盾构在长距离板岩地层掘进过程中的管片上浮原因分析及对策

郭茶发

（中铁十七局集团第六工程有限公司 福建福州）

盾构在长距离板岩地层掘进过程中的管片上浮原因分析及对策

郭茶发

（中铁十七局集团第六工程有限公司 福建福州）

通过对长沙地铁1号线2标北辰三角洲站～开福寺站区间内板岩地段的监测与分析得出，盾构在板岩地层掘进过程中的管片普遍存在上浮现象，通过施工过程中分析总结，采取相应措施可减少在该类地层下管片的上浮。

地铁施工；管片；板岩地层；抗浮措施

前言

目前在地铁管片施工过程中，管片上浮多出现在软土地层及复合地层中，管片上浮量较大。在盾构隧道中管片上浮控制是确保隧道线型符合设计要求和管片建筑限界的关键，如若无法控制管片上浮问题，就会出现管片裂缝、破损乃至整体轴线偏移等问题，影响工程质量，带来工程隐患，增加工程造价。本文结合长沙地铁1号线北辰三角洲站～开福寺站区间盾构施工过程中，盾构穿越近85%总长度板岩地层的实例，针对在施工过程中出现管片上浮情况，从多方面查找原因并进行分析，制定相应的控制措施。

1 工程概况

长沙地铁1号线2标北辰三角洲站～开福寺站区间，线路出北辰三角洲站后沿规划纵二路向南行进，下穿湘江二桥东引桥，沿规划黄兴北路继续向南行进，到达开福寺路与规划黄兴北路交叉路口南面的开福寺车站。区间右线长1394.6m，左线长1385.758m。区间纵断先以1.8%的坡度下坡，然后再以0.7105%到达湘江二桥东引桥，出湘江二桥后以1.9%的坡度上坡到达开福寺车站，区间覆土厚度约为8.6～21.2m。

2 工程及水文地质条件分析

2.1 工程地质

本区间地貌单元为湘江河的Ⅰ～Ⅱ级阶地，地面标高变化30.60～36.20m。根据野外钻探情况，本勘察范围土、岩层从新到老主要有全新统人工填土层、全新统～上更新统冲积层、残积层、白垩系砂砾岩、元古界板岩各风化带岩石。北辰三角洲站～开福寺站区间盾构穿越全断面板岩的地质占60%，隧道底部为板岩的地层占85%。

2.2 水文情况

本区间周边地表水发育，西边距湘江河0.5km，地形较平坦，本区间基岩裂隙水主要含水层为强风化砂砾岩层，渗透系数k＝0.80m/d、强～中风化板岩层，渗透系数 k＝0.08～0.20m/d，属弱透水性地层。

3 管片上浮的环境特征

（1）从地层地质情况来看，管片在强风化板岩、中风化板岩、微风化板岩地层容易上浮，且地层越硬上浮情况越严重。

（2）从线路特征来看，在变坡点、上坡段、反坡点，尤其是在竖曲线的最低点，管片上浮比较严重。

（3）从管片上浮的速率和快慢来考虑，在开始上浮的第一天，数值一般可以达到稳定值的2/3，第二天上浮值为稳定值的1/4～1/3，到第三天、第四天管片就不再有上升的趋势，逐步稳定下来。

（4）从其他方面，比如注浆不饱满且水大时；上下千斤顶推力差过大时；螺栓未拧紧时；受浆液性质的影响时；管片由于螺栓的影响而自身带有的特性等都或多或少的会引起管片的上浮。

4 管片上浮原因分析

针对我部在长沙地铁1号线北辰三角洲站～开福寺站区间长距离穿越板岩地层的施工实例，从以下几个方面对管片的上浮情况加以分析。

4.1 盾构工法特性的影响

本工程选用的是由铁建重工生产的ZTE6250型盾构机，其刀盘开挖直径为6280mm，管片外径为6000mm，为此管片外侧与土体之间存在140mm的环形间隙，但受管片自重的作用，底部与土体的间隙接近为零。盾构机在板岩地层掘进中，管片脱出盾尾后，围岩自稳效应好，拱顶土体全部塌落到管片结构需要一定时间和过程，如管片外侧空隙未及时填充，则脱出盾尾的管片周围处于无约束的地下水的包围状态，给管片的位移提供了可能的条件。盾构隧道是空心的筒体，在混凝土自重作用下有下沉的趋势，但在全断面地下水压力作用下，防水性能优良的衬砌隧道则有上浮的趋势。以本区间盾构隧道外径6.0m、内径5.4m、宽1.5m的管片为例：

