浅析盾构隧道管片上浮原因及防治

2022-06-20唐福来李冠华

小水电 2022年3期

唐福来，李冠华

(广东水电二局股份有限公司，广东广州 511340)

0 引言

盾构法施工技术的应用已经有近200 a的历史。我国最早进行盾构工程试验的是1962年上海市城建局隧道处的塘桥试验隧道工程。随着社会和经济的发展，许多城市也开始大量应用盾构法施工地铁、大型供水隧道。由于工程地质环境的不同，施工中面临的施工难度和施工措施仍然存在很大的差异，隧道的施工质量因施工方法和采取措施的不同也有较大的差别。由于管片上浮引起隧道管片错台、隧道侵限、漏水等质量通病在隧道施工中依然存在。管片上浮的原因有多种，如盾构姿态不正确、安装水平、地质因素、注浆方法不当等都可能导致管片的上浮。本文以广州地铁某线路区间隧道的盾构施工为背景，阐述盾构隧道施工中隧道管片上浮的原因，提出施工过程中的预防措施和纠正的方法。

1 工程条件与工程环境

某工程地处广东省广州市中心区东南部，主要由一组双孔单线隧道组成，隧道全长3 830.6 m，附属工程主要有4个联络通道和1个废水泵房。

线路地层由第四系、白垩系上统三水组西濠段，东湖段、康乐段组成。第四系(Q)上部为全新统海陆交互沉积的淤泥或淤泥质土、淤泥质砂，下部为上更新统陆相冲积洪积形成的砂、黏性土层，底部为基岩残积形成的黏性土层，白垩系上统三水组(K2S)由西濠段(K2S2b)紫红色泥质砂岩、粉砂岩、夹含砾粗砂岩组成。隧道围岩主要为砂、黏性土层、基岩残积形成的黏性土层、强风化、中风化、微风化泥质砂岩、粉砂岩等。

地下水为第四系砂层弱承压水及基岩裂隙承压水两种类型。第四系孔隙水主要赋存于淤泥质粉细砂及冲洪积砂层中，为中弱等透水含水层，由大气降水及含水砂层的侧向补给。基岩裂隙水主要赋存于中风化岩的裂隙中，受岩性、埋深等方面的控制，基岩裂隙发育具有不均匀性，因而水量也存在明显的区段性。基岩裂隙水在基岩中赋存及运动条件差，透水性弱。

2 管片上浮情况

在施工过程中，通过管片安装完成后对隧道的变形观测，发现左线隧道525～530环，右线隧道394～400环和520～530环有较大的变形，并且隧道侵限最大达56 mm(524环，末次测量姿态为侵限46 mm)。左线520～530环变形监测结果如下所示(见表1)右线394～400环变形监测结果如下所示(见表2)。

表1 左线隧道局部环片变形监测结果

表2 右线隧道局部环片变形监测结果

由表中数据可以看出，左526～530环向右、向上有较大的偏移，其中向上侵限达11～48 mm；右394～402环向左、向上有较大的偏移，且394～400管片上浮严重，产生了侵限问题，侵限为4～45 mm；右520～530环侵限达17～46 mm。

3 管片上浮原因分析

3.1 地质原因

管片上浮在软弱地层和硬岩地段均可能出现，但在硬岩中上浮的情况比较普遍。在软弱地层尤其是砂层和淤泥质土地层中，随着盾构机往前掘进，管片上部的松散土层和注入的浆液及时充填管片周围，起到固定管片的作用；因此，往往没有规律性，在施工措施不到位的情况下，随时都可能出现，上浮或超限的程度决定于盾构机的姿态。

在洞身地层为硬岩的情况下，由于地层相对比较稳定，在管片安装完成后，管片外壁与围岩间往往有较大的间隙；在地下水丰富的破碎地层中，间隙充满地下水，往往造成管片上浮。

由相关的地质勘察资料和补充勘察资料可知，在394～400环处，洞身地层为中～微风化砂质泥岩，顶部为中～粗砂层(补充勘探资料显示该处砂质泥岩层有一组裂隙发育，岩芯的RQD值为41%)；在520～530环处，洞身地层为微风化砂质泥岩，顶部为中～粗砂层(补充勘探钻孔资料显示，该孔砂质泥岩层岩芯呈短柱状，破碎，岩石质量RQD值仅为8%)。左线526～530环的地质资料也显示该处存在地层破碎与地下水丰富的问题。

