淺析盾構(gòu)掘進中隧道管片上浮的原因及控制李偉

1、淺析盾構(gòu)掘進中隧道管片上浮的原因及控制李 偉( 中鐵十一局集團城軌公司 )摘要：盾構(gòu)掘進過程中的隧道管片位移控制是確保隧道線型符合設(shè)計要求和確保隧道建筑限界的關(guān)鍵，本文結(jié)合廣州市軌道交通六號線某區(qū)間管片上浮的工程實例，從地質(zhì)條件、襯背注漿、盾構(gòu)姿態(tài)入手三個方面對盾構(gòu)掘進過程中管片上浮的原因進行了分析研究，并提出了控制措施。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道管片位移分析控制1 前言盾構(gòu)隧道管片位移控制是確保隧道線型符合設(shè)計要求、滿足隧道建筑限界的關(guān)鍵,在盾構(gòu)掘進過程中，隧道管片位移多數(shù)情況下表現(xiàn)為管片上浮，主要受到工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、襯背注漿質(zhì)量、盾構(gòu)姿態(tài)控制等方面的影響。從管片上浮發(fā)生的工程事例來看，在富含水的

2、硬巖地段的盾構(gòu)隧道中,均有此現(xiàn)象發(fā)生，只是位移值的大小不同。位移嚴(yán)重者不得不通過調(diào)整線路來解決問題。GB50299-1999地下鐵道工程施工驗收規(guī)范規(guī)定：管片拼裝后，隧道軸線的高程和水平位移不得超過±50 mm。廣州市軌道交通三號線盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為5400mm，比BG50157 - 92 地下鐵道設(shè)計規(guī)范規(guī)定的圓形隧道限界(5 200mm) 放大了200mm。也就是說，從最不利的情況看，隧道軸線的高程和水平位移可放寬至±100 mm。隧道管片發(fā)生的位移主要分為：施工階段位移和地鐵運營后的后期位移。后期影響管片位移的主要因素是：由于隧道附近的其他工程施工采取大量降水措施造成土體

3、固結(jié)位移;深基坑施工造成土體位移；隧道本身大量滲水造成水土流失、土體固結(jié)沉降等。本文結(jié)合廣州市軌道交通六號線某區(qū)間管片上浮的工程實例，從地質(zhì)條件、管片注漿、盾構(gòu)姿態(tài)三個方面,重點對盾構(gòu)掘進過程中管片產(chǎn)生位移(主要是上浮) 的現(xiàn)象以及實施的措施及效果進行分析研究。2 管片上浮情況統(tǒng)計盾構(gòu)掘進過程中,對管片姿態(tài)的監(jiān)測頻率為每日一次。2008年8月26日，某區(qū)間右線盾構(gòu)掘進完成第530 環(huán)后,發(fā)現(xiàn)已安裝的管片在近日內(nèi)向上垂直位移嚴(yán)重,其統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1 。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，某區(qū)間右線盾構(gòu)隧道514526環(huán)管片發(fā)生垂直向上位移，在8月2526日一天的時間內(nèi)，最大上浮量為101 mm,管片軸線高程位移量

4、為132 mm，嚴(yán)重超限。表1 管片位移值及上浮值統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 1 Statistics of segment displacements and upward moving環(huán)號5145155165175185195205215225235245255268月25日位移值/ mm919083828277746257513628348月26日位移值/ mm100110110112118119125130130132130129128上浮值/ mm92017303642516873819410194通過測量,發(fā)現(xiàn)管片上浮后立即停止盾構(gòu)掘進,次日再次對已上浮的管片進行姿態(tài)監(jiān)測,由于未掘進,管片

5、上浮值無變化。3 管片上浮的因素分析3. 1 管片上浮的外部條件(1) 襯背環(huán)形建筑空間盾構(gòu)機的切削刀盤直徑D與隧道襯砌管片的外徑d有一定的差值，即D = D-d 。由于盾構(gòu)掘進過程中的蛇形運動，會產(chǎn)生超挖和理論間隙，管片與地層間存在一環(huán)形建筑空間。在軟巖地層中，當(dāng)管片脫出盾尾后，如果不及時進行同步注漿填充環(huán)形建筑空間，拱頂圍巖便有可能產(chǎn)生變形引起地表過量沉降，但這種變形消除了隧道管片與圍巖間的建筑空間，有利于即時約束管片上浮的趨勢。但在硬巖地層中，管片脫出盾尾后，由于其巖層的穩(wěn)定性，環(huán)形建筑空間在相對長的時間內(nèi)是穩(wěn)定的，如不及時充填此空間，脫出盾尾的管片便處于無約束的狀態(tài)，給管片的位移提供了

