的特性，大量汇集于盾构机作业位置。
盾构机械设计制造时，为保证顺利掘进和管片拼装空间，盾构机的切削刀盘直径D与隧道衬砌管片的外径d有一定的差值（14cm），这就导致管片在脱出盾尾后，其实际处于四周无约束的状态。此时，汇集在作业面的地下水产生的浮力，使刚安装的管片在此14cm的空隙内自由的上浮偏移。
1.2盾构机反向推力
在下坡段掘进时，盾构机油缸顶推力方向为“斜后方向上”，根据力学原理，此推力可分解为一个水平方向和一个竖直方向的分力。管片在竖直分力的作用下向上位移，最终表现为管片在高程方向的上浮现象。
1.3同步注浆工艺的影响
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。
从理论上讲，浆液需100%充填建筑总空隙。但浆液通常情况下是失水固结，盾构推进时壳体带土使开挖断面大于盾构外径，部分浆液劈裂到周围地层，导致实际注浆量要超过理论注浆量，而此量难以掌握，可能造成浆液的不饱满；与此同时，现阶段国内同步注浆基本采用惰性浆液，这类浆液24h强度低且初凝时间长，极易被地下水稀释。因此，在一定程度上，低强度浆液不仅无法对管片提供约束，相反提供了上浮力。
1.4盾构掘进速度
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。
2.应对措施及处理技术
分析了管片上浮和位移的原因，应根据不同的上浮机理制定相应的处理办法。但如前所述，很多时候出现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以后，还应采取综合利用的手段，才能确保达到最佳的处理效果。
2.1控制盾体周围水量
地下水是自然载体。但在施工中，盾体周围的地下水含量在短期内可通过洞内抽排、洞外线路侧面降水井降水等手段予以实现。本标段就通过盾构机端头排水与外部降水相结合的方式，有效的减少施工期间的水量，达到了一定的控制管片上浮效果。
2.2合理选择注浆孔位及注浆参数
根据成都地铁东延线3标盾构区间施工经验，盾构上、中部4个注浆孔的注浆压力和注浆量明显大于下部2孔，有时下部的2孔甚至可以不注浆，以减小管片的上浮量。对于整环管片来讲，上中部与下部的注浆量比例为2：1或者2：0为宜。
另外，注浆压力应为保证足够注浆量的最小值。注浆压力过大，管片周围土层将会受到扰动而造成后期地层沉降，容易跑浆；注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充分，会导致地表变形增大，盾尾漏浆、漏水。同步注浆压力一般控制在土仓压力的1.1～1.2倍。同步注浆浆液应满足如下性能指标：①浆液初凝时间3～5h，终凝4～12h；②固结体24h抗压强度一般不小于0.3MPa，28d抗压强度不小于2.5MPa；③固结率>95%，固结收缩率<5%；④在压力地下水作用下，浆液具有较好的防水稀释性能；⑤浆液静置后不沉淀、不离析。
注浆速度也直接影响浆液的渗透和固结，从而间接地影响管片上浮。注浆速度应根据盾构推进速度确定，以每循环达到总注浆量并且能均匀注入为宜。注浆与推进同步，注浆速度与盾构推进速度相匹配。
2.3控制盾构机姿态
盾构机过量的蛇形运动和下坡推进必然造成频繁的纠偏，纠偏的过程就是管片环面受力不均的过程。所以在掘进过程中必须要控制好盾构机的姿态，尽可能地使其沿隧道轴线作小量的蛇形运动，按规范要求，盾构掘进中，拼装管片中心轴线的平面位置和高程允许偏差为±50mill。发现偏差时应逐步纠正，避免突纠，以免人为造成管片环面受力严重不均。同时，要合理调整各区域千斤顶油压，使油压差不宜过大，与盾构中心线相对称区域的千斤顶油压差应小于5MPa，其伸出长度差应小于12cm。并要跟踪测量管片法面的变化，及时利用环面黏贴石棉橡胶板进行纠偏。
2.4控制掘进速度
同步注浆过程中，浆液如果不能达到及时有效地固结和稳定管片时，应适当控制盾构掘进速度，一般以缓推为宜，推进速度不大于30 mm/min，确保管片脱出盾尾时形成的空隙量与注浆量平衡，尽量避免注入的浆液被水稀释而降低浆液性能。
2.5及时紧固管片与管片之间的联接螺栓
推进完成后及时地将螺栓连接起来，使本环管片与上环管片成为一体，可以最大限度地防止管片上浮。连接过程中必须严格按照设计的力矩参数进行紧固，否则起不到应有的作用。
3.管片上浮控制效果检查
自发现管片上浮问题后，项目部邀请专家进行分析，初步制确认了以上原因及处理技术，并在随后工作中采取严格的防范措施，将各类控制技术综合利用，保证了后期管片上浮全部控制在+80～一10mm、隧道中线误差控制在20mm以内，所涉及到的其他各项监测也都符合设计和规范要求，从根本上杜绝了管片上浮超限现象。
4.结束语
成都地铁2号线二期工程03标“保安村～龙泉东站”盾构区间施工，左线于2012年11月25日开始掘进，现阶段掘进840m；右线于2012年12月20日开始掘进，目前掘进620m。通过第1阶段520m下坡段掘进施工分析，在调整、优化参数的基础再次分别施工了100m和320m，从目前情况分析，盾构施工安全可控、质量优良，施工进度也得到了建设单位和监理单位的认可。 [科]
【参考文献】
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[3]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：北京建筑工业出版社，2007：116-132.

-全文完-