張東曉,李 朝,呂大桅,孫成博,徐杏華

(1.中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司,北京 102300； 2.長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司,長(zhǎng)春 130012； 3.孝感學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院,湖北孝感 432000)

近年來(lái),在我國(guó)城市地鐵建設(shè)中常常會(huì)遇到盾構(gòu)隧道襯砌管片的上浮問(wèn)題(管片錯(cuò)臺(tái)(圖1)、裂縫、破損,隧道軸線偏移等),襯砌管片的上浮會(huì)直接導(dǎo)致拼裝困難和防水隱患等工程質(zhì)量問(wèn)題[1,2],因此有必要對(duì)管片上浮的原因進(jìn)行深入全面的研究,并找出解決這一問(wèn)題的對(duì)策與措施。以北京地鐵10號(hào)線二期石榴莊到大紅門(mén)盾構(gòu)隧道區(qū)間工程為背景,對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中管片產(chǎn)生的上浮現(xiàn)象、原因及施工對(duì)策進(jìn)行了分析研究,并從多方面提出了針對(duì)性措施,為制定控制管片上浮的措施提供參考和依據(jù)。

圖1 管片上浮實(shí)例

1 工程概況及地質(zhì)條件分析

1.1 工程概況

北京地鐵10號(hào)線是北京軌道交通線網(wǎng)中的第二條環(huán)線,是北京市三環(huán)路、四環(huán)路之間的直達(dá)快速軌道交通線,作為軌道交通線網(wǎng)中的骨架線路,地鐵10號(hào)線共與16條軌道交通線路銜接,共有24個(gè)換乘節(jié)點(diǎn)。地鐵10號(hào)線二期工程的建設(shè)將極大改善北京市南部、西部的交通狀況,有效緩解中心區(qū)及沿線路面交通壓力。北京地鐵10號(hào)線二期工程石榴莊路到大紅門(mén)區(qū)間隧道,與石榴莊路永中基本平行,呈東西向布置,區(qū)間起訖里程K32+214.251～K33+293.13,全長(zhǎng)1 075.865 m,含長(zhǎng)鏈0.014 m,覆土厚度11.5～23.8 m,線間距15 m。

1.2 工程及水文地質(zhì)條件分析

石榴莊路到大紅門(mén)區(qū)間隧道自東向西布置,區(qū)間隧道穿過(guò)地層主要為：卵石、圓礫③層、粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土③1層、細(xì)中砂③2層、卵石④層和粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土④1層、細(xì)中砂④2層。沿線穿越?jīng)鏊?石～大區(qū)間段),涼水河水位較深,其流域多淤泥質(zhì)土層質(zhì)。

施工區(qū)域的水文條件,根據(jù)探測(cè)結(jié)果,可分3層：第1層水位埋深6.19～12.30 m,水位高程22.52～26.70 m,為潛水；第2層水位埋深6.00～22.10 m,水位高程12.10～13.51 m,為潛水；第3層水位埋深24.00～32.70 m,水位高程4.98～10.21 m,為略具承壓性的潛水。第3層水埋深較深,對(duì)工程基本沒(méi)有影響,工程主要受前兩層潛水的影響。

2 盾構(gòu)隧道管片上浮位移觀測(cè)及分析

圖2 管片隨時(shí)間的上浮曲線

由于石榴莊路到大紅門(mén)區(qū)間隧道地質(zhì)情況變化較大,在掘進(jìn)試驗(yàn)段期間,一直對(duì)管片中心高程上浮情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)第46～55環(huán)管片上浮及錯(cuò)臺(tái)較為嚴(yán)重,有的上浮超過(guò)了100 mm,部分管片還出現(xiàn)了滲水情況,并引起了襯砌結(jié)構(gòu)侵入建筑限界[3,4]。通過(guò)對(duì)第46～55環(huán)管片中心高程上浮位移值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),繪制了管片拼裝后不同時(shí)間的中心高程上浮位移變化曲線。圖2顯示了第46～55環(huán)管片脫出盾尾后的上浮變化規(guī)律。從圖中可以看出,雖然不同管片的上浮速率以及最后的上浮量不同,但是相同的是管片在脫出盾尾的初期上浮增長(zhǎng)迅速,而且在拼裝24 h后就幾乎完成了最終上浮量的一半左右。這是因?yàn)樵诠芷摮龆芪渤跗?壁后的注漿漿液處于粘阻力相對(duì)較小的流體狀態(tài),而且管片下部土體因卸荷回彈,對(duì)管片的上浮有明顯作用。管片在脫出盾尾約48 h后,管片上浮的各種因素作用減弱,上浮趨于停止。圖3顯示了第46～55環(huán)管片分別在拼裝后24 h,48 h,48 h后的上浮情況。從圖中可以看出,拼后72 h相對(duì)于拼后48 h的上浮值并沒(méi)有較大幅度的增加,說(shuō)明管片上浮在拼后48 h后趨于停止。

