盾构施工中隧道管片上浮的影响因素及控制措施

李 磊，徐军哲

（中铁工程装备集团技术服务有限公司，河南 郑州 450016）

盾构施工中隧道管片上浮的影响因素及控制措施

李 磊，徐军哲

（中铁工程装备集团技术服务有限公司，河南 郑州 450016）

[摘 要]结合南宁市轨道交通1号线鹏南盾构区间工程实例，从盾构工法特性，同步注浆工艺，盾构姿态控制及线路走向等方面着手，对土压平衡盾构施工过程中产生的隧道管片上浮现象及原因进行了分析研究，并提出了相应的施工控制对策。

[关键词]盾构工法；管片上浮；影响因素；二次注浆

在盾构掘进过程中，常出现管片上浮现象，在硬岩等稳定围岩条件下，上浮尤其明显，甚至达到140mm以上。管片上浮会导致管片错台、破损等问题，在施工中必须解决上浮的问题。管片上浮主要受工程地质、水文地质、管片衬砌注浆质量、盾构姿态控制等方面的影响。本文结合南宁市轨道交通1号线鹏南盾构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，重点对土压平衡盾构施工过程中产生的管片上浮的现象、影响因素及应对措施进行分析研究，为解决盾构隧道管片上浮问题提供一些参考建议。

1 工程概况及地质分析

1.1 工程概况

本工程位于广西省南宁市西乡塘区大学西路沿线，起于鹏飞路站，终于南职院站。鹏南区间起止里程为YSK2+914.721～YSK2+083.134，区间长831.587m，区间隧道采用盾构法施工。区间在YSK2+604.755处设置有一联络通道，采用矿山法施工。隧道埋深9.5～14.5m。本区间左、右线各有2个曲线段，曲线半径均为2 000m，线间距13.5m。线路出鹏飞路站后，先以45m的2‰的上坡，再以217m的22.1‰的下坡到达区间隧道最低点，最后以4‰、24‰、2‰的上坡到达南职院站。本区间隧道采用中铁装备生产的中铁110号盾构掘进，开挖直径为Ø6 280mm。

1.2 线路区间工程及水文地质分析

鹏飞路站西端头盾构始发地层从上到下依次为杂填土、素填土、粉质粘土、泥质粉砂岩，区间隧道穿越的主要地层为细砂岩和泥质粉砂岩，其中区间隧道始发段穿越的地层主要为稳定的泥质粉砂岩。

本区间地下水主要为赋存于第四系土层中的孔隙潜水和基岩的基岩裂隙水。勘察时测得孔隙潜水稳定水位标高为69.43～78.28m，基岩裂隙水的稳定水位标高为71.87～78.62m。隧道中心线高程60.564～67.136m，隧道处于地下水位线以下。

2 隧道管片上浮位移跟踪及分析

2.1 管片上浮位移跟踪

本区间隧道纵断面总体纵向成“V”字形，最大埋深14.5m，隧道坡度大，地层稳定，含水量小。在施工过程中，发现当隧道处于下坡段盾构掘进时，管片出盾尾后上浮程度较大。以右线为例，在下行线坡度为22.1‰的第42环～58环的双数环管片中心高程上浮值监测情况详见表1。

表1 鹏南盾构区间右线环片姿态检测成果表（垂直方向） (mm)

2.2 跟踪数据分析

根据以上的管环检测成果，绘制出管片上浮位移趋势图，如图1所示。

图1 右线第42～60环段(双数环)管片上浮位移趋势图

从上面管片上浮位移趋势图来看，在下坡22.1‰的第42环～60环段管片拼装24h后最大上浮位移达142mm。盾构开挖直径为6 280mm，管片外径6 000mm，管片与围岩之间间隙为140mm。可见，管片脱出盾尾24h后快速上浮，直到顶住围岩。

3 隧道管片上浮的影响因素分析

3.1 衬砌环形建筑空间

盾构切削刀盘直径与隧道管片外径有一定的差值，当管片脱出盾尾后，管片与围岩间产生一环形建筑空间，就给管片提供了上浮条件。

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3.2 地质

在软弱地层中，由于围岩自稳性差，应力释放快，塑性变形大，这一环形空间在管片脱出盾尾后，拱顶围岩极有可能发生变形或拱顶围岩下沉，减小了围岩与管片之间的间隙，同时建压掘进和及时地同步注浆使此间隙能得到有效填充，有利于管片快速稳定。

在稳定较好的基岩地层中，管片脱出盾尾后，由于围岩的收敛变形小，环形建筑空间在相对长时间内是稳定的；同时在此类较稳定的地层中掘进时通常采用敞开式或半敞开式掘进模式，盾尾处的同步注浆与前方掌子面间存在一定的压力差，造成同步注浆浆液前窜；若在有裂隙水的情况下，特别是在下坡段掘进时，必然导致浆液前窜现象加剧。这样，就使靠近盾尾一定范围内的脱出盾尾的管片与围岩之间的间隙长时间得不到及时有效填充。