6、可能的條件。(2) 過量超挖無論是礦山法還是盾構(gòu)法隧道施工，都必須隨著隧道的掘進準(zhǔn)確地掌握工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件的變化，通過對地質(zhì)信息的反饋及時修正施工方法。盾構(gòu)法隧道地質(zhì)的變化更需要準(zhǔn)確地判斷，其目的是：決定刀具的適應(yīng)性；控制和調(diào)整盾構(gòu)機的掘進參數(shù)；控制盾構(gòu)隧道管片的變形和位移。在均質(zhì)連續(xù)的地層中掘進，盾構(gòu)機刀盤所承受前方開挖面的掘進阻力是均勻的， (包括均勻作用在面板上的水平阻力和面板上的扭矩)，這時候盾構(gòu)機的掘進是連續(xù)均衡的，掘進參數(shù)也保持相對不變，盾構(gòu)姿態(tài)沿軸線的控制也較容易。廣州地區(qū)地質(zhì)總的特點是：巖性變化大，地層層面起伏大，且在隧道橫斷面方向也有起伏變化。實際上,在隧道內(nèi)就形成了上

7、下左右?guī)r性不一、軟硬不均的一個開挖面，這對于采用盾構(gòu)法施工的隧道來說，無論是刀具的適應(yīng)性還是掘進參數(shù)的確定和調(diào)整以及隧道管片位移的控制都是極為不利的。隧道斷面內(nèi)巖層“上軟下硬”的情況在廣州復(fù)雜地質(zhì)條件下是常見的。隧道斷面內(nèi)巖層起伏較大，同一隧道斷面內(nèi)出現(xiàn)< 7 > 、< 8 > 、< 9 > 號地層。由于斷面內(nèi)巖層軟弱不均，必然造成盾構(gòu)在掘進過程中過量的蛇形運動，擴大管片與圍巖間的建筑空間；同時，下部地層硬，刀盤受到的阻力大于上部，刀盤轉(zhuǎn)動切削土體過程中，極易造成上部相對軟弱的土層過量切削甚至坍方，也會擴大管片與圍巖間的建筑空間。這些過量蛇形和過量超挖形成的

8、空間為管片位移提供了又一可能的條件。3. 2 管片上浮的內(nèi)在原因前面分析到管片與圍巖間的建筑空間是造成管片位移的一個外部條件，而引起管片上浮還有下述幾方面內(nèi)在原因：(1) 地質(zhì)情況廣州地區(qū)地下水賦存有兩種情況：一是第四系孔隙水，主要賦存于中粗砂層中，由大氣降水和珠江水系補給；二是基巖裂隙水，主要賦存于強風(fēng)化、中風(fēng)化泥巖之中，裂隙發(fā)育，滲透系數(shù)大( K = 35 m/ d)，屬中強透水層。顯然，在透水地層中盾構(gòu)掘進形成的環(huán)形建筑空間在充滿水(或漿液) 初凝時間很長的情況下,管片有上浮的趨勢。假定隧道管片全部浸泡在盾構(gòu)掘進形成的“圓形坑道”之中，管片四周充滿了水(或未凝固的漿液)、那么管片受到的浮

9、力是多少呢？以廣州市軌道交通六號線管片設(shè)計參數(shù)計算為例,管片外徑D =6000mm，厚300mm，寬1500mm，則：一環(huán)管片自重G = 192 kN (按每環(huán)管片混凝土體積為8 m3計算) ，一環(huán)管片所受浮力F = 424 KN (每環(huán)管片排開水的體積為42. 4 m3) 。F > G，即管片所受到的浮力大于管片本身的自重。可見，隧道管片在全斷面地下水(或未凝固的漿液) 的工況條件下，隧道管片本身就有上浮的趨勢。(2) 襯背注漿工藝及漿液質(zhì)量襯背注漿的目的基于三個方面的考慮：一是防止地層變形(主要是淺埋軟弱土層中的地表沉降)；二是確保管片的穩(wěn)定(管片位移) 和受力均勻；三是提高隧道的抗