圖3 管片拼裝上浮曲線

3 盾構(gòu)隧道管片上浮產(chǎn)生的原因

盾構(gòu)機(jī)的切削刀盤(pán)直徑與隧道襯砌管片外徑的差值,以及盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的超挖,使得管片與地層間存在一個(gè)環(huán)形盾尾間隙[5],這是造成隧道襯砌管片產(chǎn)生位移的一個(gè)外部條件。如果此間隙不能及時(shí)被同步注漿所封閉,或者是由于注漿工藝和注漿漿液質(zhì)量使得漿液的初凝時(shí)間較長(zhǎng),漿液在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)是未達(dá)初凝的流體,這樣就使得管片脫離盾尾之后受到周圍地下水、注漿漿液、泥漿等包裹管片所產(chǎn)生的上浮力,如果管片所受的上浮力大于自身重力就會(huì)產(chǎn)生上浮,這是上浮的內(nèi)在原因。另外，由于隧道上覆土厚度較淺或覆土被擾動(dòng),使得土層與管片周邊的握裹力減弱,泥水沿盾構(gòu)機(jī)后竄至已建成隧道部分,也會(huì)導(dǎo)致襯砌管片的上浮。

4 盾構(gòu)隧道上浮的控制措施

4.1 選擇適當(dāng)?shù)淖{漿液與注漿方法

注漿過(guò)程是有效控制襯砌管片上浮的關(guān)鍵時(shí)期,理想的情況是注漿漿液完全充填盾尾間隙并快速凝固形成早期強(qiáng)度,從而使隧道與周圍土體形成穩(wěn)定的整體構(gòu)造物。同步注漿分為盾尾注漿和管片注漿。盾尾注漿自動(dòng)化程度高,施工控制相對(duì)容易,漿液在盾尾間隙的分布相對(duì)均勻,但堵管時(shí)清洗困難,一般只適于單液注漿,若選雙液漿,需配置專門(mén)清洗裝置。管片注漿操作靈活,容易清理,既可選用單液漿,也可選用雙液漿,可對(duì)局部地段進(jìn)行二次補(bǔ)漿,適合對(duì)隧道偏移、地表建筑物變形控制等特殊情況的處理,但易造成注漿不均勻,很難做到真正的同步注漿。實(shí)踐證明,盾尾注漿對(duì)管片產(chǎn)生的注漿壓力小于管片注漿對(duì)管片產(chǎn)生的壓力,所以應(yīng)首先進(jìn)行盾尾注漿,在漿液凝固達(dá)到一定強(qiáng)度后,再根據(jù)注漿情況進(jìn)行管片二次注漿。

4.2 控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)及參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)際上是一條圍繞隧道軸線的蛇形運(yùn)動(dòng)軌跡[6,7],盾構(gòu)機(jī)過(guò)量的蛇形運(yùn)動(dòng)必然造成頻繁糾偏,糾偏過(guò)程就會(huì)使管片環(huán)面受力不均,所以必須控制好盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),盡可能地使其沿隧道軸線作小量的蛇形運(yùn)動(dòng),當(dāng)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)中軸線的平面位置和高程的允許偏差大于規(guī)范要求的50 mm時(shí),應(yīng)逐步緩慢糾偏,不得過(guò)急過(guò)猛地糾正偏差,糾偏數(shù)值不得超過(guò)操作規(guī)程的規(guī)定值,每一循環(huán)盾構(gòu)的糾偏,水平方向不超過(guò)9 mm,豎直方向不超過(guò)5 mm。要合理調(diào)整各區(qū)域千斤頂油壓,避免油壓差過(guò)大加劇管片上浮的趨勢(shì),因此要求與盾構(gòu)中心線相對(duì)稱區(qū)域的千斤頂油壓差應(yīng)小于5 MPa,其伸出長(zhǎng)度差應(yīng)小于12 cm。同步注漿過(guò)程中,為使?jié){液及時(shí)有效地固結(jié),一般以緩?fù)茷橐?推進(jìn)速度不大于3 cm/min。

4.3 考慮上覆土與土層擾動(dòng)

