摘要：主要依托大连地铁2号线工程西安路站～交通大学站盾构区间富水硬岩地层施工，结合其他盾构隧道施工经验，通过对地质特性、盾构掘进姿态、浆液性能及注浆工艺等造成管片的上浮原因进行了详细的分析并给出了相应的过程控制方法与事后处理措施，成功地控制管片上浮，确保了成型隧道质量。
关键词：盾构隧道，富水硬岩，管片上浮，应对措施
1前言
管片上浮是盾构隧道施工过程中普遍存在的问题，管片上浮会直接导致管片破裂、管片拼装困难及防水隐患等工程质量问题，因此，管片上浮控制是确保隧道线型符合设计要求、满足隧道建筑界限及保障成型隧道质量的关键。以大连地铁2号线工程西安路站～交通大学站盾构区间富水硬岩地层施工为背景，对盾构掘进过程中管片产生的上浮现象、原因及施工对策进行了分析研究，并从多方面提出了针对性措施，为制定控制管片上浮的措施提供参考和依据。
2工程概述
大连地铁2号线工程西安路站～交通大学站盾构区间工程右线长1648.262m，左线长1707.939 m。盾构区间平面线路出西安路站后沿南北向向南，通过半径为300m的曲线转入偏东西方向，再通过半径450m曲线接入黄河路，到达交通大学站。右线隧道从始发井至中间风井均穿越中风化钙质板岩，中间风井至交通大学主要穿越强、中风化辉绿岩，局部为中风化钙质板岩。左右线隧道全隧顶板均在水位线以下，全隧穿越地层节理裂隙发育，地下水类型主要为基岩裂隙水，主要赋存于中风化岩层中，略具承压性，水量丰富。
图1 区间平面图
3管片上浮原因
大连地铁2号线工程西安路站～交通大学站盾构区间工程主要穿越强、中风化钙质板岩，围岩稳定，含水量大。盾构在施工过程中管片均出现了不同程度的上浮现象，尤其在过马栏河时管片上浮量达到100mm以上，管片错台、破裂及漏水现象伴随着反生。
3.1管片上浮客观条件
盾构机的切削刀盘直径与隧道衬砌管片外径的差值，以及盾构掘进过程中产生的超挖，使得管片外侧与地层间存在一个环形盾尾施工间隙，这是造成隧道衬砌管片产生位移的一个外部条件。如果此间隙不能及时被同步注浆所封闭，或者是由于注浆工艺和注浆浆液质量使得浆液的初凝时间较长，浆液在很长一段时间内是未达初凝的流体，这样就使得管片脱离盾尾之后受到周围地下水、注浆浆液、泥浆等包裹管片所产生的上浮力，如果管片所受的上浮力大于自身重力就会产生上浮，这是上浮的内在原因。
3.2地质特性
大连地铁2号线工程西安路站～交通大学站盾构区间工程主要穿越强、中风化钙质板岩，围岩相当稳定且整个区间水量丰富，管片在周围地下水、注浆浆液、泥浆等的浮力作用下上浮。
假定隧道管片全部浸泡在盾构掘进形成的“圆形坑道”之中，管片四周充满了水（泥浆或未凝固的浆液），计算浮力与管片自重的大小关系。管片外径D =6000mm，厚300mm，宽1200mm，则：一环管片自重G = 161KN（按每环管片混凝土体积为6.5 m3计算），一环管片所受浮力F = 339 KN（每环管片排开水的体积为33.9m3），
，即管片所受到的浮力大于2倍管片本身的自重。可见，隧道管片在全断面地下水（或未凝固的浆液）的工况条件下，隧道管片本身就有上浮的趋势。
图2 盾尾施工间隙
3.3浆液性能与注浆工艺
衬背注浆的目的主要有一下三个方面：一是防止地层变形（主要是浅埋软弱土层中的地表沉降）；二是确保管片的稳定（管片位移）和受力均匀；三是提高隧道的抗渗性。要达到这三个方面的要求，衬背注浆浆液的性能要求应满足：①必须具有良好的充填性；②应具有一定的和易性且离析少；③应及早凝固（理论上讲越快越好，但初凝时间太短容易造成注浆管堵塞），且应有一定的早期强度，以抵抗围岩变形对管片产生的不均匀压力。同时，浆液硬化后的体积收缩率要小，以便更好地固定管片；④应有合适的稠度，以便不被地下水稀释。
