張智勇

摘要： 地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的管片上浮問(wèn)題非常棘手，難以處理。本文依托長(zhǎng)沙地鐵盾構(gòu)區(qū)間管片上浮的問(wèn)題，從水文地質(zhì)情況、盾構(gòu)作業(yè)影響、管片后壓漿等方面進(jìn)行原因分析及研究，并針對(duì)性地提出了控制管片上浮的處理措施及施工對(duì)策。

Abstract： The problem of the pipe float-up during subway shield construction is very tricky and difficult to handle. Based on this problem of Changsha Metro， the reasons are analyzed and studied from the aspects of hydrogeology， the influence of shield operation and grouting after the segment of the shield， and some treatment and construction measures are put forward.

關(guān)鍵詞： 地鐵；盾構(gòu)施工；管片上??；原因研究；控制措施

Key words： metro；shield construction；pipe float-up；cause study；control measures

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）06-0143-03

0 引言

地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程中，管片上浮問(wèn)題比較突出，部分項(xiàng)目甚至嚴(yán)重到需設(shè)置調(diào)坡以適合線路設(shè)計(jì)，造成了較大的工期及經(jīng)濟(jì)損失。為了確保地鐵隧洞線型滿足設(shè)計(jì)及保證工程質(zhì)量，需將管片上浮位移量控制在規(guī)定的合理范圍內(nèi)。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)管片的上浮主要是因?yàn)楣芷垢∧芰Σ蛔闼?，管片上浮?wèn)題受到多種復(fù)雜因素的影響，包括水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、掘進(jìn)工法及工藝措施、管片構(gòu)造、管片后壓漿等。長(zhǎng)沙市軌道交通5號(hào)線一期工程土建一標(biāo)華雅站-萬(wàn)家麗廣場(chǎng)站區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，管片最大上浮值達(dá)到93mm。本文依托此項(xiàng)目的工程實(shí)例，從盾構(gòu)工法特征、盾構(gòu)作業(yè)姿態(tài)及管片后壓漿等多方面著手，對(duì)管片上浮問(wèn)題產(chǎn)生的原因進(jìn)行了系統(tǒng)的分析及研究，并采取針對(duì)性施工對(duì)策及措施，很好地控制了管片的上浮。

1 工程簡(jiǎn)介

長(zhǎng)沙市軌道交通5號(hào)線一期工程土建一標(biāo)華雅站-萬(wàn)家麗廣場(chǎng)站盾構(gòu)區(qū)間所在地屬瀏陽(yáng)河形成的階地，由河流相二元結(jié)構(gòu)組成，為典型的河流沖蝕、堆積地貌。地層以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主，深度40m范圍內(nèi)主要賦存兩層地下水：松散巖層孔隙水類型和紅層孔隙裂隙水，地下水主要接受大氣降水、地下管線滲漏補(bǔ)給，亦和周邊地表水體呈互補(bǔ)關(guān)系。枯水期時(shí)，地下水由兩側(cè)向?yàn)g陽(yáng)河或洼塘徑流，以側(cè)向滲流運(yùn)動(dòng)方式向河流排泄。瀏陽(yáng)河沿線階地中的孔隙水多因河流水位的升漲而呈現(xiàn)出由承壓水到潛水間的性質(zhì)變化。

根據(jù)勘察報(bào)告，區(qū)段沿線地層分述如下：①第四系全新統(tǒng)（Q4）：主要為人工填土層（Q4ml），第四系人工填土場(chǎng)地分布廣泛；②第四系上更新統(tǒng)（Q3）：主要為河流相沖積層（Q3al），巖性主要為粉質(zhì)粘土、粉土、及砂礫石層等；③第四系殘積層（Qel）：基巖風(fēng)化殘積而成，巖性為殘積粉質(zhì)粘土，覆蓋于基巖之上，不連續(xù)分布于場(chǎng)地；④白堊系（K）：主要為泥質(zhì)粉砂巖，分布于全路段。本區(qū)間底板埋深18～20m，隧道主要穿越強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖性為軟巖，強(qiáng)度不高。

盾構(gòu)區(qū)間圓形隧道外徑為6000mm，內(nèi)徑5400mm，管片厚度300mm，管片寬度1500mm，分塊數(shù)為6塊，分別為3塊標(biāo)準(zhǔn)塊，兩塊2塊鄰接塊（中心角64.5°）和1塊封頂塊（中心角15°），襯砌環(huán)寬為1500mm。環(huán)間采用錯(cuò)縫拼裝。管片混凝土等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)P12。

在隧洞盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，由專人對(duì)管片中心高程及偏位進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，通常量測(cè)頻率為1次/d，對(duì)于管片上浮嚴(yán)重的區(qū)段，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，量測(cè)頻率加大至2次/d及以上。監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，本區(qū)段右線第58～65環(huán)段的管片上浮值較大，其量測(cè)值統(tǒng)計(jì)于表1、圖2所示。

