关于富水黄土地层盾构管片上浮问题的探究

沙鸣 芮江

(西安市轨道交通集团有限公司,陕西 西安710018)

1 研究背景

本文依托于西安地铁六号线大差市站至长乐门站盾构区间。本区间地基土的构造组成自上而下主要有:杂填土、素填土、新黄土、饱和性软黄土、老黄土、粉状黏土等。本区间地下水位埋藏较浅,水位埋深为9.30 ～14.40 m,高程为390.29 ～397.42 m。地下水以第四系的孔隙潜水为主。主要赋存在洪积粉质黏土、砂土层中。地下水的补给来源主要为区外径流补给;潜水的排泄方式有径流排放、潜水的越流排放、人工开采以及蒸发消耗等。该区间场地地下水宏观性的流向和区域地形整体坡度相对应,主要的流向由东南部区域流向西北部区域。平均地下水流速大约为5.00 m/d。

2 管片上浮成因

2.1 隧道成洞性好,围岩收敛性差,导致存在较大上浮空间

本区间隧道所在地层主要是古土壤和老黄土,其土质均匀、结构密实、不易被水浸湿,具有较好的自稳性,收敛性小,隧道开挖完成后地层不会快速沉降。本标段采用两台铁建重工生产的ZTE6250型土压平衡盾构机进行施工,该盾构机的开挖直径为6280mm,采用的管片外径为6000mm,内径为5400mm,隧道成型后管片外壁与周围土体之间形成约140mm的建筑间隙。由于地层自稳性较好该建筑间隙不会因为地层快速沉降而消失,反而给管片上浮提供了足够空间。

图1 建筑间隙示意图

2.2 壁后富水环境导致浆液初凝时间长,上浮力较大

本区间主要受地下潜水影响,区间范围内自然稳定水位埋深为7.00 ～16.00 m,区间隧道埋深在15.4 ～19.8 m之间,隧道全程在水位线以下8～14m。成型管片壁后充满地下水,且具有一定的压力。

区间水文环境条件对隧道成型衬砌管片产生的影响因素主要分为两个方面:一是成型隧道为中空的筒体机构且整体处于地下水中,地下水对隧道整体产生的浮力较大；二是围绕在成型隧道四周的同步注浆浆液完全浸泡在地下水中,造成同步注浆浆液配比中含水量增大,凝结时间延长。

2.3 管片自重及成型管片复合支撑力不足(管片向下的分力小于管片受到的上浮力)

成型管片向下的力包括管片自重及管片之间复合支撑力,管片受到向上的力是由地下水和未初凝的浆液对隧道衬砌管片形成向上的浮力。此时若隧道衬砌管片受到向下的力小于受到向上的力时,会导致隧道上浮。

图2 成型管片受力示意图

由阿基米德原理可知,单环管片在地层中所受的浮力等于它排出的所有水和其他液体的总重量,且由于穿过整环管片的形心竖直向上即垂直于地面。

故单环管片所受浮力为:

F浮=1.5 πR2ρg

R:管片环外半径3m

ρ:浆液密度取1900kg/m3

g:重力加速度取9.8/s2

计算得F=789301.8 N

弹道区又称低速段，碰撞速度在3 km·s-1以下。对于铝材料，弹丸与缓冲屏碰撞后只发生变形或少量破碎。随碰撞速度的增高，对后墙的破坏增大，而缓冲屏与后墙间距的变化几乎不影响弹丸对后墙的破坏能力。此速度区内，后墙正面出现单个撞击坑或多个撞击坑，后墙背面出现鼓包、层裂、剥落、穿孔。

单环管片重力为

G管=mg

m:管片质量取21000kg

G管=205800N

计算得

F浮>G管,管片有向上运动的趋势。

2.4 管片螺栓紧固力不足及螺栓安装间隙造成管片侧向位移

本区间所用管片的螺栓孔直径为33mm,所用管片螺栓直径为27mm。成型管片受到向上的浮力使管片形成向上的趋势,此时管片螺栓紧固力不足及螺栓与螺栓孔之间存在的间隙,会使管片之间发生侧向位移,形成错台。

3 管片上浮的几种形式

3.1 脱出盾尾过程中上浮

图3 管片脱出盾尾过程上浮示意图

3.2 当日掘进区段浆液未初凝造成管片整体二次上浮

同步注浆的浆液初凝前为液态,同样会对成型管片产生较大浮力。当日掘进速度较快,产生的成型管片数量较多且已成型隧道下方浆液未达到初凝时间时,大量管片受到浆液的浮力影响,管片会出现整体二次上浮的现象。

4 管片上浮的影响

4.1 成型管片连续错台

成型管片脱出盾尾后在不同位置受到的浮力不同,产生的上浮量也不同,导致管片在垂直方向产生错台。

管片上浮导致管片之间产生相对位移,连接相邻2环管片

4.2 管片手孔破裂

的纵向管片螺栓因管片的相对位移受到剪力,同时管片螺栓孔位置的混凝土也受到来自管片螺栓的反向作用力。管片螺栓孔位置因管片上浮而产生向上的趋势,同时受到来自管片螺栓的向下的阻力,导致螺栓孔位置的混凝土受拉,当拉力足够大时螺栓孔位置的混凝土被破坏,管片手孔出现破裂。

