軟土地層盾構(gòu)機(jī)施工管片上浮原因及控制措施

盾構(gòu)法施工具有對地面影響小、機(jī)械化程度高、安全性好、勞動強(qiáng)度低、進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)，已在我國城市地鐵施工中得到廣泛應(yīng)用，但盾構(gòu)隧道管片局部或整體上浮是長期存在且較難解決的問題，本文依托北京地鐵隧道工程實(shí)例，分析管片上浮原因并提出治理措施。1、工程概況北京市軌道交通17號線某盾構(gòu)區(qū)間長4?557.248?m，線間距為12~26.5?m，最小曲線半徑600m，隧道頂部覆土厚7.4~26?m，中間設(shè)9處聯(lián)絡(luò)通道。本區(qū)間盾構(gòu)施工范圍內(nèi)主要土層為粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土–砂質(zhì)粉土，局部夾雜部分粉細(xì)砂層，地下水資源豐富，水位線基本位于隧道底板上方。本區(qū)間施工采用?6660土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，管片外徑6?400?mm，內(nèi)徑5?800?mm。總結(jié)以往施工監(jiān)測資料發(fā)現(xiàn)管片在脫出盾尾后6?h左右上浮量達(dá)到最大，最大上浮為40~60?mm，而本區(qū)間隧道局部地段最大上浮量達(dá)110?mm以上。2、管片上浮情況統(tǒng)計(jì)在本區(qū)間施工過程中，對已完成的隧道段進(jìn)行上浮量統(tǒng)計(jì)，其中左線區(qū)間隧道830~850環(huán)上浮量最大，最大上浮量達(dá)到114?mm，多環(huán)管片成型隧道姿態(tài)超出規(guī)范要求。此時區(qū)間隧道處于17.5‰上坡階段，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)管片上浮后，若不及時采取措施會對整條隧道的質(zhì)量產(chǎn)生難以補(bǔ)救的后果。發(fā)現(xiàn)管片上浮后，即對上浮段的管片進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對管片上浮情況進(jìn)行研究。3、管片上浮的危害考慮到本區(qū)間管片并非個別管片上浮而是整段隧道均有上浮現(xiàn)象，且隨隧道頂部覆土厚度減少，管片上浮趨勢變大，若不及時采取措施將會如下影響：（1）會使盾構(gòu)推進(jìn)過程中千斤頂頂力分布產(chǎn)生變化，易造成管片破損，影響隧道質(zhì)量；（2）會導(dǎo)致管片間錯臺變大，使縱向連接螺栓受到額外的剪力，可能會造成管片破損，影響隧道安全；（3）會影響環(huán)與環(huán)之間的防水膠條接觸密實(shí)，進(jìn)而引起隧道滲漏水現(xiàn)象；（4）會影響成型隧道的軸線偏差，并引起管片侵入隧道的建筑限界；（5）會破壞地層穩(wěn)定，嚴(yán)重者還可能導(dǎo)致地面或管線沉降超標(biāo)。4、管片上浮原因4.1水文地質(zhì)原因引起管片上浮本區(qū)間主要穿越地層為粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土–砂質(zhì)粉土等軟土地層，且水源較豐富，水位線位于隧道頂部以上。整個隧道浸泡在盾構(gòu)掘進(jìn)形成的通道內(nèi)，周圍充滿同步注漿的漿液，隧道被周圍液體包裹受浮力作用，若管片重力不能克服所受浮力，則管片可能上浮。經(jīng)計(jì)算，管片受到的浮力大于管片自重，約為后者的2.16倍。4.2同步注漿引起的管片上浮在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，為填充管片與周圍土體之間的縫隙，使用惰性同步注漿漿液進(jìn)行注漿，該漿液一般初凝時間在3.5?h左右，最終凝結(jié)時間為6?h左右。初凝時強(qiáng)度為0.2?MPa，28?d強(qiáng)度不小于2.5?MPa，漿液結(jié)石率大于95%。經(jīng)計(jì)算同步注漿量為3.2?m3，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)注漿量為理論注漿量的130%~150%，即同步注漿量為4.2~4.8?m3。本區(qū)間隧道同步注漿漿液的主要成分為水泥、砂、粉煤灰、膨潤土和水，初凝時間較長。在富水軟土地層中，惰性漿液初凝前易被稀釋，由于漿液具有流動性，頂部漿液會沿管片外壁集中到底部，管片上部空隙未得到有效填充，而管片受到水土和漿液的浮力作用，產(chǎn)生了上浮現(xiàn)象。盾構(gòu)施工過程中，過多注入同步注漿漿液會使管片所受漿液的浮力變大，加劇管片上浮現(xiàn)象。