粉质黏土地层盾构施工管片上浮原因及预防措施研究

刘媛媛

(山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司)，山西 太原 030006)

1 隧道工程概况

太原市地铁二号线盾构隧道下穿迎泽湖工程区间隧道采用单层管片衬砌，材料为钢筋混凝土。管片内径5400 mm、外径6000 mm，厚度为300 mm。管片拼装采用六分块方案：三块标准块，两块邻接块，一块封顶块。管片组合方式为通用型管片，拼装方式为错缝拼装，管片接头采用弯螺栓[1]。

1.1 地质概况

太原市地铁二号线穿越迎泽湖，迎泽湖水深约 1.5～5.0 m，湖宽约 40～300 m。太原地铁二号线左右线开挖扰动范围内处于迎泽湖湖底范围的地层自上而下依次为杂填土、黏质黏土、黏质粉土、粉细砂、中砂层。盾构右线隧道顶距离湖底约 13.50～17.67 m，其中湖底杂填土厚度 7.67～11.80 m，右线下穿湖体长度约 429 m。盾构左线隧道顶部有大范围液化黏质粉土层存在(长度约 145 m，厚度约14.5 m)，盾构左线下穿湖体长度约 176 m。

1.2 水文地质

太原市地铁二号线穿越迎泽湖工程区内地下水主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水，主要赋存于湖底杂填土中，以上层滞水为主，水量微弱，透水性和富水性均较弱[2-5]。隧道穿越区顶部有大范围液化黏质粉土层存在，来源主要为雨水、灌溉水、河流流水、生活废水、污水等地下管线漏水垂直渗漏补给，排泄方式为蒸发、人工抽降地下水和向下补给潜水等方式。

2 管片上浮原因分析

2.1 硬塑型粉质黏土对盾构施工的影响

盾构机刀盘直径大于盾体直径，盾构机在掘进过程中，管片与地层之间会有14 cm宽的建筑空隙。由于硬塑型粉质黏土自稳能力强，地层基本不会坍塌，刀盘经过之后与管片之间的空腔就一直存在。盾构掘进过程中，刀盘前方的水以及一部分气体会经过盾体外侧流通到管片背后，影响盾构同步注浆质量，管片背后的空隙填充不饱满，浆液中的水得不到渗透，短时间浆液达不到凝固状态，管片得不到自稳定，就会产生管片上浮、错台和破损现象。

2.2 地层中裂隙水影响

区间上方人工湖湖底距离隧道拱顶约6 m，地层中裂隙水较多，盾构掘进一段距离后，地层中裂隙水逐渐汇集到管片壁后，很容易形成浮力。对于刚拖出盾尾的管片可能马上就被游离态的水包围，从而更容易形成水浮力[6]。

2.3 同步注浆浆液影响

当管片脱离盾尾时，根据阿基米德原理，如果同步注浆浆液不能及时初凝并达到一定的早期强度，管片被包围在浆液中，会产生比水更大的浮力。在管片脱出盾构过程中，随着浆液的注入及地层中水的逐渐汇集，会产生一个动态的上浮力。随着同步注浆量及地层中裂隙水汇集量的多少会影响这个动态上浮力，导致管片不均匀上浮而造成管片错台破损。因此如果砂浆不能及时凝固对管片产生约束，管片就一直处于悬浮状态，就有上浮的可能。

2.4 盾构机推力影响

盾构机在掘进过程中需要通过调整各组油缸推力来达到纠偏目的，以符合设计轴线要求。但受盾构机自重影响，盾构机下部油缸推力一般大于上部油缸推力，叠加下坡段盾构机下部油缸推力增大在线路设计轴线法线上诱发的向上分力，结合管片壁后水与砂浆产生的浮力将加大管片上浮量[7-9]。

3 管片上浮技术控制措施

3.1 前期控制措施

为缩短同步注浆浆液凝固时间，及时有效地包裹管片和约束管片上浮，前期控制过程中优化了同步注浆浆液的配合比。具体表现为：

(1)砂浆+水玻璃交错注入能够加快同步砂浆凝结时间，砂浆+水玻璃在接触面快速形成骨架层，减小砂浆向刀盘流动量(可以考虑管片开孔注同步双液浆，能够提前在混合器内混合，减少交叉注入出现的混合不均匀的现象)。

(2)砂浆∶水玻璃=10∶1玻璃掺量能够使砂浆较快凝固。

3.2 过程中控制措施

3.2.1 密封环施工

地层中裂隙水较多，形成水流汇流至刚脱出盾尾的管片壁后，造成砂浆凝固时间加长，管片持续上浮。因此，在管片脱出后配套后，及时进行密封环施工，截断管片后部来水，保证管片壁后是砂浆包裹管片。密封环施工作业时注意以下几点：

