盾构穿越破碎岩层控制管片上浮措施探讨

王小军，吕建林

（广东华隧建设集团股份有限公司，广东 广州 510330）

1 工程概况及地质分析

佛山地铁三号线东平站～湾华站区间采用盾构法施工，左线长2 793.06m，右线长2 790.934m；线路出东平站后，线间距由19m逐渐变化为13m，最后线间距由13逐渐变化为18m，右线以21‰、5‰、5‰、13.621‰，左线以21‰、4.9‰、5‰、13.644‰的坡度到达湾华站，隧道埋深10.7～31m；区间共设5个联络通道，其中中间风井兼4#联络通道。本区间采用两台海瑞克带双螺旋出土系统的土压平衡盾构掘进，开挖直径6 280mm，管片外径6 000mm，内径5 400mm。

区间盾构主要穿越地层为＜6＞碎屑岩全风化层、＜7-1＞强风化粉砂质泥岩、＜7-2＞强风化粉细砂岩、＜7-3＞强风化粗砂岩、＜8-1＞中风化粉砂质泥岩、＜8-2＞中风化泥质粉砂岩、＜9-2＞微风化岩地层，其中＜7-2＞强风化泥质粉砂岩、＜8-2＞中风化粉砂质泥岩占绝大部分，地层裂隙发育，基岩破碎，富含水，一旦施工过程中建筑空隙注浆未及时充填饱满或未凝固，极易造成隧道管片上浮。本区间左线隧道处于21‰下坡，洞身为全断面＜8-2＞中风化泥质粉砂岩，富含水，同步注浆难以填充饱满，前期由于对地质水文认识不足，掘进过程中未对管片上部空隙采取有效控制措施，导致在94～113环管片上浮超限，最大达到145mm。

2 控制管片上浮的措施

2.1 改良同步注浆的砂浆配合比

由于地层富含水，经过研究认为现场有必要改良砂浆配合比，加快浆液凝固时间，减少浆液流失，使刀盘切削面与管片外径之间的建筑空间能填充更多浆液，以减少管片上浮量。

改良后的同步注砂浆配合比如表1所示。

表1 砂浆配合比表 (kg/m3)

2.2 管片孔同步注双液浆

在稳定性较好的破碎岩层地层中解决管片上浮问题的关键是要确保管片背后建筑空隙的有效填充，也是管片壁后注浆约束的有效性与管片上浮的时间竞赛。由于传统同步单液浆的水泥砂浆初凝时间较长，这就决定了其性能特点不可能有效控制管片上浮，唯有双液浆的速凝效果方可彻底解决管片上浮问题[1-3]。

由于海瑞克土压平衡盾构无法实现通过盾尾同步注浆孔注双液浆，所以只能通过打穿管片吊装孔来实现注双液浆。为了兼顾掘进效率，可采用一边掘进一边通过管片孔注双液浆，即管片同步注双液浆。纯水泥双液浆由水泥浆和水玻璃原液分别由同步注浆管路和水玻璃管路在管片吊装孔处通过注浆头混合注入管片壁后。纯水泥双液浆中水泥浆∶水玻璃＝6∶1，双液浆初凝时间14s，水泥浆配合比如表2。

表2 水泥浆配合比表 (kg/m3)

双液浆的初凝时间需通过注浆混合头做大样试验取得，一般取10～14s为佳，可通过调整同步注浆泵泵速和水玻璃泵速来达到控制浆液初凝时间的目的。

管片同步注双液浆是在盾尾-3环上部（3、9点以上）打穿两个吊装孔，边掘进边注双液浆，注浆压力控制在0.4MPa以内，每个孔注入双液浆1.5～2.0m3，每隔4环取1环在上部注两个孔。这种方法一方面减小了管片悬臂距离，另一方面有效填充了管片壁后建筑空间，在封堵后部来水的同时减少了同步砂浆前窜几率，达到防止管片上浮和稳定管片的目的。

