摘要：随着盾构施工技术的快速进步，盾构工法正快速应用于铁路和公路隧道，但随之而来的管片上浮、破损、漏水问题也迎面而来，对同步注浆浆液质量及注浆系统提出了较高的要求。本文以广东珠三角城际佛莞线狮子洋隧道盾构同步注浆为例，对同步注浆系统、同步注浆浆液、注浆思想等关键点应对进行了探索研究。
关键词：大直径泥水盾构；管片上浮；高浓度抗剪切砂浆；同步注浆；二次注浆
引言
国内外以隧道方式穿越地下及跨越江、河、湖、海水域的工程越来越多，目前主要以盾构法施工为主。盾构隧道工程也正朝向大直径方向发展，大直径盾构隧道近几年被广泛采用，大直径盾构施工过程中所面临的管片上浮的问题尤为突出，已成为大直径盾构隧道的技术难题，虽对于管片上浮控制已积累了一定技术经验，但由于各工程的情况不同，故需要有针对性的进一步研究。
1、工程概况
佛莞城际铁路狮子洋盾构隧道是珠三角城际铁路的控制性工程，隧道全长4900m，最大埋深62m，最大水深17m，最小埋深3.1m，最大坡度30‰，最小半径2000m。为隧道设计为单洞双线，盾构区间隧道采用的预制管片外径13.1m，内径为12m，厚0.55m，环宽2m；混凝土设计强度等级C50，抗渗等级P12；衬砌拼装采用6+2+1的分块形式，为双面楔形量30mm的通用楔形环管片。
图1 隧道设计纵断面图
2、前期管片上浮情况
盾构始发段属浅埋段，在掘进过程中，由于受到浮力等因素的影响，管片出现了不同程度的上浮。以19环～54环为例，管片最小上浮量为12mm，最大上浮量为134mm，其中大于50mm的2环（占58%），大于30mm小于50mm的9环（占25%），小于30mm的6环（占17%）。通过数据可知，管片在拖出盾尾后上浮大部分为40-70mm，并且30mm以上的占83%。
图2 管片上浮量折线图
表1 管片上浮统计表
3、管片上浮原因分析
通过对每环管片上浮情况监测，并对监测信息进行综合汇总，分别从管片受力、浆液特性、掘进参数等方面逐个进行了分析。
（1）衬砌环形建筑空间
盾构机切削刀盘直径D与隧道管片外径d有一定的差值，当管片脱出盾尾后，管片与地层间产生一环形建筑空间。不及时填充此空间，脱出盾尾的管片便处于无约束的状态，给管片的位移提供了可能的条件，就会导致管片出现上浮。
（2）浆液浮力
盾构掘进根据设计断面，将地层内岩土利用盾构机刀具切削下来，通过排渣系统及运输系统，将地层岩土转运至地面，而管片作为隧道衬体，将支持土体所有压力。在富水地层中盾构掘进形成的环形建筑空间在充满水（或浆液）初凝时间很长的情况下，根据质量守恒定律，若管片自重小于盾构掘进的岩土质量，管片在固定空间内将有上浮的趋势。
（3）同步注浆
①注浆方式
同步注浆采用水泥砂浆，前期注浆管理主要以量作为控制标准，不够科学合理，造成两侧注浆管路未均衡注浆，导致管片与围岩间的部分建筑空间没有被浆液完全充填密实，给管片提供了上浮或可压缩的空间。
图3 同步注浆管路分布图
②注浆方量
盾构掘进断面一般大于管片外径，而管片与土体之间空隙需通过同步注浆材料进行填充，若地层不密实，在注浆压力大的情况下，浆液将进入地层其他区域，导致建筑空隙填充不饱满，给管片位移提供了条件。
③浆液质量
同步注浆的砂浆应具有一定的和易性且离析少；应及早凝固（理论上越快越好，但初凝时间不能太短，否则易造成注浆管堵塞），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；浆液硬化后的体积收缩率要小，以便更好地固定管片；应有合适的稠度，以便不被地下水稀释。若同步注浆材料不满足条件，将会给管片提供上浮时间。
（3）掘进参数影响
盾构始发段隧道设计为30‰的下坡，始发时采用水平始发方式，在掘进过程中出现盾构高程姿态超限的情况，因此掘进过程中对姿态进行过猛纠偏，而管片的楔形量仅为30mm，导致管片姿态跟不上盾构姿态。在掘进时，将在设计轴线上产生一个向上的分力，这个分力对管片的上浮产生很大的影响，特别是在同步注浆液没有完全提供约束力的情况下。
4、过程采取措施
4.1盾构姿态控制
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匀的过程，所以必须控制好盾构机的姿态，不要过急过猛地纠正偏差，人为造成管片环面受力不均匀。同时，现场做好管片选型，确保与盾构姿态一致，均衡管片受力，根据观察每环垂直趋向调整不得大于2mm/m。
4.2二次补浆