因此，这几处的地质情况比较复杂，地下水十分丰富，掘进出碴过程中产生较大的喷涌，从而导致了注入的水泥砂浆被稀释，水泥成分流失，浆液的强度低。同时，隧道顶部因为浆液被稀释导致砂石沉淀，存在较大的空隙，致使管片产生上浮。

每环管片的上浮力估算：

F=ρ浆gV=1.3×10×3.14×32×1.5=551 kN

环管片的重量：

G=γ砼V=24.5×3.14×(32-2.72)×1.5=197.3 kN

F>>G，由于新装管片与上一环管片之间和盾壳的紧固作用，在没有脱出盾尾之前，新装管片是相对稳定的。管片一旦脱出盾尾，紧固力降低，在浮力的作用下有上浮的趋势；因此，要求浆液有一定的早期强度和较快的初凝速度。而在喷涌的地层中掘进，水泥浆被稀释或水泥被冲走的可能性很大，从而导致管片不能被浆液包裹、固结，产生上浮。在较长距离上若注浆量不足或注浆后浆液性能改变，则表现为较长距离的管片整体上浮。但这种上浮到一定距离后因管片的累加重量和注浆质量的改变，两端受到固定，表现为上浮量逐渐变小，最终消失。

3.2 掘进管理的原因

掘进管理方面造成管片上浮或其他方向侵限的原因有盾构机姿态管理、管片排列不当和注浆方面的原因。

现代的盾构机通常装备计算机管理系统以控制盾构机的掘进姿态，但是在盾构机掘进施工过程中，因各种因素的影响，如地层的变化、机械、操作、管片姿态的影响、测量误差纠正等原因，均会出现盾构机的水平或垂直轴线偏离盾构隧道设计线，即盾构机姿态的偏移，往上方偏移时亦可视为盾构机的上浮。在软硬地层交替变换的过程中，偏移的情况更加容易出现，由硬岩变为软土地层时，往往表现为“低头”；而由软岩变为硬岩时，盾构机一般会向更硬地层的一方偏移，但此时往往因为操作手急于调整至正确的方向，过急往反方向调整，又会出现过大的偏移，从而产生所谓的“蛇行”。因盾体的移动而呈现动态的变化曲线，其波形与姿态纠正的急、缓及波形的变化幅度呈对应关系。因此，应尽量避免急剧变化，以免盾构机侵限过多影响管片的拼装，盾构机姿态控制最终为管片的拼装姿态服务，应通过对盾构机姿态的调整，使其适应管片的拼装。

管片排列不当时，尤其转弯环拼装的提前或滞后均会产生隧道出现较大的偏移，往上偏移时，视为上浮。

在富水的盾构掘进区段，注浆浆液性能差、注浆不及时、注浆量不足是不能抑制管片脱出盾尾后产生上浮的主要原因。在松散砂质地层或破碎岩层中，地下水的水力联系往往较好且水量丰富；在硬岩地层中发育较多的裂隙或构造破碎带时，地下水多表现为承压水；在隧道埋深大的情况下，水头压力往往很高；因此，富水区段盾构机掘进，管片和地层间的间隙往往充满地下水。对于一般的浆液，注入后即刻被稀释，尤其在注入一般的水泥砂浆后，砂石立刻离析产生沉淀，直接沉至盾构底部和两侧，充水间隙变成水泥浆液，比重增大，加快管片的上浮；因此，对于该类地层，注入一般的水泥砂浆并不能有效抑制管片的上浮。即使性能良好的浆液，注入不及时、浆液注入不足，管片仍然出现上浮；主要是因为管片脱出盾尾后即受较大的浮力，而注入量不足，浆液被稀释，浆液性能下降，不能及时凝固，管片被“固定”的时间变长，仍会持续上浮。

4 防治措施

通过以上分析，盾构隧道管片上浮的原因主要在于地层本身、盾构姿态的管理、管片安装和注浆几个方面。因此在施工过程中，对这几个方面加以注意，及时防范，采取相应的有效措施，对于防治管片上浮和防止隧道渗漏有较大的实际意义。

