富水地层盾构快速掘进管片上浮控制

富水地层盾构快速掘进管片上浮控制

高钰博

中铁隧道股份有限公司      河南郑州     450000

摘 要：盾构掘进富水地层管片上浮事故时常发生，严重影响盾构隧道质量和安全。通过以某地铁工程盾构隧道在富水地层中掘进管片上浮控制，分析了富水地层盾构隧道管片上浮影响因素和成因机制，提出了管片上浮的预控措施，采用仿真软件对本工程管片上浮进行模拟，在此基础上对管片上浮预控措施。通过实际试掘进控制效果，对预控措施通过该工程案例，为盾构掘进富水地层管片上浮的控制措施制定提供借鉴与参考。

关键词：盾构隧道； 富水地层； 管片上浮

随着我国经济的快速发展，城市轨道交通项目建设也逐渐兴起，其中盾构施工法因其对周边环境影响小、适应范围广以及施工快速等优点在地铁隧道建设中得到了广泛应用。近年来，城市地铁建设密度不断增加，大量建筑物地下室以及基础工程等地下部分也越来越复杂，尤其对于建筑密度很高的一线城市，无法避免地出现隧道下穿既有重要建筑物。在隧道施工过程中，盾构掘进必然会对周边地层进行扰动，破坏地层原始的力学平衡，从而造成地层竖向沉降以及既有结构变形与内力变化，施工过程中需要进行严格监测和控制。富水地层选用盾构技术进行掘进，因开挖区域处于水位线以下，临近桩－土受应力场与渗流场耦合作用，表现出地层损失、桩体变形及桩端承载力折减等负面影响，对管片、地表土层及桩基安全产生较大影响。以盾构穿越区域的某建筑物桩基为研究对象，对盾构侧穿下的桩基变形和内力影响展开分析，并提出隔离桩保护措施，研究表明有隔离桩保护的建筑桩基，其最大总位移和剪力均有较大程度减弱，验证隔离桩的合理性。盾构管片上浮会导致管片错台、破损，降低隧道的整体结构强度、防水性能及使用寿命。在建立管片受力模型的基础上，通过分析管片的受力状态建立了管片上浮的理论计算模型。

一、管片上浮计算模型

管片受力管片在脱出盾尾后会处在同步注浆浆液中，而所受的不平衡力将导致管片产生一定的上浮浆液浮力。在无水地层的情况下，只需要考虑注浆浆液包裹管片时对管片产生的上浮力; 在有地下水的地层施工时，需要考虑地下水和注浆浆液共同作用对管片产生的上浮力。要注意的是，对于高渗透性无水地层情况，还需要考虑由浆液向地层渗透所引起的浆液上浮力损失。在不考虑浆液渗透的情况下，管片浮力可计算。施工期管片上浮经历加速上浮、平缓、稳定三个阶段，管片主要在加速上浮阶段发生显著上浮。过半无限长梁理论分析了盾构隧道管片的纵向上浮，随着管片脱出盾尾距离增大，上浮量减小。根据现场实测发现：管片在脱出盾尾20h内上浮速度较快，之后上浮速度减慢，在管片拼装44h后基本趋于稳定。某盾构隧道，分析盾构隧道管片上浮主要影响因素并进行管片上浮现场实测，隧道管片上浮特征，总结管片上浮变形控制措施，为控制盾构隧道管片上浮、减少施工期管片破损、提高盾构隧道建设质量奠定基础。

二、盾构隧道管片上浮机理及影响因素

盾构隧道施工期管片上浮影响因素涉及地质条件、隧道线形和结构设计、盾构隧道施工工法和盾构隧道施工过程控制等方面，盾构隧道施工期管片上浮各主要影响因素进行分析。

1、水文地质条件。水文地质条件是盾构隧道设计和施工的基础，隧道周边地质应力、含水量、软硬程度等均在一定程度上影响上浮。通常隧道管片在淤泥质等软土地层中上浮量较大，硬质地层中管片上浮量相对较小。此外，隧道穿越地层地质条件的变化程度也影响隧道管片的上浮量，当隧道穿越各断面较均匀、地质变化幅度较小时，管片上浮量较小；而当隧道穿越地层地质变化幅度较大时，管片上浮量较大。针对水文、地质条件引起的盾构隧道管片上浮问题，道上覆土厚度设计是盾构隧道上浮控制的基础。