10、滲性。要達到這三個方面的要求,襯背注漿漿液的性能要求應(yīng)滿足： 必須具有充填性；應(yīng)具有一定的和易性且離析少；應(yīng)及早凝固(理論上講越快越好,但初凝時間太短容易造成注漿管堵塞)，且應(yīng)有一定的早期強度，以抵抗圍巖變形對管片產(chǎn)生的不均勻壓力。同時,漿液硬化后的體積收縮率要小，以便更好地固定管片；應(yīng)有合適的稠度，以便不被地下水稀釋。從襯背注漿的目的和對漿液的性能要求上分析，及時填充固結(jié)管片背后環(huán)形建筑空間是解決管片位移的關(guān)鍵。某區(qū)間在含水硬巖地層的盾構(gòu)掘進中,采用水泥砂漿通過盾尾安裝的四條注漿管路進行同步注漿,填充襯背環(huán)形建筑空間,其漿液配合比見表2。表2 某區(qū)間在含水地層中采用的單液硬性漿液配合比Tab

11、le 2 Mixing ratio of a grout adopted ona section of water - contained ground材料水泥砂粉煤灰膨潤土水用量/ kg8060044040500注:表中數(shù)據(jù)為每m3水泥砂漿的材料用量,初凝時間> 4 h.由于本段地層屬于強風(fēng)化、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、基巖裂隙水極為發(fā)育，滲透系數(shù)大( K = 35 m/ d) 。盾構(gòu)掘進時，排出的碴土呈流塑狀并時常發(fā)生噴涌。這個現(xiàn)象充分說明，此段地層是高富水地層。從盾構(gòu)機掘進到管片脫出盾尾后的工況分析來看，隧道管片在一定長度范圍內(nèi)就象兩端固定的彈簧梁，一端受到盾尾的約束不能上浮，另一端受到已

12、凝固水泥砂漿固體的約束也不能上浮。這時，如果管片脫出盾尾后(一般情況23 環(huán)) ,同步注漿的漿液不能達到初凝和一定的早期強度，隧道管片仍然可視為浸泡在液體之中，在浮力的作用下必然會產(chǎn)生上浮現(xiàn)象。在上述漿液配合比的情況下,其初凝時間大于24小時，顯然是初凝時間太長，不足以在管片脫出盾尾后23 環(huán)的時間內(nèi)將管片固結(jié)來阻止其上浮。同時，在這樣的富水硬巖地層中，漿液極可能被匯積于管片四周的水稀釋，成漿液離析、沉淀甚至不凝固，從而進一步惡化管片穩(wěn)定的環(huán)境。從注漿工藝方面分析，一是注漿量不足：從盾構(gòu)隧道施工的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，實際注漿量應(yīng)達到理論建筑空間的空隙量的150%200%(這一要求已寫進日本土木學(xué)會隧

13、道標(biāo)準(zhǔn)(盾構(gòu)篇) 及解說中) 。該區(qū)間盾構(gòu)開挖斷面積扣除管片外徑面積后，每一環(huán)(環(huán)寬1. 5m) 的理論空隙量為4.05 m3 。通過現(xiàn)場統(tǒng)計，實際注漿中每環(huán)拌制的漿液為5. 00m3 ，加之運輸和管道輸送、壓注過程中的損失，進入襯背環(huán)形建筑空間的漿液量遠遠小于所要求的漿液量(6.00m38.00 m3)，管片與圍巖間的建筑空間沒有被漿液完全充填密實,尤其是隧道拱頂部分，這也給管片提供了上浮的空間。二是注漿壓力不足：從理論上分析，盾尾注漿孔口的注漿壓力應(yīng)大于隧道深埋處的水土壓力，一般情況下實際注漿壓力應(yīng)大于計算的理論注漿壓力(0.2kg/ cm2)，但現(xiàn)場對注漿壓力的管理和控制隨意性較大，不能