4.1 加强测量与校核工作，确保盾构机掘进姿态的正确

人工测量盾构机姿态与计算机系统测量姿态的拟合作为盾构机姿态测量误差修正值，以排除非正常因素的偶然误差，确保计算机自动测量系统的精度校核。始发阶段必须每环进行人工姿态测量。在积累足够多的校核参数后，建立计算机测量系统的误差限制标准。后由计算机进行盾构施工测量导向管理，在控制误差的前提下减小人工测量的时间,提高施工效率。

4.2 根据地层的变化，及时调整掘进参数，确保掘进姿态的正确

地层软硬变化易产生盾构掘进方向的偏移，因此，要熟悉掘进前方的地层，及时调整掘进和注浆参数。由硬岩变为软硬时，除保证水平方向正确外，要适当加大下方千斤顶的推力，使盾构机有往上掘进的趋势，以消除盾体自重作用向下的趋势。由软岩进入硬岩时，由于刀盘旋转有向硬岩偏向的趋势，因此，要适当加大硬岩一侧的推力。当盾构机掘进线路产生较大偏离时，纠偏应逐环进行，应避免急剧调整；应通过对盾构机姿态的逐步调整，使其适应管片的拼装，避免出现因变化过大，超限部位应力过大，产生管片开裂、漏水现象。

推力的大小与速度对盾构姿态有较大的影响，本例掘进过程证明，对于一般性硬岩(如砂岩、中～微风化花岗岩等)和软土地层，采取以下掘进参数(见表3)，对控制盾构机姿态和提高掘进速度是有效的。

表3 依据岩土的类别选用掘进参数统计(φ6 400土压平衡盾构机)

4.3 注浆

注浆通常有同步注浆和二次或多次注浆。

同步注浆的及时进行一般可以稳定隧道管片，控制隧道管片的变形，防止隧道管片在脱出盾尾后发生上浮现象。

对于软土地层，同步注浆所用的浆液可以选用一般的水泥砂浆，为提高浆液的流动性和稳定性，可以掺入5%～10%的黏土。同步注浆量要控制适中，严格控制注浆压力，既不能因过少而造成地面大量沉降，也不能因过多而击穿上部软土层，造成涌砂、涌水等事故的发生。从本工程施工的情况看，在掘进过程中，一定要随时对出土量进行控制。实践证明，当出土量不超过理论出土量的120%时，只要注浆及时、足量(一般宜大于理论注入量的120%)，地面沉降会得到较好的控制。为确保注浆量及注浆效果，一般情况下，注浆压力可以控制在0.2～0.35 MPa；对于已经发生喷涌、沉陷的地段，注浆的压力应适当提高，上限可以提高到0.5 MPa，一般会取得比较好的效果。

但是，对于硬岩地层，由以上分析可知，一般的水泥砂浆因初凝时间较长，往往不能起到及时固定管片的作用。因此，需要采取流动性好、初凝时间短的浆液，如水泥浆+水玻璃浆液或水泥黏土浆+水玻璃浆液，初凝时间的确定要根据到达隧道壁后的管路的长短和充满间隙、注浆压力等来确定，可以建立以下函数关系：

T=K(L，V，1/P)

式中，T为初凝时间(s)；K为常数；L为管路的长度(m)；V为注入空间(m3)；P为压力(MPa)，通常取0.2～0.35。

二次注浆通常在管片脱出盾尾后进行，其作用在于及时填充同步注浆不足产生的空隙以及水泥浆凝固后产生的空隙，防止后续沉降的出现，尤其是在软土地层中。二次注浆的压力与同步注浆压力的控制相同，流量则一般不加以控制，以压力的大小来控制注浆的质量。二次注浆浆液一般采用水泥黏土+水玻璃浆液。

4.4 纠偏

纠偏一般在管片出现上浮后进行，而且在二次注浆过程中及时采取措施，会有一定的效果。此时，二次注浆孔必须选用隧道管片上浮最大点顶部的管片吊装孔，管路安装完成后，将隧道上浮范围内管片底部的吊装孔击穿以释放底部的压力；首先采用普通的水泥浆液注入，以较大的注入压力(一般取平时注入压力的1.2～1.5倍)开始注浆；底部翻浆后，换用初凝时间较短的混合浆液注入；管片移动后，保持恒定的压力30 min。条件具备时，可以采用多点注入的方式，效果会更好。在本工程实施过程中，用二次注浆纠偏的办法，取得了较好的效果；在表1及其所述的超限管片，纠偏量均有10～25 mm。