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盾构推进施工过程中隧道管片上浮问题分析
摘  要：盾构隧道管片上浮控制是确保隧道线型符合设计要求和隧道建筑限界的关键，文章从盾构工法特性、衬背注浆、盾构姿态及线路走向等影响因素着手，对盾构掘进过程中管片产生上浮的现象、原因进行了分析研究，并提出了控制措施.
    关键词：盾构隧道，管片上浮,位移控制

    1前  言
    近年来在我国上海等软土地区城市地铁建设中,常常会遇到盾构隧道在施工阶段的上浮问题，严重者甚至要通过调坡等来满足线路设计要求。盾构隧道管片上浮位移控制是确保隧道线型符合设计要求、满足隧道建筑限界的关键，在盾构掘进过程中，盾构隧道的上浮问题主要由于隧道在地层中失去抗浮能力所致，它受盾构衬砌同步注浆、盾构工法特性、工程地质及水文地质条件、盾构姿态和线路走向等因素影响。上海轨道交通2号线西延伸段VI标区间隧道所在工程区域土体物理力学性质差、地下水位高、埋深浅、急曲线、大坡度设计线路等特点，致使施工阶段隧道上浮量最大达到9cm。因此，本文结合上海轨道交通2号线西延伸段VI标区间隧道管片上浮的工程实例,从盾构工法特性、同步注浆、盾构姿态及线路走向等方面着手，重点对盾构掘进过程中管片产生上浮的现象、原因及施工对策进行分析研究，为解决软土地区盾构隧道上浮问题提供一些建议。
    2工程概况及地质条件分析
    2。1工程概况
    上海轨道交通2号线西延伸工程Ⅵ标区间盾构隧道单线全长1258米，区间隧道平面总体走向呈“C”字形，纵断面总体走向呈“V”字形。隧道最大覆土厚度约为15。5米，隧道水平曲线最小转弯半径为399.851米，最大纵坡为37％。
    隧道外径为6200mm，内径为5500mm，衬砌为环宽1200mm的通缝管片，管片采用通缝拼装，M30双头直螺栓联接；环缝及纵缝间防水材料采用三元乙丙弹性密封垫。
    2.2工程及水文地质条件分析
    本区段隧道埋深中间深，两端浅，隧道顶板标高—1.361～-11。129m.盾构隧道穿越地层分布较稳定,分层界限明显，土层起伏变化不大。整个区间隧道穿越土层主要为软土层,包括③1层灰色淤泥质粉质粘土、③2层灰色粘质粉土、④层灰色淤泥质粘土、⑤1-1层灰色粘土层，除③2层透水性好外,其余土层呈流塑状态，尚均匀。第6层灰色淤泥质粘土是盾构施工的主要土层，但由于其压缩性高、含水量高、孔隙比大、强度低、稳定时间长，在动力作用下极易产生流变、触变现象。在该土层中，盾构推进阻力较小，但需注意周围土体容易变形的不利影响，如果施工不当，极易造成较大的管片上浮和地面沉降，应尽量减少对土体的扰动。
    本场地浅部地下水属潜水类型，补给来源主要为大气降水与地表径流，水位动态为气象型，地下水埋深取0。5～0。7m。本标段施工区域微承压含水层分布于⑤2粉细砂层中，隧道因不通过此层在施工中没有特别的问题.
    3盾构隧道管片上浮位移观测及分析
    由前所述,本区间隧道平面总体走向呈“C”字形,纵断面总体走向呈“V”字形，隧道具有埋深浅、急曲线、大坡度等特点。在整个区间盾构掘进过程中，一直对管片姿态主要是管片中心高程上浮加强监测,监测频率为一次/日.在下行线纵坡为-27。265‰的第296～305环和纵坡为37‰的第1000～1009环段管片中心高程上浮位移值进行统计，见表1、表2,图1和图2显示了根据表1、2绘制的管片拼装后不同时间的中心高程上浮位移变化曲线.从统计数据和管片垂直位移曲线走势（图1、2)可以观察出，在纵坡为—27。265‰的第296～305环段管片拼装24h后最大上浮位移达55mm，管片拼装48h后最大上浮位移达75mm,约一周后最终上浮位移稳定在89mm左右。在纵坡为37％的第1000~1009环段管片拼装24小时后最大上浮位移达30mm,管片拼装48h后最大上浮位移达54mm，约一周后最终上浮位移稳定在73mm左右。上浮位移观察结果表明，在这上下坡的两段隧道管片拼装后的初期（最初2天)管片已经上浮了总位移的74～84％，上浮速率快,后期上浮速率趋缓。并且在拼装24h后下坡时管片的上浮值明显大于上坡时的上浮值。