從圖2的上浮值曲線圖可看出，此段58～65環(huán)段管片拼裝完成后1d內(nèi)（24h）上浮的速率為最大，最大上浮值達(dá)45mm；從拼裝完成后1d至2d（48h）時(shí)間段內(nèi)，上浮速率明顯減緩，管片2d時(shí)最大累積上浮值為64mm；管片拼裝2d后，上浮率逐漸降低，至7d時(shí)已趨于穩(wěn)定，其中64號(hào)環(huán)7d時(shí)的上浮值93mm為最大。

從表1看出，58～65環(huán)段管片上浮值較大，不加以控制的話，易導(dǎo)致管片錯(cuò)臺(tái)、開裂、破損及隧道軸線偏位等問(wèn)題，從而影響隧洞成型質(zhì)量。

2 管片上浮分原因析

2.1 管片與圍巖間存在空隙 管片安裝后的外緣直徑與盾構(gòu)機(jī)切削圍巖形成隧洞的直徑間無(wú)疑存在差異，使得管片脫出盾尾后，管片外緣與隧洞圍巖不完全密貼，而是存在環(huán)向空隙。如不能及時(shí)將空隙填充，給了管片上浮的空間。

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)超挖影響 盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)切削盤的軸線與設(shè)計(jì)的隧洞中心線存在一定偏差，故掘進(jìn)時(shí)需不斷對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整及糾正，故盾構(gòu)機(jī)切削盤以“蛇形”的折線向前推進(jìn)。且此段掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)處于強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的不同地層交界處，盾構(gòu)機(jī)前行時(shí)更易出現(xiàn)“抬頭”及“栽頭”現(xiàn)象，無(wú)疑增加了管片的上浮空間。

2.3 工程地質(zhì)及線路坡度的影響 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘經(jīng)軟弱圍巖時(shí)，因圍巖軟弱，塑性變形大，拱頂圍巖自穩(wěn)能力差，管片脫出盾尾時(shí)，隧洞頂圍巖在產(chǎn)生沉降變形，減少或消除了拱頂圍巖與管片之間的空隙，此時(shí)有利于控制管片的上浮。但本段隧洞穿越白堊系（K），主要為泥質(zhì)粉砂巖，其自穩(wěn)能力較強(qiáng)，圍巖與管片間的空隙得不到減少或消除，在不及時(shí)加以約束的情況下，管片可在間隙內(nèi)無(wú)約束上浮。本段圍巖裂縫較多，施工期間為長(zhǎng)沙當(dāng)?shù)氐挠昙?，地下水位較高（隧洞位于地下水位以下），在透水地層中盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，管片浸泡于水或是漿液中，巨大浮力使得管片上浮。endprint

2.4 漿液影響 切削形成的隧洞與管片間存在空隙，通常采取及時(shí)壓注硬性單液水泥砂漿進(jìn)行填筑，以避免管片產(chǎn)生上浮等位移。砂漿填充的密實(shí)情況及能否盡早提供強(qiáng)度是控制管片位移的關(guān)鍵。如管片脫出盾尾后砂漿尚為未凝固的液體狀態(tài)，漿液作用于管片的浮力超過(guò)其自重及其它抗浮力之和時(shí)，使得管片產(chǎn)生上浮。

以本區(qū)間隧道外徑6m，內(nèi)徑5.4m、寬1.5m的管片為例進(jìn)行抗浮計(jì)算：①管片自重：G=γ×Vc=25×8.05=201.3kN；②砂漿浮力：F=ρ×g×V=1.825×9.8×42.3=758.14kN。

可見：砂漿浮力=758.14kN>管片自重=201.3kN。雖然管片在脫出盾尾后抗浮力還有聯(lián)結(jié)相鄰管片螺栓的約束力和推進(jìn)油缸撐靴提供的豎向摩擦力（工程實(shí)踐表明兩種抗浮力不會(huì)超過(guò)400t），僅就一個(gè)環(huán)節(jié)管片進(jìn)行計(jì)算的話，管片抗浮力是大于砂漿浮力的，但由于螺栓連接的彈性變形及存在安裝間隙，長(zhǎng)段管環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出很大柔性，當(dāng)長(zhǎng)段管環(huán)整體懸浮于漿液里時(shí)，中間部分的管環(huán)的抗浮能力急劇降低，難以完全抑止管片上浮。

3 管片上浮的控制措施

以上對(duì)引起管片上浮的各種因素進(jìn)行了分析及研究后，在58～65環(huán)段及后續(xù)施工中采取了針對(duì)性的施工處理措施，以確保把管片上浮控制在合理的范圍內(nèi)。