2、隧道线形和结构设计盾构隧道线形受施工场地周边既有建筑物以及线路指标的影响，而隧道线形将进一步影响盾构隧道掘进过程中管片受力，如盾构隧道沿曲线段掘进施工时，由于不同位置千斤顶的推力存在差异，结构除受纵向压力作用外，还受到弯矩的作用，导致盾构发生翘曲，曲线段盾构隧道的不均匀受力导致盾构上浮现象加剧。盾构管片结构涉及结构选型、管片排版。盾构隧道管片结构包括平面接头和凹凸榫接头，管片凹凸榫接头的设计可增加盾构隧道管片。

三、盾构隧道施工期管片上浮控制

盾构隧道施工期管片上浮需从地质、隧道支护结构、隧道掘进参数等多个方面综合进行控制，由此保证盾构隧道施工期上浮量在合理范围内。

1、管片异常上浮情况。 该工程盾构施工过程中，管片未脱出盾尾时的坐标由导向系统中盾尾坐标和盾尾间隙直接算出，脱出盾尾后的管片，盾构每掘120～160m(75～100环) 对管片的坐标进行测量1次。通过对比脱出盾尾前、后管片的垂直坐标。以左线盾构掘进为例，根据实测结果，管片上浮量迅速增大至 115 mm，此时地层正由全断面砂卵石层转变为砂卵石、黏土复合层，由于采用了改善浆液质量的抗浮措施，管片上浮量有了一定的控制，其平均值在80mm左右。

2、上浮控制措施。根据建立的管片上浮模型和推导的管片上浮量计算公式，影响管片上浮量的主要因素有地层条件、管片尺寸、同步注浆压力差、浆液性质。由于地层、管片尺寸等客观条件难以改变，而本项目盾构开挖直径较大，每环需填充浆液约7.5m3，如果降低注浆管压力可能导致同步注浆不足，无法完全填充开挖空隙，导致地表过量沉降，因此注浆压力维持不变。综合考虑，决定采取改进同步注浆浆液性质的方法来控制管片上浮。根据上述的管片上浮机理，浆液的初凝时间、强度指标是决定浆液质量的重要因素。通过单轴抗压强度和黏滞性试验，测试了浆液在不同凝结时间下的性能指标。

3、管片上浮预控措施。为保证管片上浮量在规范允许的范围内，结本工程实例，同时参考类似工程经验，施工前提出了以下主要预控措施。（1）控制掘进速度。盾构推进速度过快将会导致盾构通过区域的地层不稳定，注浆浆液不能及时凝结，使管片上风险提高，推进速度一般以推进一环结束时注浆浆液正好凝固为最佳。因此，盾构在富水地层应保持匀速缓慢推进，大小应控制在30mm/min左右。（2）管片开孔放水。盾构法隧道施工过程中，对管片下部注浆口开孔放水是一种常用的被动措施，可以抑制管片拼装后因外周围水压力造成的管片上浮并且可以有效避免因地下水对同步注浆浆液稀释为管片上浮创造的机会。掘进中采取管片开孔的方式减小管片外围的水压力，提升注浆浆液在管片周围的填充效果。在仿真中浮力按照理论值的50%考虑。（3）控制同步注浆顺序和浆液性质。为防止浆液抬浮管片，注浆严格同步进行。浆液采用初凝时间短强度高的单液浆。（4）加强管片姿态测量，实时了解隧道轴线偏差情况并采取措施。每掘进测量一次成型管片，并搭接复测上一循环的管片。

盾构法具有地面影响小、进度快、机械化程度高等优点，在地铁施工中应用非常广泛。然而，隧道管片上浮特别是在富水及软土地层中非常普遍。 管片上浮不仅造成隧道“侵限”、管片开裂、错台、破损，而且对管片结构抗压强度、管片防水及耐久性等产生不利影响。 因此，深入研究盾构隧道管片上浮的原因及控制措施对确保隧道管片衬砌结构的质量与安全非常重要。

参考文献：

［1］ 戴志仁． 盾构隧道盾尾管片上浮机理与控制［J］． 中国铁道科学,2018，34（1）：59-66．

［2］黄仁东，金浩,蒙水儒.基于理想点法的盾构隧道管片上浮致伤诊［J］． 中国安全科学学报，2019，23（1）：48-60．

［3］叶飞,朱合华,丁文其,施工期盾构隧道上浮机理与控制对策分析［J］． 同济大学学报2018，36（6）：72．

［4］ 殷明伦,张阳玉,王 睿.某软土地层盾构隧道管片上浮事故分析［J］． 市政技术2018，32（5）：70-72