14、實現(xiàn)同步注漿過程，即漿液擠排水和充填空隙的同步過程。(3) 盾構(gòu)機姿態(tài)盾構(gòu)機在掘進過程中的運動軌跡實際上是一條蛇形運動軌跡，始終圍繞著隧道軸線作蛇形運動，要通過不斷調(diào)整各分區(qū)油缸千斤頂?shù)耐屏碜尪軜?gòu)機運動中不斷逐漸靠近隧道設(shè)計軸線。圖1是盾構(gòu)機推進千斤頂?shù)姆謪^(qū)示意圖。圖1 盾構(gòu)機推進千斤頂分區(qū)示意Fig. 1 Distribution of pushing jacks on a shield前面已經(jīng)介紹過，本段地層巖面起伏大,隧道斷面內(nèi)“上軟下硬”現(xiàn)象普遍存在。在盾構(gòu)掘進中，由于下部地層硬,需對千斤頂?shù)耐屏M行分區(qū)操作,適當(dāng)加大下部C 區(qū)千斤頂?shù)耐屏?，以克服下部硬地層的阻力。在盾?gòu)偏離隧道軸線

15、后應(yīng)進行糾偏，當(dāng)盾構(gòu)機偏離隧道中心線以下時，為糾正其運動軌跡不斷靠近理論軸線, 亦要加大下部C 區(qū)千斤頂?shù)耐屏?。在隧道軸線由下坡改變?yōu)樯掀禄蛴杉毕缕赂淖優(yōu)榫徬缕聲r，亦需要加大下部C 區(qū)千斤頂?shù)耐屏?，循序漸進地改變盾構(gòu)機的運動軌跡，以滿足設(shè)計線路的需要。某區(qū)間右線盾構(gòu)隧道388402 環(huán)管片上浮段線路縱坡為26.5，變坡為15.0 ，處于曲線上,理應(yīng)通過加大下部C 區(qū)油缸千斤頂?shù)耐屏碚{(diào)整盾構(gòu)機的姿態(tài)。加之此段地層在隧道斷面內(nèi)為“上軟下硬”，也理應(yīng)加大下部C 區(qū)油缸千斤頂?shù)耐屏Α２榇硕尉蜻M記錄，上下區(qū)( A 區(qū)、C 區(qū)) 油缸千斤頂最大油壓差為30MPa，換算推力差為70 t，這樣，管片底部受到

16、大于上部70 t的作用力，管片環(huán)面上受力不均，也加劇了管片上浮的趨勢。4 管片上浮后的處理管片上浮后要想調(diào)整下來是極為困難的。一般可嘗試在隧道底部打開注漿孔泄壓,釋放管片底部的有壓水和未凝固的水泥砂漿，但此方法效果并不理想。一旦發(fā)現(xiàn)管片上浮，必須立即停止盾構(gòu)掘進，對已上浮的管片通過注漿孔進行二次注漿。注漿材料以瞬凝雙液漿為最好，注漿壓注順序應(yīng)順著隧道坡度方向，從隧道拱頂至兩腰，最后壓注拱底。終止注漿以打開拱底注漿孔無滲水為條件，以防止盾構(gòu)恢復(fù)掘進后管片繼續(xù)上浮。對于上浮段長、上浮量大、超限嚴(yán)重的隧道，必須進行調(diào)坡調(diào)線來滿足隧道限界的要求。5 控制管片上浮的措施(1) 選擇適當(dāng)?shù)淖{方法按照隧道

17、管片在含水地層中如同兩端固定的彈簧梁的假定，只要管片浸泡在盾構(gòu)機掘進形成的“圓形坑道”內(nèi)的“液體”之中，管片就永遠存在上浮的趨勢。要消除管片上浮這一趨勢，就必須使管片脫出盾尾后，不再受到盾尾約束的同時受到其它介質(zhì)的約束。一般情況下,由于管片與管片間的縱環(huán)縫由20根M24彎螺栓剛性連結(jié),在23 環(huán)的長度內(nèi)，管片仍會受到盾尾的約束，此時僅有上浮的趨勢但不會自由上浮。在這一時間段內(nèi)應(yīng)及時向環(huán)形建筑空間注入初凝時間極短的漿液，以固定管片。目前，從同步注漿的漿液特點來分，國內(nèi)主要采用三種漿液,其類型和特點見表3。在硬巖含水地層中，就解決管片上浮問題來看，同步注漿實質(zhì)上是注漿穩(wěn)定管片與管片上浮在時間上的競