为及时减少管片上浮量，在每环掘进至油缸行程2.1m，即倒数第三环脱出盾尾1.5m时，停止掘进，对倒数第三环管片采取整环二次补强注浆，通过对补注浆液方量及压力双向控制，确保二次注浆的止水效果。二次补强注浆主要的目的有两个：
（1）进一步加强管片外部防水效果，使地层填充更加密实。
（2）缩短砂浆的凝固时间，有效控制管片上浮等不良情况。
结合盾构施工经验，二次补浆采用双液浆，水泥浆液比重在1.25g/cm3左右，水玻璃波美度在25～30be，双液浆初凝时间在35～40s。注浆量则结合注浆压力变化、注浆孔位置、管片是否错台及开裂等进行确定，一般情况下，管片上半部可适当多注，注浆顺序由顶部开始，之后左右两侧交替，最后为底部。
图4 二次补浆量控制
4.3同步注浆控制
（1）注浆方式
根据之前注浆管理以量作为控制标准、不够科学合理的情况，现按照两侧均衡注浆和注浆量控制进行注浆管理，但由于注浆司机注浆习惯不具备严谨性，有点随意，因此在调整注浆方式后加强现场注浆的旁站、指导，直至注浆司机完全熟练。
注浆时要求左右两侧对称的两路泵击次数相差不得超过5次
（2）同步注浆量
同步注浆理论注浆量为21.4m3，而前30环注浆量保持在24m³，管片出现上浮趋势明显，滞后开始加大注浆量至38m³（35-47环），但导致地表隆起97.6mm，引起沉降报警，后续逐渐减小注浆量至35m³。
图5 同步注浆量控制
（3）浆液原材优化
通过调整砂浆配合比，加快砂浆胶凝时间，尽快稳定管片，抑制上浮。同时每环在盾尾处进行取样，量测砂浆在洞内初凝时间。经过不断的试验，采用高浓度抗剪切砂浆，材料由石灰、膨润土、河砂、粉煤灰组成，这种砂浆属惰性浆液，虽然强度低，但稳定性好，抗剪切效果较好。由于其较好的吸水性和保水性，浆液注入地层后，不易被稀释，在管片周围形成一圈隔水层，并且由于其流塑状态和土层相似，易和土层形成整体，利于管片的稳定。
表2 同步注浆配合比
（4）控制掘进速度
始发掘进前期，掘进参数处于摸索阶段，掘进速度波动较大，从30环开始，掘进速度基本稳定在13～14mm/min，如下图6所示。适当控制盾构掘进速度，可以确保注浆司机在进行同步注浆时注浆量与掘进速度相匹配、规律化，保证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，以便管片能被浆液充分固结稳定。
图6 盾构掘进速度
（5）管片螺栓复紧
管片在安装过程中，每安装一块管片及时将该块管片环向螺栓紧固，在恢复掘进前，检查螺栓紧固情况，若发现松动，及时复紧。当掘进至1m时，督促掘进班对上环管片二次复紧；掘进至1.6m时，督促掘进班对上环管片进行第三次复紧。脱出盾尾后，再次检查螺栓紧固情况，若发现松动，再次对其进行紧固，以提高管片整体性。
（6）管片姿态量测
根据盾构掘进施工情况，每安装一环管片，要求测量组对管片姿态进行监测，监测范围为新装管片到管片稳定环，并将监测数据及时反馈至土木总工及盾构主机室，以确保通过数据分析管片上浮规律，值班工程师根据监测成果及时调整注浆参数等事项。
4.4、后期管片质量
通过不断试验及加强技术管理，调整同步注浆配合比、方量、注浆思想等，管片上浮问题得到解决，每环管片累计上浮量从原先6-7cm减少到1.5cm内，同时管片破损、漏水问题也得到了极大的改观。
5、结论与建议
通过本工程同步注浆施工，总结如下几点结论和建议，以供参考：
（1）同步注浆是填充土体与管片圆环间的建筑间隙和减少后期沉降的主要手段，也是盾构推进施工中的一道重要工序。同步注浆，选择具有和易性好、泌水率小，且具有一定强度的浆液进行及时、均匀、足量压注，确保其建筑空隙得以及时和足量的充填。
（2）注浆速度由注浆泵的性能、单环注浆量确定，并与掘进速度相匹配。
（3）采用高浓度抗剪切砂浆，然强度低，但稳定性好，抗剪切效果较好。由于其较好的吸水性和保水性，浆液注入地层后，不易被稀释，在管片周围形成一圈隔水层，并且由于其流塑状态和土层相似，易和土层形成整体，利于管片的稳定。
（4）注浆过程中要密切关注管片的变形情况，若发现管片有破损、错台、渗漏水等现象应立即停止注浆。
参考文献：
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[4]皮景坤、赵云臣.盾构隧道管片上浮与对策综述.隧道建设.2009Vol.29（6）
论文作者:吴灏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/30
标签：管片论文; 盾构论文; 注浆论文; 浆液论文; 隧道论文; 砂浆论文; 地层论文; 《基层建设》2019年第16期论文;