表1：纵坡-27。265‰段管片中心高程上浮值统计(第296环-305环)

表2：纵坡37‰段管片中心高程上浮值统计(第1000环-1009环）

图1：纵坡—27。265‰段管片中心高程上浮变化曲线

图2：纵坡37‰管片中心高程上浮变化曲线

    4 盾构隧道管片上浮的影响因素分析
    4.1 盾构工法特性的影响
    为保证盾构的顺利掘进和管片拼装，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，于是在盾构开挖的洞身与管片外径间存在建筑间隙Δ=D—d0的在上海高水位软土地层中，管片脱出盾尾后，拱顶土体全部塌落到管片结构需要一定时间和过程，如不及时填此空间，脱出盾尾的管片周围处于无约束的地下水的包围状态，给管片的位移提供了可能的条件.盾构隧道是空心的简体，在混凝土自重作用下有下沉的趋势；但在全断面地下水压力作用下，防水性能优良的衬砌隧道则有上浮的趋势。以本区间盾构隧道外径6.2m、内径5.5m、宽1。2m的管片为例：
    管片混凝土自重G=ρ×g×Vc=2400 ×9。8×7。8≈184{kN）    (1）
    水浮力    F=ρw×g ×V=1 000 ×9。8 ×36。2≈355（kN)      (2）
    式中:混凝土比重ρ为2400kg/m3，管片混凝土方量Vc约为7.8m3，一环管片所占空间体积V约为36.2m 3。
    可见管片混凝土自重G小于水浮力F,而拱顶土体施加在管片结构上需要时间,这就解释了在拼装管片初期为何隧道上浮位移发展快的原因。另一方面盾构机的重量主要集中在前盾{切口环和支承环),由盾尾至后配套台车间一段衬砌（约9~10环管片）基本无压载,管片脱出盾构后失去了约束，同时还受到周围土层的作用。土层作用可能是压力，也可能是盾构出土造成地基卸载，地基回弹的作用上浮.
    4。2 同步注浆工艺的影响
    如前所述，隧道上浮有两大条件：一是建筑间隙Δ的存在,二是引起上浮位移的力，同步注浆浆液在填充了建筑间隙A的同时，让隧道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。要达到上述目的，关键问题是选择的注浆浆液应满足：①必须具有充填性;②应具有一定的和易性且离析少；③应及早凝固且有一定的早期强度，以抵抗变形对管片产生的不均匀压力。同时,浆液硬化后的体积收缩率要小，以便更好地固定管片；④应有合适的稠度，以便不被地下水稀释。从衬背注浆的目的和对浆液的性能要求上分析，及时填充固结管片背后环形建筑空间是解决管片上浮位移的关键.
本区间隧道同步注浆量、注浆压力的选定依盾构推进的理论建筑孔隙GP计算:
    GP=πL×（R2-r2)+g=1.82(m3）    （3)
    公式中：R为盾构外半径（3170mm)；r为管片外半径(3100mm);L为环宽（1。2米）；g为盾壳外4根注浆管肋总体积。
    理论上讲，浆液需100％充填建筑总空隙。山于通常的浆液失水固结，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。按照以往工程实践，注浆时实际注浆量应为理论空隙体积的130～200％，在本区间上述两试验段采用160％(1。82×155％=2.82m3)。另外，注浆压力应为保证足够注浆量的最小值，一般为0。2～0。4MPa。浆液分配控制为：增大上部两个注浆管注浆量和注浆量和注浆压力，下部两个注浆管少注甚至可以不注。对于整环管片来讲，上部与下部的注浆量比例为2∶1或者2∶0。
    本区间隧道同步注浆浆液采用惰性浆液，其主要成分为砂、粉煤灰、膨润土和水（配合比见表三），24 h强度很低基本无强度)，在富水软土地层中,惰性浆液初凝时间长，浆液在初凝前容易被稀释，因此低强度浆液不仅无法对管片提供约束，相反提供了上浮力；另一方面，盾构机掘进震动和隧道内电瓶车运动震动下，未凝固的浆液材料很可能被挤到隧道底部或地层其他间隙，进一步加剧了隧道上浮。
表三、同步注浆浆液配比

