摘要：盾构隧道管片出现连续上浮的问题，进行了原理分析和技术讨论，并针对成都地铁一号线三期南段土建2标地铁隧道施工过程所出现的管片上浮范例展开讨论，其中着重以区间地层全断面中风化砂岩地质作为特例，实际施工过程，区间地下水量丰富，并普遍受地下裂隙水制约影响。
关键词：盾构施工；富水地层；管片上浮；掘进参数控制；同步注浆：预防措施
1隧道工程概况
广州路站～兴隆湖站区间位于成都市天府新区蜀州路西侧,线路出广州路站后向南行进,下穿货运外绕线、鹿溪河泄洪通道及蜀州路下穿隧道后接入兴隆湖站。区间主要位于中风化砂岩层及中风化泥岩层。
区间隧道采用单层管片衬砌，材料为钢筋混凝土。管片内径5400mm、外径6000mm，厚度为300mm。采用六分块方案：三块标准块，两块邻接块，一块封顶块。封顶块拼装时，径向先搭接2/3再纵向推入1/3。管片组合方式为直线环+左右转弯环，拼装方式为错缝拼装。管片接头采用弯螺栓。
1.1地质概况
区间主要位于中等风化泥岩、砂岩，偶夹砾岩：紫红色、灰白色、灰红色夹青灰色、灰黄色，中～厚层状，砂岩呈砂状结构，部分地段泥质成份略重，泥岩呈泥质结构，钙质胶结，砾岩呈碎屑结构，钙质胶结，节理裂隙较发育，岩芯呈柱状、短柱状，砂岩、砾岩质地硬，锤击声脆。泥岩普遍含钙质团块及灰绿色粉砂质条带。部分地段差异风化明显，本次钻探未揭穿。根据室内试验，天然极限抗压强度4.81～58.50MPa，标准值16.56MPa。其中，砾岩岩质坚硬，天然极限抗压强度最大值达58.50 MPa，天然饱和极限抗压强度最大值达33.67 MPa。
1.2水文地质
（1）地表水
本段工程线路主要穿越的河流有鹿溪河、人工湖、堰塘、沟。地表河流均属川西平原岷江水系，具丰富的地表径流，是本地区地下水与地表水之间相互转换的主要途径和渠道。
（2）地下水
根据成都地区区域水文地质资料和已建工程水文地质勘察资料，按照各段不同的地下水赋存条件，沿线地下水主要有三种类型：一是赋存于粘土层之上的上层滞水，二是第四系孔隙水，三是基岩裂隙水。
①上层滞水
上层滞水主要赋存于粘土层之上的人工填土层中，大气降水、沟渠和附近居民的生活用水为其主要补给源。水量、水位变化大，且不稳定。
由于其涌水量相对小，对地下工程基本无影响。
②第四系孔隙水
该层地下水主要分布在Ⅱ级阶地地区，赋存于第四系全新统、上更新统的砂、卵石地层中，水量较丰富，为孔隙潜水。部分地段由于地形和上覆粘性土层控制，具微承压性，地下水埋深一般3～8m，受地形变化影响水位略有起伏，含水层有效厚度约5～10m不等。根据成都地区水文地质及相关工程资料，该层砂、卵石土综合含水层渗透系数K约为10～20 m/d，为强透水层。
③基岩裂隙水
区内基岩主要为白垩系灌口组泥岩、泥质砂岩，夹关组砂岩夹泥岩，白垩系天马山组-侏罗系蓬莱镇组（K1t-J3p）泥岩、砂岩互层，偶夹砾岩，地下水主要赋存于基岩裂隙中，含水量一般较小。根据成都地区水文地质及相关工程资料，基岩渗透系数K约为0.027～2.01 m/d，平均为0.50 m/d，为弱～中等透水层。
2掘进过程中管片出上浮
根据下表中数据发现左右线均在相近的地层区段中发生管片上浮情况均类似，并出现上浮趋势较大、管片连续上浮的共性。本次取例的管片主要为上浮至超限位置管片区段，上浮趋势呈曲线形式发展，但并不是单纯一单峰值形式出现，在为及时处理或采取处理措施不当未能抑制上浮继续发生的情况下，上浮趋势会呈连续波浪形式发展，右线隧道管片侵限量虽比左线隧道少，但由于虽发现后采取措施处理，但未能抑制上浮趋势，而导致出现波浪形式变化。
表1 左线上浮统计表
表2 右线上浮统计表
3隧道出现管片上浮现象及原因分析
3.1隧道管片上浮现象
管片上浮现象处地质为全断面中风化砂岩，基岩裂隙水较发育，隧道管片均会出现由于管片上浮而造成不同程度的环、纵缝错台现象。尤其是纵缝错台较为普遍，错台量有时会达到20~40mm。严重的管片错台会导致相邻管片出现应力集中而开裂、破损，直接影响管片质量和使用寿命。而最大的问题是，管片上浮会直接导致管片中心位移偏差，按现行城都市盾构隧道管片位移的规范要求为±lOOmm，而管片的严重上浮往往高程偏移峰值会达到100mm。
3.2管片上浮的外部条件