3.3 管片受力分析

由于管片与围岩的间隙的存在，使脱出盾尾后一定范围内的管片处于无约束的状态或未被固结的流体所包围，在推进缸隧道纵向力产生的两端的摩擦力和该段所有的重力不足以抵消隧道垂直方向的强大浮力时，就造成中部管片发生上浮挠曲变形或错台现象。

3.4 盾构姿态及推力影响

在盾构掘进施工中，盾构通常保持微微抬头姿势掘进，一般底部油缸推力较大，此推力会在设计轴线法线上产生一个向上的分力，特别是下坡段时，底部推进压力增大，分力随之增大，这个分力加剧了管片的上浮，特别是在同步注浆浆液没有完全提供约束力的情况下。

4 管片上浮的控制措施

结合以上分析，为保证隧道成型，在后续的施工过程中针对不同的因素提出以下相应的应对措施以指导施工生产。

4.1 二次双液补充注浆和同步注浆

在稳定性较好的基岩段成功解决管片上浮问题的关键是要确保管片背后建筑间隙的及时有效填充，也是管片壁后注浆约束的有效性与管片上浮的竞赛，盾构自身的构造和现场施工组织特点决定了若通过盾构的注浆系统同步注入传统的水泥砂浆料，在浆液性能上的特点决定了浆液不可能有效控制管片上浮现象，唯有双液速凝浆液方可彻底解决管片上浮的问题。双液速凝浆液在浆液性能的选择上应在保证浆液的充填性能基础上，严格控制初凝时间、早期强度与盾构掘进速度的匹配性，有效限定浆液的扩散范围和防止大量流失，才能保证隧道管片与围岩共同作用形成一体化的构造物。

由于双液浆在同步注浆管过程中易堵管，可选择在管片注浆孔进行注浆，即管片脱出盾尾后采用人工对管片进行注浆。但通过吊装孔注双液浆往往要停止掘进，为减小注浆对施工进度的影响，可根据管片脱出盾尾后管片间相对上浮量不超过限界要求的前提下，选择隔环注双液浆的方式减小管片悬臂距离，同时优化同步浆液配合比。一方面可有效封堵后部来水，减小同步注浆浆液前窜机率；二是有效填充管片壁后建筑间隙以达到防止管片上浮和稳定管片的目的。另外，也可在管片与管片之间焊连槽钢，保持管片间有效摩擦力的措施控制错台和减小管片上浮量。

4.2 盾构姿态控制

盾构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匀的过程，所以要求盾构掘进过程中必须控制好盾构的姿态，尽可能地沿隧道轴线作小量的蛇形运动。发现偏差时应及时逐步纠正，不要过急过猛地纠正偏差，人为造成管片环面受力不均匀，根据统计结果每环管片纠偏量不应大于每环5mm。

4.3 推力控制

推力过大，会导致各组油缸压力差增大，增大管片所受的向上分力，引起上浮、错台等问题。在浆液未形成初期强度前，较大的推力会对管片造成扰动，影响浆液的凝结和管片的稳定。

4.4 合理控制盾构掘进高程

在本区间施工过程中，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，及时地将盾构掘进高程降至设计轴线以下100mm，以此来抵消后续掘进的管片上浮值，使隧道轴线最大程度的接近设计轴线。但此法中盾构下降幅度不易把握，且易造成管片长期处于不稳定状态，可作为不得已情况下的应急措施，不宜长期使用，且需适时进行二次补充注浆，以确保管片的最终稳定。

5 结 论

隧道处于稳定的围岩地层，管片背后环形建筑空间的存在给管片上浮造成客观的外部条件，而在软弱渗水土层或砂层中，虽然隧道管片也存在上浮的趋势，但由于隧道围岩收缩、覆土下沉等能够缩小管片与围岩之间的建筑空间，管片上浮的情况就会很小，本文所列举管片上浮的主要原因是因为隧道管片有上浮的空间，由于未对上浮空间及时进行填充固结而造成的。在施工中针对复杂多变的地质情况，准确预测地质，对各种施工信息进行动态分析及控制，通过技术与经济的比较，适时做出合理的适应不同地质条件的浆液配合比，动态管理浆液，同时，不断收集总结盾构掘进过程中的各种掘进参数，摸索出不同地质条件下与之相适应的掘进参数的变化规律，最大限度地控制隧道管片在施工过程阶段的位移和变形，以满足设计和规范要求。

[参考文献]

[1] 梁永钊，鞠世健．浅谈盾构隧道施工管片上浮的控制[J]．广东建材，2009，(6)：87-90.

（编辑 张海霞）

Analysis and control of the upward moving of tunnel segments in the process of shield excavation

LI Lei, XU Jun-zhe

［中图分类号］TU621

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366(2015)06-0060-03

［收稿日期］2015-02-12