由于漿液凝結(jié)時間較長，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)震動和隧道內(nèi)電瓶車震動下，未凝固的漿液材料很可能被擠到隧道底部或地層其他間隙中，進(jìn)一步加劇了隧道上浮。4.3施工參數(shù)不合理引起的管片上浮4.3.1總推力過大引起的管片上浮盾構(gòu)機(jī)上坡過程中以仰頭姿勢向前推進(jìn)，其下部推力大于上部推力，此時若總推力過大會導(dǎo)致豎向分力較大而導(dǎo)致管片上浮。4.3.2盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度過快導(dǎo)致管片上浮盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度過快，與同步注漿速度不匹配，注漿不能完全填補(bǔ)隧道與土體間的空隙，管片會受浮力作用產(chǎn)生上浮。4.3.3土壓設(shè)置不合理引起上浮根據(jù)王其炎等的研究,土倉壓力越大，管片上浮量增加越快，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時為避免沉降會增大土倉壓力，致使管片上浮。5、盾構(gòu)隧道管片上浮控制及處理措施5.1選擇匹配的同步注漿工藝（1）漿液的結(jié)石率、初凝時間、早期強(qiáng)度、漿液稠度須與工程的地質(zhì)水文情況相匹配，才能抑制由漿液帶來的管片上浮現(xiàn)象，使同步注漿漿液和管片共同作用形成整體。為此根據(jù)施工監(jiān)測情況動態(tài)調(diào)整同步注漿量，針對不同地層調(diào)整同步注漿漿液的配合比。表4為區(qū)間管片出現(xiàn)上浮情況后調(diào)整的漿液配合比。經(jīng)試驗(yàn)檢測，將漿液初凝時間縮短為2.8?h，終凝時間為4?h，初凝時漿液強(qiáng)度為0.5?MPa。在同步注漿施工時，增加1:00和11:002個點(diǎn)位的注漿量，使同步注漿漿液在上半環(huán)附近凝固較多，以抵抗管片上浮。（2）嚴(yán)格控住同步注漿量，避免因同步注漿引起的管片上浮。5.2合理設(shè)置施工參數(shù)細(xì)化盾構(gòu)區(qū)間組段劃分中盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)置，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。（1）盾構(gòu)推進(jìn)時，應(yīng)注意控制盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)姿態(tài)，注意各千斤頂間的推力分配，避免盾構(gòu)機(jī)過量糾偏，避免因管片受力不均引起管片上浮。（2）掘進(jìn)速度須與同步注漿參數(shù)相匹配，確保管片脫出盾尾后漿液已初步凝結(jié)，具有一定的抵抗上浮能力；并避免因掘進(jìn)速度過快導(dǎo)致管片脫出盾尾時因漿液尚未凝固被水稀釋后引起的管片上浮。（3）將盾構(gòu)機(jī)的土倉壓力控制在合理范圍內(nèi)，保證土倉壓力平穩(wěn)，盾構(gòu)停機(jī)時需采取措施保證土倉壓力穩(wěn)定，避免壓力變化引起隧道上浮。5.3適當(dāng)降低盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時的垂直姿態(tài)在本區(qū)間隧道后續(xù)推進(jìn)中，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的管片拼裝后上浮經(jīng)驗(yàn)值，對部分較難控制上浮的區(qū)段，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中線路軸線偏差中預(yù)留一定上浮量，避免成型隧道管片因上浮造成超限情況。及時進(jìn)行管片姿態(tài)測量，合理調(diào)整預(yù)留上浮量。5.4管片上浮后的處理措施發(fā)現(xiàn)管片上浮現(xiàn)象后，首先要進(jìn)行成型隧道測量，看是否符合規(guī)范要求。若成型隧道滿足規(guī)范要求不需對上浮的管片和隧道采取措施，但應(yīng)分析上浮原因，采取對應(yīng)措施，避免后續(xù)繼續(xù)出現(xiàn)類似現(xiàn)象。若成型隧道不滿足規(guī)范要求，則需立即通過注漿孔。采用瞬凝型雙液漿，對上浮管片進(jìn)行2次注漿。注漿順序?yàn)橛伤淼拦绊斨羶裳?。同時緊固上浮管片的螺栓，避免因管片上浮造成螺栓損壞。6、結(jié)束語通過研究本區(qū)段管片的上浮現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)水文地質(zhì)、盾構(gòu)