盾构施工前期采用水泥、砂、粉煤灰、膨润土和水配置的单浆液进行同步注浆，浆液的初凝时间在8～10小时之间，每环的掘进时间在90min左右，当管片脱出盾尾后，管片纵向一定长度范围相当于一个两端固定的弹簧梁，一端受到盾尾的约束，另一端受到己凝固浆液固体的约束，管片在浮力作用下上浮。
图3 管片上浮示意图
3.4盾构姿态控制
盾构机在掘进过程中的运动轨迹实际上是一条蛇形运动轨迹，始终围绕着隧道轴线作蛇形运动，要通过不断调整各分区油缸千斤顶的推力来让盾构机运动中不断逐渐靠近隧道设计轴线。
图4 油缸分区示意图
本工程曲线半径小，为了满足转弯需要与防止盾构叩头的要求，曲线外侧分区油缸与曲线内侧分区油缸、底部分区油缸与顶部分区油缸都要保持一定的推力差。管片受到偏心压力在己安装的环面上产生一个力矩作用，压力差越大，力矩值越大，管片环面受力不均加剧了管片的上浮。
4管片上浮控制措施
4.1浆液选择与注浆工艺
采用在隧道内（偏移侧）注浆的施工工艺，可以推动隧道管片反向运动，因此，可根据盾构隧道管片的上浮趋势，将隧道管片纠偏到设计标准内或者目标偏差范围内。在隧道左右侧注浆，可对水平轴线纠偏；在隧道拱顶或拱底注浆可进行竖向轴线纠偏。在注浆过程中应根据实际需要确定注浆孔位及每个注浆孔位的注浆压力和注入量。
图5 同步注浆
同步注浆采用上部两个点注浆，注浆压力控制在0.2Mpa~0.3Mpa。同步注浆量在6m3～8m3左右，二次注浆量在1.5m3～2m3左右。
4.2掘进姿态控制
盾构机过量的蛇形运动必然造成频繁的纠偏，纠偏的过程就是管片环面受力不均的过程。所以要求在掘进过程中必须要控制好盾构机的姿态，尽可能地使其沿隧道轴线作小量的蛇形运动。按规范要求，盾构掘进中轴线的平面位置和高程其允许偏差为±50 mm。
4.3掘进速度控制
浆液不能达到及时有效地固结和稳定管片的条件时，应适当控制盾构掘进速度，确保管片脱出盾尾时形成的空隙量与注浆量平衡，尽量避免注
入的浆液被水稀释而降低浆液性能。同时，每日掘进进尺也宜控制在6～8 环，以便管片能被浆液充分固结稳定。
4.4姿态预偏
可以适当降低盾构机的姿态，有意识地压低管片高程30mm~50mm，使管片脱出盾尾后即使上浮也不会超限。但此方法属于被动措施，不能够准确的进行控制，容易造成轴线的突然变化，因此在采取此措施前应对所在地质环境进行谨慎分析。
4.5开泄水孔
在开挖岩层十分稳定且不会大范围影响地下水的情况下，可以在管片底部开泄水孔放水以控制管片上浮。此方法尽量少用，能不采用更好。
5结论
通过对大连地铁2号线工程西安路站～交通大学站盾构区间管片上浮问题的分析研究，通过加强浆液性能优化、注浆工艺调整、控制盾构姿态及姿态预偏等方法的现场应用，有效地控制了管片上浮，保证了成型隧道质量，为今后施工中解决相应问题积累了宝贵的经验。
参考文献：
[1]钟志全盾构管片错台分析及措施[J]建筑机械化，2006
[2]周文波盾构法隧道施工技术及应用[M]北京：中国建筑工业出版社，2004
[3]陈馈，洪开荣，吴学松等盾构施工技术北京：人民交通出版社，2009.5
[4]邹翀盾构隧道同步注浆技术现代隧道技术2003.2
作者简介：
肖政伟：男，生于1987年4月6日，2011年毕业于西南交通大学机械系，2011~2016年先后在中铁十局大连地铁201项目、成都地铁7号线9标项目任盾构主管和盾构总工，2016年~至今任中国水电五局成都轨道交通18号线盾构总工。
论文作者:肖政伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/11
标签：管片论文; 盾构论文; 浆液论文; 隧道论文; 注浆论文; 浮力论文; 区间论文; 《基层建设》2019年第2期论文;