黄河冲积软土地质盾构隧道上浮机理分析及控制技术

2021-04-08中国中铁六局集团有限公司王迎新

中国建设信息化 2021年6期

文｜中国中铁六局集团有限公司王迎新

前言

近年来在我国各大城市地铁建设中，管片上浮问题日益突出。管片上浮受浆液、注浆压力、工程地质、盾构姿态和线路走向等多种因素影响。本文从浆液产生的静态浮力和动态浮力入手，分析浮力对管片的作用效果，认为在黄河冲积软土地层引起管片上浮诸多因素中，浆液和注浆压力是主要因素。为了从根本上解决管片上浮问题，结合工程实例，提出同步注浆系统改造、加速浆液凝固时间、减小注浆压力等措施，达到缩短上浮力作用时间和减小上浮力的目的，从而有效控制管片上浮，为解决软土地区盾构隧道管片上浮问题提供方法借鉴及建议。

1.工程概况

郑州地铁10 号线土建06 标位于郑州西部，其中郑商区间长度1577m。区间隧道纵坡设计为“V”字坡，最大纵坡24‰。盾构管片采用C50P12 预制钢筋混凝土管片，管片外径φ6200mm，环宽1.5m。通过对郑商区间已拼装成型的前200 环管片进行姿态复测，尽管复测管片姿态符合规范要求，上浮量控制在30mm 以内的成型管片有44 环，占比22%；上浮量超过30mm的成型管片有156 环，占比78%。

本工程线路为山前冲洪积平原，区间隧道主要分布在⑧1 层粉质黏土、⑧3 层粉质黏土。在施工过程中上部土体不会在短时间发生沉降，机械设备的震动、浆液的自重会导致浆液向隧道下方流动，极易造成管片上浮。

2.管片上浮机理分析

管片在受到同步浆液、水浮力等共同产生的上浮力大于覆土和管片自重总和时，管片就会产生上浮，表现为管片在脱离盾尾的数环后出现上浮，引起管片错台。

2.1 盾构建筑间隙的形成

盾构施工中，随着盾构的向前推进，因盾构机盾尾外径与管片外径之间的差值将会在管片背后产生空隙，这个空隙就是盾构建筑空隙。当管片脱离盾尾后，在外部土体与管片之间形成了建筑间隙∆=D-d。根据地层硬岩和软土区分，同步浆液填充建筑间隙可分为两种形式。

（1）硬岩掘进建筑间隙形式

在地层较好的硬质地层掘进，因为地层完整性较好，同步浆液及时填充建筑间隙，包裹成环，不会产生管片上浮现象。这是一种较为理想的情况，只有在土质较好的硬质土中可能会出现。

（2）软土掘进建筑间隙形式

盾构机在软土中掘进，管片脱离盾尾后，在上覆土和管片自重以及侧压力作用下，管片周围的全部或部分土体会马上向管片靠拢，不能及时有效形成完整的浆液环。管片脱离盾尾后，在隧道轴线方向类似于两头固定的简支梁，一头受到盾尾的约束，另一头受到已成型管片的约束。上部土体沉降填充了上部建筑间隙，浆液受到自重及挤压填充下部建筑间隙，如下图1所示。

2.2 浆液和注浆压力的分布形式

（1）整环分布

在硬质地层中掘进，管片与盾尾脱离后，建筑间隙不会立即被周围土体填充，从而形成整环均匀分布或者整环非均匀分布。这种情况不会产生上浮。

图1 硬岩、软土掘进建筑间隙形式

图2 浆液均匀及扇形分布

（2）左上右上对称分布

在软弱地层中掘进，如砂层中，管片与盾尾脱离后，建筑间隙立即被周围土体填充时，注浆浆液会在该填充土体中随机性发生渗透扩散，这种不确定很难精确给出浆液荷载的分布形式。常规作法是假设双孔注浆压力对称分布，均匀作用于管片左上和右上部。

（3）扇形分布

在松软粘性土中掘进，上部间隙被土体填充，在管片环下部建筑空隙存在区域，浆液沿B1 块、B2 块流至底部建筑空隙。此时的浆液和注浆压力假设在下部建筑间隙范围内均匀分布，形成扇形分布形式，具体作用范围或角度受地质及施工影响。当下部浆液及注浆压力形成的上浮力大于上覆土和管片自重时就会出现管片上浮现象。如图2所示。

3.盾构管片抗浮计算

3.1 浆液形成的上浮力计算推导

本工程地质主要为粘性土，结合上述分析，浆液和注浆压力呈扇形分布。因为浆液和注浆压力在管片底部汇聚，因而形成较大的分布力，即所谓的上浮力。由于上浮力大于上覆土荷载和管片自重荷载之和时，导致区间隧道管片出现上浮现象。