管片混凝土自重：G＝ρ×g×Vc＝2400×9.8×8.06≈189.6（kN）（1）

水浮力：F＝ρw×g×V＝1000×9.8×42.39≈415.4（kN）（2）

式中：混凝土比重ρ为2400kg/m3，管片混凝土方量Vc约为8.06m2，一环管片所占空间体积V约为42.39m3。

根据计算所得，可见管片混凝土自重G小于水浮力F，而板岩地层拱顶有较好的自稳性，土体施加在管片结构上需要时间，这就解释了在拼装管片初期为何隧道上浮位移发展快的原因。

4.2 同步注浆砂浆配合比对管片上浮的影响

根据施工所得经验表明，如果配置的浆液无法保证盾尾后5环的管片壁后间隙得以完全充填并快速形成早期强度，使隧道与周围土体形成稳定的整体构造物，则在浆液为凝固的阶段可将注浆层仍看作液体，管片环完全浸泡在溶液中。根据阿基米德定律，处于浆液的衬砌环受到的浮力F大于管片自重G，当管片环受到的浮力远大于自身重力，在竖直向上力的作用下，管片会产生竖直向上运动的趋势。

4.3 同步注浆量对管片上浮的影响

由于管片外侧与开挖土层存在140mm的环形建筑空隙，如果注浆不饱满，管片外侧与土层之间的间隙没有及时有效地充填，就必然出现管片上浮的空间。

在同步注浆不饱满时，地层土软硬不同，产生的管片上浮情况也不同。一般情况下，软地层不容易上浮，而硬地层却有空间导致管片上浮。这是因为在掘进过程中，对于软地层，上部松软地层土的自稳性差，会因为自重、存在空隙而有相对的下沉，从而使因注浆不饱满造成的管片和土层之间的剩余空隙基本消失。硬地层由于自稳能力强，完整性好，能很好的控制自身沉降。再者同步注浆采用凝结时间为5～7h的砂浆，使管片有足够的上浮空间和时间，且地层越硬，管片上浮的情况越严重。

4.4 总推力竖向分力对管片上浮的影响

总推力竖向分力受管片设计坡度、盾构机俯仰角、总推力等因素影响，千斤顶竖向分力按下式计算。Fy＝F总×sin（θ1+θ2）式中，F总为千斤顶总推力；F竖为千斤顶竖向分力；θ1为盾构俯仰角；θ2为管片设计坡度。如图1所示，为总推力反力竖向分力示意图。

由图1及公式可知，随着总推力增大，竖向分力也增加；当盾构仰角向下越大时，向上的竖向分力也随之增大；当管片坡度向下增大时，向上的竖向分力也随之增大，为此，随着总推力竖向分力的增大，管片上浮的几率也随之增大。

图1 总推力反力的竖向分立示意图

4.5 其它影响因素

除上述主要影响板岩地层中管片上浮的因素外，还包含有其它的原因如下：

（1）土层软硬不均，包括软硬交接面的倾斜度、长度、上覆土层情况等都能影响管片的上浮，尤其在上软下硬地层中，管片上浮情况最为严重；

（2）管片拼装完成后螺栓未及时紧固，导致前后管片连接未形成整体；

（3）测量不及时，导致后续相应的措施滞后；

（4）管片拼装点位选择不恰当。

5 管片上浮的控制措施

5.1 调整同步注浆材料配比

采用同步注浆工艺对管片外侧进行浆液填充后，由于浆液材料存在时效性，随着浆液强度的形成和浆液初凝，注浆层会逐渐起到稳定管片的作用，而同时注浆层未凝结到一定强度以前会存在对管片的浮力，引发管片上浮。为此，本项目在施工过程中通过采用不同砂浆的配合比，调整浆液的凝结时间以控制管片的上浮。本项目在水量较小的地层掘进中采用表1配合比，在水量较大的地层掘进中采用表2配合比。