3.1 二次注漿與同步注漿 在工程地質(zhì)層面處理管片上浮問(wèn)題，實(shí)際為注漿穩(wěn)固管片與管片上浮在時(shí)間上的賽跑。但基于盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)，同步注漿的漿液僅能采用慢凝的性能指標(biāo)決定了其不能是上浮速率最大期間（管處拼裝完成后1d內(nèi)）提供強(qiáng)度而及時(shí)有效抑止上浮。

本項(xiàng)目采取二次注入雙液速凝漿液的方法以控制管片上浮。注入的雙液速凝漿液在填充性能、初凝時(shí)間、早期強(qiáng)度及防流失等方面的性能指標(biāo)需達(dá)到一定要求，才能盡早使管片與圍巖固結(jié)成結(jié)構(gòu)整體。

本項(xiàng)目根據(jù)工程地質(zhì)特性、水文地質(zhì)情況及施工作業(yè)條件，配置了不同性能指標(biāo)的硬性雙液速凝漿液，初凝時(shí)間6～10h。施工作業(yè)表明，初凝時(shí)間為6h的漿液雖最快提供強(qiáng)度，其抑止管片上浮的效果最佳，但進(jìn)行漿液的運(yùn)送及泵送時(shí)，極易將注漿管路填塞，進(jìn)而影響了施工進(jìn)度，拖延了處理過(guò)程。初凝時(shí)間為8h的漿液能達(dá)到最佳的處理效果。

3.2 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制 如果盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制不好，勢(shì)必需進(jìn)行頻繁糾偏，無(wú)疑造成隧洞為“蛇形”，也就使得管片存在更大上浮的空間，故在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)需進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的精細(xì)控制，使盾構(gòu)機(jī)以盡可能小的偏移量進(jìn)行蛇形運(yùn)動(dòng)。出現(xiàn)偏差時(shí)不能實(shí)施急劇糾偏，造成管片與隧洞間出現(xiàn)較大空隙，應(yīng)是采取微調(diào)逐步糾正。本項(xiàng)目制訂了盾構(gòu)機(jī)的操作規(guī)程要求糾偏量不得超過(guò)每環(huán)3mm。

3.3 掘進(jìn)速度控制 因本項(xiàng)目的強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的圍巖較軟，正常情況下盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度很快，同步及二次注漿施工工序的作業(yè)時(shí)間短而忙亂，導(dǎo)致管片與隧洞間空隙填充質(zhì)量差，漿液不能及時(shí)提供仰止管片上浮所需的強(qiáng)度。故掘進(jìn)速度需與注漿速度相適宜，本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，采取的推進(jìn)速度不超過(guò)5cm/min，以確保管片在脫出盾尾后不會(huì)因注漿作業(yè)滯后問(wèn)題而產(chǎn)生不穩(wěn)定的位移。

3.4 合理控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)高程 在本區(qū)間掘進(jìn)時(shí)，監(jiān)測(cè)一旦發(fā)現(xiàn)管片上浮較嚴(yán)重時(shí)，將盾構(gòu)機(jī)切削盤軸線高程降至隧洞設(shè)計(jì)高程以下5cm處，實(shí)踐證明，很好地抵消了的管片上浮，更好地使隧洞軸線與設(shè)計(jì)軸線相重合。

4 效果檢測(cè)

隨后監(jiān)測(cè)表明，經(jīng)采取管片后注雙液漿、盾構(gòu)姿態(tài)控制、掘進(jìn)速度調(diào)整等措施，很好地控制管片的上浮。管片上浮量基本控制在5～13mm間，證明所采取的上浮控制措施是科學(xué)有效的。

5 結(jié)束語(yǔ)

①管片上浮主要發(fā)生于安裝后的48h內(nèi)，上浮量通常超過(guò)總量的70%以上，故控制管片上浮的措施需盡早實(shí)施，以達(dá)到最佳的控制效果。

②影響管片上浮的因素多，作用較為復(fù)雜，在施工時(shí)要根據(jù)復(fù)雜多變的地質(zhì)情況及外部影響因素，結(jié)合監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，對(duì)各種施工信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析及研究，通過(guò)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的綜合考慮，對(duì)漿液的配合比進(jìn)行適時(shí)調(diào)整及動(dòng)態(tài)管理，以達(dá)到最佳的控制上浮效果。

③施工時(shí)，還要持續(xù)收集盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)的各種參數(shù)及對(duì)應(yīng)的管片上浮量，進(jìn)行總結(jié)及分析，探索出不同地質(zhì)條件下的適宜掘進(jìn)參數(shù)，最大程度地控制管片的上浮，以達(dá)到規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

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