4.3 隧道渗漏水

成型隧道的管片缝隙出现渗漏水的直接原因是防水材料的防水功能失效,本区间所用的防水材料为三元乙丙止水胶条和遇水膨胀止水胶条,管片之间通过防水材料的相互挤压和紧密贴合实现防水功能。管片上浮导致管片之间出现错台,当错台量较大时,相邻两环管片的三元乙丙止水胶条无法严密贴合,防水功能受到影响进而产生隧道渗漏水。

4.4 隧道线型超限

成型管片脱出盾尾后受到地下水的浮力影响会持续上浮,本区间成型管片与周围土体之间存在140mm的建筑间隙,故管片理论上浮量可达140mm。若管片上浮处理不当可能会出现成型管片的垂直姿态超限,管片侵入建筑限界,造成后续轨道工程道床厚度不足,对行车运营造成不良影响。

5 管片上浮的几种控制措施

5.1 控制浆液初凝时间

控制管片上浮的主要措施之一就是使成型管片尽早脱离受地下水浮力影响的不稳定环境,达到稳定状态。同步注浆使浆液填充满管片与周围土体的间隙,浆液凝固后可增强管片与周围土体的相互作用,大幅度减小地下水对管片空间位置的影响,所以减少同步注浆的初凝时间可有效控制管片上浮。通过调整浆液的配合比可减少浆液的初凝时间,但施工现场受到工艺限制,一般调整至3-4小时。

5.2 及时二次注浆,填充管片壁后间隙

二次注浆的目的是快速填充管片与周围土体的间隙,增强管片与周围土体的相互作用。为了减少管片上浮,同步注浆的压力一般控制在2bar左右,管片顶部难以被完全填充满。二次注浆即通过管片吊装孔直接向管片壁后注浆,可采用水泥、水玻璃双液浆,浆液凝固时间短,填充效果好。注浆位置可选择靠近管片顶部的邻接块,注浆压力不超过2bar,注浆控制标准以注浆压力为主,注浆量为辅。通过调整水泥、水玻璃的混合比可调整浆液凝固时间,注浆前进行现场实验,将浆液初凝时间控制在30s以内。需注意进行二次注浆的管片距离盾尾需5环以上,防止二次浆液包裹盾体。

5.3 及时进行“环箍”注浆,封堵管片壁后汇水通道

环箍注浆是一种采用双液浆,通过二次注浆的施工方式进行施工制作的工艺,又被称为“止水环”。制作工艺主要是在相邻2环管片上分别依次选取不同的注浆点位进行二次注浆,注浆点位沿环向一周交叉依次选取5～6个点位,确保两环管片的壁后空隙能够完全充满双液浆,及时封堵管片壁后汇水通道。

5.4 及时进行管片螺栓紧固

管片拼装完成后随着受力环境变化管片螺栓会发生松动,施工中应对管片螺栓及时进行复紧,保证管片螺栓紧固到位。螺栓紧固工作分三次进行,拼装完成后紧固一次,下一环推进至1200mm时复紧一次,下一环拼装完成后复紧一次。

图5 管片防水材料错位示意图

5.5 控制单班、单日掘进速度

控制单班掘进速度可以使更少的管片处于地下水与液态浆液中,减少成型管片受地下水和浆液浮力的时间。根据同步注浆浆液的初凝时间,在不改变掘进速度的情况下将单班掘进环数降低至每班3-4环,减少处于不稳定状态的管片数量,增加管片整体的稳定性。

5.6 盾尾管片压重、抵消浮力

管片脱出盾尾后上浮的根本原因是管片重量小于管片受到的浮力,在盾构尾部上浮较大的管片位置放置铅块或钢筋混凝土管片,抵消部分浮力。管片上所放置重物的重量可以根据管片上浮量适当地做出调整,配合二次注浆、螺栓复紧等措施,控制管片上浮。

6 控制效果

本区间控制上浮之前,管片脱出盾尾上浮量为10～15mm,距离盾尾10环位置之后管片整体上浮30～40mm;采取上述措施控制管片上浮之后,管片脱出盾尾上浮量为4～6mm,距离盾尾10环位置之后管片整体上浮量为15～25mm,隧道成型管片无错台、破损现象,整体质量安全可控。

7 结论

富水黄土地层中隧道管片的上浮问题多发,综合本文上述观点,造成管片上浮的主要原因包括地质及水文等原因、同步浆液浆液初凝时间、二次补浆不及时、管片自重及成型管片复合支撑力不足。可以根据现场的实际施工条件,从同步浆液的配比、二次补浆技术、螺栓复紧、盾构掘进速度的控制等多个方面入手,以降低管片的上浮量。由于管片上浮成因综合、机制复杂,本文无法一一详述。若内容有不详或错误之处,请各位同仁批评指正。