表1 同步注浆砂浆配合比（M2.5）

表2 同步注浆砂浆配合比（M5）

在施工过程中，我项目通过控制不同点位的注浆压力变化可以起到管片抗浮的目的，当管片上浮量较大时，在盾构掘进过程中，可控制同步注浆操作中注浆点位和注浆压力，使用管片上半侧的注浆点位注浆时，采用该位置静止土压力1.1～1.2倍的注浆压力，而管片下半侧的注浆点位则少注或不注，从而减小管片上浮的趋势。

5.2 盾构机掘进控制

（1）盾构推进油缸分区控制

盾构掘进过程中，千斤顶总推力受开挖面水土压力、盾壳外侧摩擦阻力等因素的影响，而水土压力和摩阻力受埋深、土性因素影响，故总推力要与地层相匹配，不可过度调节其大小。隧道线型在设计阶段已经确定，故在总推力和设计坡度不可控时，可控制盾构机姿态来影响总推力竖向分力的变化。

（2）盾构掘进姿态控制

根据掌握地面地层情况及盾构检测装置反映的数据及时调整推进参数及推进方向，避免引起更大的偏差，当盾构机出现蛇形运动时，应以长距离慢慢修正为原则，做到纠偏及时、连续、不过量，研究猛纠猛调，并且要注意避免纠偏时由于单侧千斤顶推力过大对管片造成的破损，保证拼装后的管片轴线偏差满足规范要求。

（3）控制掘进速度

为保证管片外侧同步注浆质量，盾构掘进速度控制需要与浆液的有效初凝固结时间相匹配，如无法达到良好的固结效果，需要适当调整盾构掘进速度，采取匀速缓慢推进，速度控制在30mm/min，保证管片外侧空隙注浆饱满，避免形成空隙后浆液被地下水冲刷、稀释后浆液性能降低。

（4）盾构掘进轴线控制

在上述抗浮措施均采取后，但管片仍发生较大上浮时，可采取保证隧道实际掘进轴线在隧道设计轴线以下一定高度的措施。在本区间隧道推进中，项目技术人员根据统计的管片拼装后上浮经验值，将盾构机推进轴线高程降至设计轴线下50mm，以此来抵消管片衬砌后期的上浮量，使隧道中心轴线近可能地接近设计轴线。

5.3 加强螺栓复紧

为提高管片整体抗拉浮能力，需要加强对管片螺栓连接的复紧工作，为此，本项目在施工过程中要求三次紧固来实现：在盾壳内（拼装时）进行第一次紧固；脱离盾尾后进行第二次复紧；进入1号台车前进行第三次复紧。

5.4 加强施工监测

为严格控制好管片施工过程中的上浮，实施过程中做到每天对盾尾10～15环管片复测一次，当发现管片上浮时，加紧管片测量频次，可以每5环测一次或者每2环测一次。同时设立警戒值，当管片上浮的速率＞30mm/d，可视为警戒，当管片上浮的速率＞50mm/d，立即停机，实施二次注浆，并对下阶段的掘进采取必要的纠偏措施。

6 结语

本文通过长沙地铁1号线北辰三角洲站～开福寺站区间长距离穿越板岩地层的工程实例，得出管片上浮并不是只由其中一个因素独立产生的，而是一个各方面共同作用下的结果。为此，本项目针对前期出现的管片上浮，分析总结的管片上浮的原因，针对所处工程地质与水文地质情况，分别从浆液配合比及注浆压力控制、盾构机姿态控制、施工监测以及管片上浮后的处理等方面提出控制管片上浮的措施，为今后类似工程施工提供借鉴。

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[3]陈丹莲.成型隧道管片碎裂分析[J].广东建材，2014：55～57.

U455.43

A

1673-0038（2015）49-0249-02

收稿日期：2015-11-2