区间所选用的中铁构机刀盘开挖直径为6280mm，盾尾外径6230mm，管片外径为 6000mm，盾构在掘进 过程中，盾构通过铰接由中体拖动向前移动 ，所以盾尾上部的外壳与围岩约有 50mm的间隙，而下部盾尾外壳与围岩的间隙为零。在盾构机的结构设计上，管片与盾尾的设计间隙量为△D=75mm (35mm+40mm) ，所以管片与围岩的理论间隙量为：L上 =165mm，L下=115，L左=140mm ，L右=140mm 。就工程地质方面，在隧道穿越自稳性较好的中风化砂岩，由于 自稳性好的围岩开挖后的拱效应作用， 管片背后的建筑空隙是一直存在的。只要此间隙未能及时被同步注浆所封闭并具有一定的强度，管片脱出盾尾后就有位移错台的外部空间条件。
3.3管片出现严重上浮原因分析
盾构机整体重约360T，总量主要集中在刀盘和前体上，根据线型其姿态也要求有向上的趋势。因此在操作要求上应加大底部C区千斤顶推力，这样就形成了上部A区千斤顶和下部C区千斤顶的推力差。由于千斤顶分区油缸的压力差管片受到偏心压力，在已安装的环面上受到一力矩的作用，压力差越大，力矩值越大。力矩值越大管环与管环间竖直方向的剪力越大，但环面间的摩阻力小于因力矩作用产生剪力，导致管片出现错台的情况。综合先前施工经验，在推进时推进千斤顶上下部压力差应尽可能小，避免过大的推力差使管片发生偏移现象，从而减弱管片的自稳性。通过施工数据显示，当千斤顶上下部压力差达100Bar，管片向上位移现象明显。在施工过程中，宜将上下千斤顶压力差控制在80Bar内，而当时根据现场施工记录 ，在掘进过程 中经常出现压力差超过100Bar 的情况。一般情况下为保持盾构机的姿态平稳，在盾构推进过程中，C区情景顶油缸压力应大于A区千斤顶油缸压力才能使得盾构机保持一直具有向上的趋势。随着每环的推进千斤顶油缸不断的伸长。这样在掘进过程中，管环间的剪力是随着掘进而增大的。
3.4地下水浮力和同步注浆液的作用
盾构机在中风化砂岩中掘进，地下水对管片上浮起着关键性作用。根据区间地质勘查报告显示，地下水主要赋存有两种 ：上层滞水、第四系孔隙水、基岩裂隙水，主要赋于强风化 、中风化泥岩中，裂隙发育 ，属中～强透水层，而左、右线隧道管片出现严重上浮区段正处于中风化岩层中，地下水较为丰富，并水头压力随着地层的加深而增大。在基岩裂隙发育、地下水丰富地段，注入衬背同步注浆的浆液长期被地下水稀释不能在短时间内凝固，更严重可认为，连续掘进数环、甚至数十环所注入的同步注浆基本已被有压地下水冲刷至不能正常凝固，甚至被冲刷无踪，因此而形成一道带压水通道。并且水压随着隧道的深入而不断增加，整个上浮管片可视为浸泡在地下水和浆液的混合物之中，当管环脱出盾尾后就立即受到浮力的作用。以一环管环为单元计算，管环排开水的总量为：
F浮=pV排=1.0 X103XnXI.5X3.02=42.4t，
而1环管片重量约为20t，所以管片受到向上的作用力为22.4t， 就以左线隧道出现上浮环管片为例，该10环管片所承受的连续浮力为：10X22.4t=224t，如此的浮力足以令连续10管环产生上浮。
3.5盾构机蛇形产生运动
由于盾构机在掘进过程中始终是沿隧道轴线做空间连续的蛇形运动，为避免过大的蛇形运动量，在盾尾间隙允许的条件下，必须选用一定的楔形环或转弯环来调节盾尾间隙和调整推进千斤顶的行程差，以免盾尾与缓缓的问隙过小，盾尾钢板挤压管环导致管片破损。当选用弯环调节上、下部位的盾尾间隙时，必使得与之相接触 的上一环管环法线在竖向存在夹角，在推力作用下将产生管环间的竖向分力，相邻管环间环面将产生剪力，易造成管片环缝竖向错台，并导致管片间应力释放。
4控制隧道上浮的建议
4.1盾构机管片选型
在推进千斤顶形行程差较小的情况下，解决的办法是多用直环调节竖向盾尾间隙，采用直环在拼装时整环朝盾尾间隙大的方向移动，每环掘进过程中纠偏量不大于5mm，这样环与环间轴线就成空间平行，就不存在相邻 管环间的竖向轴线夹角。相邻管环间就不存在竖向剪力 ，实践经验证明施工过程 中采用此方法是可行的，虽管环拼装具有一定的难度，当控制管片蛇行超挖减少出现管片上浮有明显功效。
4.2同步注浆
