盾构隧道施工管片上浮因素分析及控制措施

纪铭锐 李 栋

（中交隧道工程局有限公司北京盾构工程分公司，北京 100102）

本次根据上海轨道交通13号线108标学林路站—张江路站盾构区间工程，研究盾构隧道施工管片上浮因素及相应的控制措施。区间概况：盾构从学林路东端头井始发，向东北在中科路下穿行，过学林路、育人路、穿越中环线、顺和路到达张江路站。本区间为单圆盾构区间，区间长1 368.111 m，埋深8.4～16.6 m之间，线路最大坡度-21.48‰，最小转弯半径800 m。盾构穿越的土层主要为第④灰色淤泥质黏土、⑤1灰色黏土。

1 施工期管片上浮情况

盾构掘进施工中，刚刚脱出盾尾的管片表现出局部和整体上浮现象，管片出现错台、破损、裂缝甚至线路偏位。

根据上海工程地质及设计方案，盾构区间采用直径6 760 mm的土压平衡盾构机掘进。6块环形预制钢筋混凝土管段厚度为350 mm，环宽为1.2 m，在贯通接头处组装成内径为5.9 m，外径为6.6 m的圆形隧道。管片监测仪器采用徕卡 NA2水准仪和标尺用于收集不同时间和周期的管段标高，将其减去初始的高程可得到管片上浮的位移量，以研究管片随环数的上浮情况。

根据隧道监控显示，在区间盾构掘进过程中，24环出现最大下沉量，在-3.8 cm左右；第30环区段管片开始出现上浮，后逐渐加剧。在掘进至第68环时，发现管片最大上浮趋势10.28 cm。掘进第80环后，通过合理设置掘进参数，调整同步注浆、二次注浆方案和盾构姿态，管片上浮控制到2 cm左右。

2 盾构机推进参数分析

盾构机推力参数分析主要集中在盾构机的总推力、刀盘扭矩、刀盘转速、推进速度和土压力等方面展开研究。

2.1 盾构机总推力

在始发井加固区内掘进过程中，推力控制在9 000 kN以内，前期正常掘进过程中，总推力控制在1 2000 kN左右，整体推力呈平稳上升趋势，在姿态调整过程中有一定波动，属于正常现象。

2.2 刀盘扭矩及刀盘转速

始发阶段刀盘转速较小，控制在0.6 rpm，正常掘进后，根据推进速度逐步调整至1.0～1.2 rpm，扭矩整体平稳，稳定在700 kN·m左右，符合地层特性。

2.3 刀盘推进速度

端头井加固区采用搅拌桩、高压旋喷进行加固，盾构机必须在加固区域缓慢推进，控制刀盘的扭转距离和推力，以确保刀盘在前方加固土上完全切割，推进速度控制20 mm/min以内；脱出加固体后逐步提高推进速度。然而推进速度过快时，同步注浆浆液不能及时补充，不能保证管片脱出盾尾时管片空隙和注浆量平衡，地面有一定的沉降。因此将推进速度控制在40 mm/min以内，地表沉降得到有效缓解。

通过对以上始发阶段盾构掘进参数范围的分析，确定了下阶段盾构掘进主要参数指标：根据地质条件、推进速度、盾构姿态等情况，扭矩在600～1000 kN·m，推力控制在1600 T以下，掘进速度40 mm/min左右。

2.4 土压的设定

正平衡压力：P=k0gh，其中，P为平衡压力（包括地下水）；k0为土壤的侧向静态平衡压力系数；g为土体的平均重度（kN/m3）；h为隧道埋深（m）。

在盾构隧道施工中，参照上述方法可以得到平衡压力的设定值。具体的施工设定值根据盾构的埋深、该位置的土壤状况和监测数据随时调整。通过经验计算土压值控制在0.24 MPa左右。