(1) 密封环要求拖出后备套后每十环进行一次，除封顶块之外，每个孔都需要进行注浆。

(2) 密封环采用水泥+水玻璃双液浆形式，水泥∶水=1∶1，水泥浆∶水玻璃=1∶1。

3.2.2 同步注浆

同步注浆浆液应满足以下要求：具有良好的和易性和流动性、初凝时间短、收缩率小，具有早强特性。经过室内试验与现场应用测试，确定的配比为水泥∶细骨料∶水∶粉煤灰∶膨润土=200∶720∶450∶360∶50。根据太原地铁二号线穿越迎泽湖工程区现场情况，同步注浆施工时应注意以下几点：

(1)每环同步注浆量不低于5 m3，同时注意注浆压力不大于3 bar，防止注浆压力过大浆液窜流至刀盘。

(2)注浆司机在掘进过程中时刻关注掘进速度，注意注浆速度要与掘进速度匹配，保证浆液均匀填充管片壁后空隙。

(3)管片上浮量较大阶段，可采用上部两路注浆量加大、下部两路注浆量减少的方式进行注浆，可抵消部分管片动态上浮力。

(4)由于该配合比浆液初凝时间较短，要求每个班组必须每天清洗一次注浆系统，包括砂浆罐、下料口、注浆管，保证同步注浆质量。

3.2.3 二次注浆

二次注浆水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃为35°Bé，配比为：水泥∶水=1∶1，水泥浆∶水玻璃=1∶1方式进行注浆。

(1) 二次注浆目的。① 缩短砂浆凝固时间，让砂浆从液体尽快转换成固态，增加对管片的约束力。② 填充管片壁后上部注浆不够饱满的空隙，防止上部空隙过大，下部浆液产生浮力。③ 作为衬砌防水的第一道防线，提供长期、均匀、稳定的防水功能，同时能截断管片后不来水。④ 二次注浆时分解部分管片上浮力。

(2) 二次注浆技术要求。① 当管片拖出盾尾第三环位置开始进行二次注浆，二次注浆应在掘进过程中进行，让同步注浆浆液与双液浆更好的混合。② 注浆频率根据本当前阶段上浮量来确定，当上浮量大于4 cm时每环进行一次二次补充注浆，小于4 cm时候，每两环进行一次二次注浆。③ 二次注浆开始阶段只注入水玻璃，让水玻璃与砂浆混合，结束阶段采用注水泥+水玻璃双液浆形式封口。④ 注浆点位选择在隧道3—9点以上部位，注浆时采用注浆量与注浆压力双重控制原则，注浆压力不超过0.3 MPa，每环二次注浆量不大于1 m3。

3.2.4 盾构机掘进速度控制

盾构机掘进速度直接影响管片上浮的程度和速度。一般情况下，推进速度过快时会导致同步注浆浆液跟不上推进的步伐，造成管片外的建筑空隙充填不密实，浆液也不能及时地提供一定的强度限制管片位移。太原地铁二号线穿越迎泽湖工程隧道施工时采用了缓慢推进的技术方案，控制推进速度小于50 mm/min，确保了管片在脱出盾尾后不会因浆液的问题而产生上浮导致的错台、变形问题。

3.2.5 盾构机姿态控制

控制盾构机姿态的关键在于发现偏差时应逐步纠正，控制油压差不宜过大，与盾构中心线相对称区域的千斤顶油压差应小于70bar，其伸出长度差应小于70 mm。盾构推进过程中如果纠正过快将导致盾构发生过量的蛇形运动，进而导致管片环面受力不均以及周围土体扰动。盾构主司机在盾构纠偏时要采取“勤纠、少纠”原则，不得过急过猛地纠正偏差，每环纠偏量不大于5 mm。

3.2.6 出渣量控制

盾构掘进过程中严格控制出渣量，在渣量超出设计值(连续两车出渣油缸行程小于300 mm)，或者出渣量无法有效控制时，应立即停机并分析原因，采取相应控制措施。

3.2.7 管片姿态测量

在盾构掘进过程中，测量组每天需要进行一次管片测量，测量范围为拖出盾尾30环位置，每天将测量数据进行汇总、处理、上报，相关技术人员及时分析当前阶段管片上浮量，及时采取相应的处理措施，严控管片上浮。

4 结 语

本文针对太原市地铁二号线穿越迎泽湖工程，从已完成的盾构掘进区间来看，在裂隙水较大的泥质砂岩与硬塑型粉质黏土中掘进时，截断管片后部来水、保证浆液有效填充管片壁后空隙、缩短管片壁后砂浆凝固时间是控制管片上浮的三个关键因素。在通过采取密封环施工+同步注浆+二次注浆三重控制的措施下，能够有效控制管片上浮。