    从盾构机掘进到管片脱出盾尾后的工况分析来看，隧道管片在一定长度范围内就象两端固定的弹簧梁，一端受到盾尾的约束不能上浮，另一端受到已凝固注浆固体的约束也不能上浮.这时，如果管片脱出盾尾后（一般情况2～3环)，同步注浆的浆液不能达到初凝和一定的早期强度，隧道管片仍然可视为浸泡在液体之中，在浮力的作用下必然会产生上浮现象.
    4.3 盾构机姿态及走向的影响
    盾构机在掘进过程中的运动轨迹实际上是一条蛇形运动轨迹，始终围绕着隧道轴线作蛇形运动，要通过不断调整各分区油缸千斤顶的推力来让盾构机运动中不断逐渐靠近隧道设计轴线。而本段隧道设计轴线平面上呈“C”字形曲线，纵断面呈“V”字形上下坡，所处地层又是软土.在盾构掘进中，由于盾构机自身重量，可能发生盾构机偏离隧道中心线以下。此时，为纠正其运动轨迹不断靠近理论轴线,要加大下部千斤顶的推力以克服盾构机身的自重.在隧道轴线由下坡改变为上坡或由急下坡改变为缓下坡时，亦需要加大下部千斤顶的推力,循序渐进地改变盾构机的运动轨迹，以满足设计线路的需要。
    本区间盾构隧道无论是盾构机偏离隧道中心线以下还是线路坡度变化,都通过加大下部千斤顶的推力来调整盾构机的姿态.这样，致使管片底部受到大于上部的作用力，管片环面上受力不均，加剧了管片上浮的趋势.
    5 管片上浮控制及处理措施
    5。1 管片上浮控制措施
    （1） 选择适当的注浆浆液及方法
    在含水软土地层中，解决管片上浮问题实质上是同步注浆稳定管片与管片上浮在时间上的竞赛.比较理想的注浆方法应是盾构沿轴线掘进，注浆浆液完全充填施工间隙并快速凝固形成早期强度，隧道与周围土体形成整体构造物从而达到稳定。那么,在浆液性能上的选择唯有双液瞬凝性浆液（水泥浆液和水玻璃浆液)和同步注浆工艺能彻底解决管片上浮的问题。双液瞬凝浆液因其时效特点在隧道位移控制上是具有优势的，但双液浆随着温度的变化，同种配比的浆液化学凝胶时间因时而异,堵管故障极易发生。同步注浆管在掘进结束前只能清洗而无法更换，这也是本区间仍然采用惰性浆液的原因之一。
    根据管片上浮的规律值和盾构推进姿态的关系合理选择注浆孔位、注浆量和注浆压力。根据本区间施工经验，盾构上部两注浆孔的注浆量明显大于下部两孔位的浆量，有时甚至下部可以不注浆以减小管片的上浮量.
    (2） 控制盾构机姿态
    盾构机过量的蛇形运动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。所以要求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±50mm.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。
    在本区间施工中重点控制急曲线和大坡度转点，一要合理调整各区域千斤顶油压，但各区千斤顶油压差不宜过大，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；二要跟踪测量管片法面的变化，及时利用环面粘贴石棉橡胶板纠偏，粘贴时上下呈阶梯状分布.三要根据上浮规律值控制盾构推进高程。
    （3） 控制掘进速度
    如果同步注浆过程中浆液不能达到及时有效地固结和稳定管片的条件时，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3cm/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。
    (4） 合理控制盾构机推进高程
    在本区间隧道推进中，我公司技术人员根据统计的管片拼装后上浮经验值,将盾构机推进轴线高程降至设计轴线下50mm，以此来抵消管片衬砌后期的上浮量,使隧道中心轴线近可能地接近设计轴线。
    5。2 管片上浮后的处理
    管片上浮后的处理比较难,一般可尝试在隧道底部打开注浆孔泄压,释放管片底部的注浆浆液，根据我公司经验,此方法效果不理想并且污染隧道.一旦发现管片上浮超限，立即停止盾构掘进,对已上浮的管片通过注浆孔进行二次注浆。注浆材料以瞬凝双液浆为最好，注浆压注顺序应顺着隧道坡度方向，从隧道拱顶至两腰,最后压注拱底.终止注浆以打开拱底注浆孔无渗水为条件,以防止盾构恢复掘进后管片继续上浮.对于上浮段长、上浮量大、超限严重的隧道，只有进行设计调坡才首岂满足隧道限界的要求。
    6  结  语
    在对区间隧道施工过程管片上浮控制中，要对复杂地质情况进行分析研究，加强管片姿态变化监测并做系统分析、归纳，从中摸索出适应不同土质、覆土等条件与之相对应的盾构掘进参数的变化规律并及时对其进行动态优化和调整；同时适时合理地管理注浆作业，调整不同施工段的配比和注浆量、注浆压力：最大可能地控制隧道管片在施工过程中的上浮，使隧道轴线满足设计规范要求。

中铁十七局集团公司六公司上海地铁项目部，上海，200040）
杜守继  （上海交通大学土木工程系，上海，200030)

（路明鉴)