3 管片上浮控制措施

3.1 壁后同步注浆

3.1.1 注浆量

浆液配比严格按照设计配比进行拌制，依据盾构机开挖直径和管段外径的计算，每个环的理论空隙约为3.6 m3，把浆液扩散系数定位1.6，同步注浆总量理论值在5.5 m3。针对前期地表沉降监测（盾尾整体隆起），减小同步注浆量，由原来的7 m3减小为6 m3，最后浆量调整为5 m3。

3.1.2 注浆压力

注浆压力通常是静土压力和同步注浆压力的1.1～1.2倍，随着地层的埋深逐步加大。由于注浆压力传感器距离浆液出口较远，注浆过程中管道有一定压力损失，所以从数据显示压力较大，属正常现象，同步注浆压力控制在0.30～0.45 MPa。

3.1.3 注浆位置

盾尾包括4个同步注浆孔，上部2个，下部2个。调整注浆方式，前期上部注浆孔注浆量为下部注浆孔2倍，在上浮趋势不控制不明显的情况下，仅注上部注浆孔，下部注浆孔不注浆；由于过程中出现了管片错台现象，目前调整为上部注浆4.5 m3左右，下部注浆0.5 m3左右。

3.2 管片开孔二次注浆

二次注浆在推进过程和同步灌浆同步进行。注浆位置是脱出盾尾4环，分2次注浆，两环一注，水泥浆水灰比为1∶1，注浆量为0.2 m3，水泥浆与水玻璃的比例为1∶1，注浆位置位于隧道顶部。采用带管口的注浆方法容易清理，双液注浆设备简洁易操作，方便清洗。水泥水玻璃双液浆初凝时间快，13 s左右，对管片形成环箍抑制管片上浮。

3.3 盾构机姿态控制

3.3.1 盾构机自身的姿态控制

自动导向系统和人工手动测量被用来监测防护罩的姿态。该系统可以在盾构机主控室内显示盾构机当前垂直和水平位置与隧道设计轴线之间的偏差和趋势。相应地调整盾构机的掘进姿态，掘进姿态由盾构机的铰链系统和推进系统控制。

根据规范要求，隧道轴线水平和垂直位移应控制在±50 mm以内。当盾构机姿态良好时，可以依靠盾构机适当矫正管片姿态。

3.3.2 盾构机姿态对管片上浮控制

偏差校正应逐环进行，少量偏差校正，以防止过度偏差而损坏组装好的管件和屏蔽尾密封。在曲线段掘进时，在进入曲线之前，应保留靠近曲线内部的偏移。根据导向系统反映的盾构机姿态信息和线路状况，结合隧道地层，通过选择盾构机推进油缸模式来控制掘进方向。与此同时，在曲线段的掘进中，根据曲线半径计算铰链角，并调整铰链筒的伸长以辅助曲线的施工。

推进缸的液压调节不应过快或过大，过快的切换速度会导致管段应力状态的突然变化，损坏管段；掘进参数应根据地下地层情况及时调整。调整隧道方向时，应设置警告值和限值。当达到警告值时，应立即启动偏差校正程序，以计算偏差校正曲线。偏差校正操作只能在管件相对于盾构机处于良好状态时进行。在纠偏操作期间，严格监控盾尾间隙。盾尾间隙每提前30 cm测量一次，以确保盾构机不会卡住，盾尾刷不会损坏。

4 结语

（1） 针对前期地表沉降监测出现的一定隆起，减小同步注浆量，由原来的6 m3减小为5.2 m3，减小对管片的上浮力；在发现地表有沉降趋势的情况下，逐步上调注浆量至5.7 m3；后期为减小管片的上浮趋势，将注浆量控制在5 m3。

（2） 为了控制管片上浮并抑制管片错台，调整为上部注浆4.5 m3，下部注浆0.5 m3；注浆压力持续控制在0.4 MPa左右。

（3） 采用管片开孔注浆方式，进行二次双液浆注浆，缩短浆液的凝固时间，对管片形成环箍抑制管片上浮。为了防止浆液前窜干扰破坏盾尾刷，距离盾尾约4环位置进行二次注浆。