管片同步注双液浆除了采用纯水泥双液浆，也可以用水泥砂浆双液浆，但需注意水泥砂浆双液浆对砂的要求较高，使用前需用过筛的方式清除普通砂中粗颗粒得到精细砂，如此便可减小砂浆堵管的几率。水泥砂浆可以采用同步注浆的砂浆配合比，双液浆中水泥砂浆∶水玻璃=10∶1，初凝时间约13s。根据实践，管片同步注水泥砂浆双液浆若要取得较好的控制管片上浮效果，需每隔1到2环在盾尾-3环上部注1到2个孔。

通过采用管片同步注双液浆，管片脱出盾尾后上浮量基本控制在30mm左右，取得了较好的效果，后续管片姿态监测数据如表3。

2.3 采用双液浆施作止水环

在富水的破碎岩层中，为更有效的封堵后部来水，隔一段时间采用双液浆施作一环止水环显得尤为重要，例如东～湾区间采取了每隔15环施作一环止水环的方法。止水环要达到比较理想的效果，需停机施作，具体操作如下：首先在土仓建压，可以先把土仓注满水，使盾构前后方水压力达到平衡状态，这样才能减少浆液前窜，起到更好的建环效果；然后是制浆，采用纯水泥双液浆制作止水环效果最佳，施工前同样需做大样试验，根据地层含水情况，确定双液浆的初凝时间，一般初凝时间取10～14s；接着是注浆建环，海瑞克盾构一般在盾尾-4环打穿管片吊装孔注双液浆建环，1环注4到5个孔，其中上半圆取2到3个孔，下半圆取2个孔，注浆时从下部往上注，注浆压力控制在0.4MPa以内；最后，止水环施作完成后盾构需往前推进5～10cm，防止盾体被浆液裹死。

2.4 隧道二次补浆

通过改良同步注浆配合比、管片同步注双液浆及施作止水环，虽然已基本控制住管片上浮，但由于岩层中含水较丰富，管片壁后建筑空间上部仍然存在空隙，特别是在下坡隧道尤为明显，所以有必要对隧道进行二次补浆将管片壁后建筑空间填充密实。隧道二次补浆可以在设备修理等较长停机时间段内进行。二次补浆可采用柱塞式注浆泵补注纯水泥浆，因注浆泵须放在电瓶车管片平板上，施作前需配管及接头，使注浆泵注浆管可以顺利通过安装在管片吊装孔上的注浆头进行注浆，吸浆管则接在电瓶车砂浆斗上，这样可利用地面砂浆站拌浆节省时间及人工，提高效率。二次补浆采用隧道低点往高点的顺序补注效果更佳，更能将管片壁后建筑空隙填充密实。补浆时，在管片上部1点或11点开孔，每隔6～8环开一个孔，每注一个孔，可以用相邻孔作为泄水孔和观察孔，采用注浆压力值及观察孔溢浆双控，即观察孔流出水泥浆，同时注浆压力达到0.4MPa，则认为该孔注满，若观察孔流出水泥浆，但注浆压力仍较低，则关闭观察孔继续注浆以达到压力控制值[2]。

表3 采用管片同步注双液浆后管片姿态监测数据

2.5 控制盾构垂直姿态及加密管片姿态测量

为防止管片因上浮导致管片垂直姿态超限的情况，本区间将盾构垂直姿态控制在-50mm左右，以此来抵消后续掘进管片上浮值，使隧道轴线更接近设计轴线。同时加密隧道管片姿态人工测量，做到一天一测，以此来监测管片上浮情况、验证管片上浮控制措施的效果，以便及时调整[3]。

3 结 语

盾构穿越破碎岩层，甚至在成孔隧道中掘进，管片上浮是必须要面临的一个问题。管片上浮主要是隧道管片壁后存在环形建筑空间，且该空间未及时有效填充密实造成的。面对具体工程，针对不同的地层，只有在实践中探索、总结，才能制定出切合实际的管片上浮控制措施。本文以实际工程为对象，结合改良同步砂浆配合比、管片同步注双液浆、施作止水环及隧道二次补浆等措施，介绍了一种控制盾构管片上浮的方法，为后续相似工程提供参考。