以扇环形注浆压力分布为例，推导出浆液和注浆压力形成的上浮力为：

注：P 为注浆压力，θ 为注浆浆液分布夹角。以本工程为例，管片外径6.2m，注浆压力分别取0.2Mpa 和0.4Mpa，θ 分别取45°和90°。

3.2 工程实例管片上浮力计算

（1）计算模型

通过查阅相关资料，满足抗浮要求的上覆土最小厚度计算公式如下：

上式参数说明：H-覆土厚度，RD-管片外径，Rd-管片内径，γj-浆液重度，γC为混凝土重度，γ’-覆土的浮重度。

下面用式(2)替代式(1)中的上浮力，得到：

若覆土厚度一定，则用式(3)推得最大注浆压力为：

式(3)，(4)中的θ 可取为45°或依据土质及注浆施工情况选取其他角度，若以最不利情况考虑，可取为90°。

（2）工程实例计算

以郑商区间为例，前200 环平均埋深16.7m，采用表1中相关参数，按照已知注浆压力或上覆土厚度可分为2 中计算情况。

①若注浆压力确定，取0.4MPa，θ按照最不利情况取90°，把相关数据带入式(3)中，计算得出最小覆土厚度H 为20.25m。如表1所示。

②同理，按照郑商区间前200 环覆土16.7m 计算，代入式(4)可求得注浆压力为0.33MPa。

4.管片上浮控制技术

通过分析可以得出，控制管片上浮要做到加速浆液凝固、缩短浆液作用时间。本工程盾构区间通过创新实践，提出注浆系统改造方法和控制管片上浮技术。通过对同步注浆系统进行改造，使其能够在注入同步浆液的同时注入相应配比的水玻璃，从而控制浆液的初凝时间来控制管片的上浮量。本方法和技术可操作性强，一次注浆即可解决管片上浮问题，避免了采取二次注浆控制管片上浮问题，提高掘进效率，节约成本，单环节约人工、材料约375 元，本区间合计节约79 万元。

4.1 注浆系统改造方法

该设备改造系统包括盾构机同步注浆系统、盾构机原有注浆管路、水玻璃配置系统、水玻璃注入系统等，包括对原有注浆系统进行改造和水玻璃注入系统的接入等工作。具体方法为，在盾构机连接桥位置原有同步注浆软管上安装发生器，给水玻璃注入系统预留接驳口；然后将水玻璃注入系统连接到发生器上，其中水玻璃注入系统包括注入泵、气动球阀、流量计、单向阀、压力表和B 液（水玻璃混合液）混合器，水玻璃配置系统包括水罐、水玻璃原液罐、电动球阀、流量计和混合液箱及搅拌装置。水玻璃配置系统和水玻璃注入系统均放置在连接桥线路走道板上。

表1 注浆压力已定计算表

4.2 改造注浆系统控制管片上浮技术

水玻璃与水按照配比配置完成后，通过水玻璃注入系统注入A、B 液混合器后与同步注浆浆液混合，通过盾构机原有注浆管路注入管片壁后。水玻璃的注入加速同步浆液的凝固，能够简单、快速、有效地控制管片上浮量，保证区间隧道成型质量。

（1）关键操作。①本环推进至50cm（防止双液浆回流堵塞注浆管路）时，开始启动水玻璃注入系统，水玻璃通过改造后的盾构机左上、右上两路注浆通道与同步浆液共同注入。②本环推进至130cm（有效冲洗管路内残留的双液浆，防止盾尾抱死）时停止水玻璃注入，继续注入同步浆液至设计方量。③水玻璃混合液注入期间通过观察压力表压力，及时进行调整。④当管片脱出盾尾后，管片衬砌背后的浆液早已与水玻璃反应凝结硬化，使管片位置趋于稳定，既及时控制了管片脱出盾尾后的上浮；注浆完成后，膨润土注入系统向水玻璃注入系统中注入膨润土，防止管路堵塞。

（2）相关参数

在选择合适的同步注浆浆液配合比的同时增加水玻璃，注浆压力控制在0.2～0.4Mpa，同步注浆量每环7 方、水玻璃40kg。配合比如表2所示：

（3）管路防堵塞措施

注浆系统改造装置另有对注浆管路进行清理的装置，预防盾尾注浆管路的堵塞。①严格控制水玻璃注入的开始时间及终止时间，且在管路上安装有流量计及压力表，用来观察水玻璃注入量。②水玻璃注入系统配置有另外一根管路，用于在注浆工作完成后，向管路内打入膨润土，防止管路中残留浆液与水玻璃反应，造成管路堵塞。

图3 设备改造图

5.实施效果

通过注浆系统改造和新技术应用，配合其他管片上浮控制措施，对郑商区间粉质黏土层已施工完成的 231 环～300 环管片进行了全面检查，管片上浮量控制在10mm 以内的管片数量 65 环，上浮量控制在10～15mm 之间的成型管片 5 环，上浮量控制在 10mm 以内的管片比例为 93%，黄河冲积软土地质盾构施工管片上浮得到有效控制。