18、賽。那么，在漿液性能上的選擇唯有雙液瞬凝性漿液(一般稱為水泥水玻璃雙液漿) 和同步注漿工藝能徹底解決管片上浮的問題。 據(jù)統(tǒng)計資料，日本國內(nèi)采用瞬凝性漿液比例占各種漿液總和的40. 5 % ,而采用水泥砂漿的比例僅為各種漿液總數(shù)的18. 8%。瞬凝性漿液將是盾構(gòu)隧道襯背注漿的主流，而水泥砂漿的采用將會逐步減少。日本青木公司承擔(dān)的廣州地鐵一號線黃沙烈士陵園區(qū)間盾構(gòu)掘進,采用雙液瞬凝漿液，初凝時間最短為s6s，全段隧道管片出現(xiàn)上浮的情況極少，最大值也只有9 mm。二號線某區(qū)間襯背注漿通過管片注漿孔注入雙液漿，也未發(fā)現(xiàn)有管片上浮現(xiàn)象。由于雙液漿在同步注漿過程中有易堵管的缺點，大多數(shù)施工單位不太接受此工

19、藝，為避免盾尾注漿管路時常堵塞的現(xiàn)象，也可選擇對管片注漿孔進行即時注表3 常用漿液的特性比較Table 3 Comparison of the characteristics of adopted grouting liquids漿液名稱(材料)漿液性能 單液惰性漿液(砂、粉煤灰、膨潤土)單液硬性漿液(水泥、砂、粉煤灰)雙液瞬凝性漿液(水泥、水玻璃、砂、粉煤灰)初凝時間無可根據(jù)需要調(diào)整數(shù)秒內(nèi)可初凝早期強度無可根據(jù)需要調(diào)整很快限制性易流失不易流失不流失充填性好較好較好和易性好控制一般一般堵管問題基本不堵管時有發(fā)生易堵管漿，即管片脫出盾尾后采用人工對A 1 、A 2 、A 3 、B 、C五塊管片進

20、行即時注漿。漿液可選擇雙液漿也可選擇稠度較大、初凝時間短、早期強度高的單液硬性漿液。(2) 選擇適當(dāng)?shù)淖{系統(tǒng)在盾構(gòu)機選型時，選擇具有注入雙液漿功能的注漿系統(tǒng)，通過設(shè)備的先進性來解決管片上浮問題。(3) 選擇適當(dāng)?shù)臐{液性能在硬巖含水地層中為防止管片上浮，無論是采用單液硬性漿液還是雙液漿液，襯背注漿都是一場與管片位移在時間上的競賽。所以，在漿液性能的選擇上應(yīng)保證漿液的充填性、初凝時間與早期強度以及限定范圍防止流失(漿液的稠度) 的有機結(jié)合，才能使隧道管片與圍巖共同作用形成一體化的構(gòu)筑物。某區(qū)間管片上浮后重新調(diào)整的漿液配合比見表4 。采用調(diào)整后的漿液，管片上浮趨勢得到了扼制。許多施工實踐證明,盾構(gòu)

21、隧道襯背注漿的漿液配比應(yīng)進行動態(tài)管理，依據(jù)不同地質(zhì)、水文、隧道埋深等情況的變化而不斷調(diào)整漿液性能,以控制地表的沉降和保證管片的穩(wěn)定。表4 改進后的單液硬性漿液配合比Table 4 Mixing ratio of an improved grout材料水泥砂粉煤灰膨潤土水早強減水劑用量/ kg160780350403908.5注:表中數(shù)據(jù)為每m3 水泥砂漿的材料用量,初凝時間> 6 h.采用調(diào)整后的漿液，管片上浮趨勢得到了扼制。許多施工實踐證明，盾構(gòu)隧道襯背注漿的漿液配比應(yīng)進行動態(tài)管理，依據(jù)不同地質(zhì)、水文、隧道埋深等情況的變化而不斷調(diào)整漿液性能,以控制地表的沉降和保證管片的穩(wěn)定。(4) 控制盾構(gòu)機姿態(tài)盾構(gòu)機過量的蛇形運動必然造成頻繁的糾偏，糾偏的過程就是管片環(huán)面受力不均的過程。所以要求在掘進過程中必須要控制好盾構(gòu)機的姿態(tài),盡可能地使其沿隧道軸線作小量的蛇形運動。按規(guī)范要求，盾構(gòu)掘進中軸線的平面位置和高程其允許偏差為±50 mm。發(fā)現(xiàn)偏差時應(yīng)逐步糾正，不得過急過猛地糾正偏差，以免人為造成管片環(huán)面受力嚴(yán)重不均。實踐證明,分區(qū)油缸千斤頂?shù)?/p>