對(duì)于淺覆土或覆土土層受過(guò)擾動(dòng)的隧道,在隧道圍巖上部易發(fā)生應(yīng)力松弛,難以形成壓力拱,再次掘進(jìn)時(shí)將發(fā)生較大的形變,從而在隧道豎直方向產(chǎn)生附加應(yīng)力,使盾構(gòu)機(jī)和隧道上浮,因此設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免淺埋和超淺埋。由于隧道上浮量隨土體彈性模量的增大而減小[6],因而改善土體特性可以抑制隧道上浮,必要時(shí)可對(duì)隧道頂部土體進(jìn)行注漿加固,另外,上覆土對(duì)隧道也有很好的抗浮作用,因此增加覆土厚度可充分發(fā)揮上覆土對(duì)隧道的抗浮作用。

4.4 控制管片姿態(tài)

由于管片上浮是盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題,因此可根據(jù)測(cè)量到的隧道上浮情況,在推進(jìn)過(guò)程中,為保證隧道軸線偏差控制在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi),盾構(gòu)掘進(jìn)軸線可適當(dāng)?shù)陀谒淼涝O(shè)計(jì)中線[8]?？稍谠O(shè)計(jì)軸線不變的前提下,先根據(jù)管片拼裝后上浮量的經(jīng)驗(yàn)值和盾構(gòu)機(jī)的大小推算出上浮量的基本大小,然后對(duì)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的軸線進(jìn)行調(diào)整,將其軸線加以放低。經(jīng)驗(yàn)公式如下:

隧道平均上浮量-盾構(gòu)推進(jìn)軸線降低量<±50 mm讓盾構(gòu)降在設(shè)計(jì)曲線以下掘進(jìn),讓隨后上浮的隧道回到設(shè)計(jì)軸線附近,控制在設(shè)計(jì)允許的偏差值士50 mm以內(nèi),另外還應(yīng)要求襯砌成環(huán)后直徑允許偏差應(yīng)小于33 mm,環(huán)、縱縫張開(kāi)小于2 mm,管片環(huán)面不平整度應(yīng)小于3 mm,相鄰環(huán)高差小于4 mm。每環(huán)掘進(jìn)結(jié)束后,必須擰緊當(dāng)前環(huán)管片的連接螺栓,并在下環(huán)掘進(jìn)時(shí)進(jìn)行復(fù)緊,避免作用于管片推力產(chǎn)生的垂直分力,引起隧道浮動(dòng)。

5 管片上浮后的處理

管片上浮后補(bǔ)救的措施其實(shí)并不多,一般的做法是打開(kāi)隧道底部的注漿孔泄壓來(lái)釋放管片底部的有壓水和未凝固的注漿漿液,這種做法其實(shí)效果并不理想,而且污染隧道。若發(fā)現(xiàn)隧道上浮量大,且范圍較大時(shí),應(yīng)立即停止盾構(gòu)掘進(jìn)。發(fā)現(xiàn)管片上浮后,通常的做法是根據(jù)管片的上浮趨勢(shì),合理進(jìn)行糾偏。

5.1 用注漿孔位合理糾偏

采用在隧道內(nèi)(偏移側(cè))注漿的施工工藝,可以推動(dòng)隧道管片反向運(yùn)動(dòng)[9,10],因此,可根據(jù)盾構(gòu)隧道管片的上浮趨勢(shì),將隧道管片糾偏到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)或者目標(biāo)偏差范圍內(nèi)。在隧道左右側(cè)注漿,可對(duì)水平軸線糾偏；在隧道拱頂或拱底注漿可進(jìn)行豎向軸線糾偏。在注漿過(guò)程中,還應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定注漿孔位及每個(gè)注漿孔的注漿壓力和注入量。

5.2 采用楔形襯砌環(huán)修正或石棉橡膠板貼片糾偏

當(dāng)發(fā)現(xiàn)管片已成上浮趨勢(shì)時(shí),可安裝楔形管片進(jìn)行糾偏,改變管片的走勢(shì),按照同樣的原理,也可在管片背對(duì)千斤頂環(huán)縫凹處分段粘貼不同厚度的石棉橡膠板進(jìn)行糾偏,分段粘貼好的石棉橡膠板經(jīng)推進(jìn)過(guò)程中千斤頂壓縮后,會(huì)成為一平整楔形環(huán)面,這樣就可以通過(guò)調(diào)整管片的姿態(tài)來(lái)達(dá)到糾偏的目的。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)管片拼裝后姿態(tài)變化的監(jiān)測(cè)與分析、歸納,探討了管片上浮的原因,并從注漿漿液與注漿方法的選擇、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制及參數(shù)的選擇、考慮上覆土與土層擾動(dòng)、管片姿態(tài)的控制等方面給出了控制盾構(gòu)管片上浮的措施,為今后類似工程施工提供借鑒。在實(shí)踐中,應(yīng)綜合考慮各種影響管片上浮的因素,及時(shí)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化和調(diào)整,最大限度地控制隧道襯砌管片在施工階段的位移和變形,使隧道軸線滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

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