该区间所选用的盾构机进行同步注浆时，是在盾构机掘进的过程中，采用管片衬背同步注浆方式来填充管片与围岩间的间隙，从而达到减少地层的沉降，限制管片位移和变形、提高结构的稳定性、加强隧道的防水的目的。浆液的初凝时间为5h，24h抗压强度为0．5MPa，28天抗压强度为4MPa。该区间隧道内径中=5400mm，管片厚l=300mm，每环管片宽度T=1500mm，选用盾构机刀盘外径为6280MM，每环同步注浆需求量为：Q=KxV(K为注浆率，取1.3～1.8)V：V=3.14×(D2-d2)×T/4D为盾构的切削外径(D=6280mm)d为管片外径(d=6000mm)则;V=4.0m Q=6.0㎥。(K取1.5)
同时考虑到注浆过程呈的施工损耗、超挖、浆液的渗透等因素，注浆填充率取K=1.5，每环同步注浆所需要的浆量约为6.0㎥，但由于浆液通过盾尾渗漏，实际注入量却大于6.0㎥。，并且实际施工中，往往同步注浆量无法达到需要量，在左、右线出现管片连续上浮的区间内，盾构机同步注浆量不足6m3。，并在有压水通道地下水冲刷下，注浆效果根本无法保证。盾构机同步注浆对控制管片上浮所起的作用是至关重要的。保证同步注浆的效果及填充量，是控制管片上浮的关键。
4.3二次注浆
当管片姿态检测资料显示后续管片出现上浮超限后，现场盾构机立即停止掘进，采取对后续上浮管片进行补注浆施工。现场分别先对出现上浮管片吊装孔开孔防水泻压，再进行二次补注浆。在现场采取了二次注浆措施以后，有效地提高同步注浆凝固效果，管片上浮趋势明显减缓，并趋于稳定，由此可见二次注浆对控制及减缓管片上浮有显著作用，二次注浆过程中需掌握二次注浆的时机及注浆量。该区间采用在管片脱出盾尾第二环开孔注浆（保护盾尾刷），每环注浆量为0.6~0.8㎥，注浆压力不大于3bar，双液浆配合比为：水灰比=1：1，水泥浆：水玻璃=1:1。
4.4施做封水环
封水环施做有利于保障同步注浆的数量及质量。
由于管片背后处于” 连通”状态，盾壳与地层有一定间隙。浆液在地下水作用力下流失至刀盘；地下水使浆液稀释后无法保障浆液质量，造成浆液填充不饱满，无法对管片进行束缚，造成管片上浮、错台、渗漏水现象严重。
根据地下水含量的情况定为每40环施做封水环一次，采用注入双液浆的方式在盾尾第四环至连接桥处隔一环注一环，连续注入三环，注入过程中注浆压力不大于3bar，每孔不大于1㎥，采用注浆压力及注浆量双重控制，防止管片错台。为保障封水环施做效果对管片开孔检查无水流出，若孔内有水流出则继续注浆。封水环施做对减缓管片上浮有显著作用，但缺点是注浆过程中盾构机停止掘进，均存在耽误施工时间过长情况，直接影响掘进进度。
4.5掘进过程中严格控制“纠偏”
盾构机的姿态控制包括机体滚转控制和前进方向控制。其控制操作原则有两条：
滚角应控制在+-10mm/m以内。盾构机滚角值太大，盾构机不能保持正确的姿态，影响管片拼装的质量。如果盾构机水平向右偏，则需要提高右侧千斤顶分区的推力，反之亦然。
在一般情况下，盾构机的方向偏差应控制在,±20mm以内，在缓和曲线段及圆曲线段，盾构机的方向偏差控制在±30mm以内，曲线半径越小，控制难度越大。这将受到设备、地质条件和施工操作等方面原因的影响。
在盾构机姿态控制中，推进油缸的行程控制是重点。对于1.5m宽的管片，原则上推进油缸的行程控制在1800~1820之间，行程差控制在0~50mm之间。行程过大，则盾尾刷容易露出，管片脱离盾尾较多，变形较大，易导致管片姿态变差；行程差过大，易使盾体与盾尾之间的夹角增大，铰接油缸行程差加大，盾构机推力增大，同时造成管片的选型困难。
结语
综上所述，盾构机在富水硬岩地层掘进，盾构机参数的控制及确保同步注浆效果对有效控制管片上浮起着关键作用。
(1)严格控制推进千斤顶油缸的压力控制，确保各千斤顶对管片均匀受压；
(2)定期对管片衬背进行二次补充注浆，形成止水分区的作用，确保同步注浆效果；
(3)严格控制盾构机掘进姿态，尽量减少盾构机蛇行超挖量；
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论文作者:段文堂
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/21
标签：管片论文; 盾构论文; 注浆论文; 隧道论文; 地下水论文; 千斤顶论文; 砂岩论文; 《基层建设》2019年第20期论文;