盾構隧道管片浮上管片施工問題分析

盾構隧道管片浮上管片施工問題分析

1管片上浮原因分析預制混凝土管的浮動一直是施工預制混凝土管的技術問題。GB50299-1999地下鐵道工程施工驗收規(guī)范中規(guī)定管片拼裝后,隧道軸線的高程和水平位移不得超過±50mm。引起盾構隧道管片上浮的因素很多,如工程地質、水文地質、襯背注漿質量、盾構姿態(tài)等。由于盾構機的開挖直徑大于管片的直徑,并且盾構機的蛇形推進,在管片周圍產(chǎn)生的超挖為上浮提供了外在條件。管片脫出盾尾之后受到周圍漿液(或地下水)的浮力大于自身重力作用,并且由于注漿工藝和漿液質量使得漿液的初凝時間較長,這就成為了上浮的內在原因。脫出盾尾的管片就在上述若干條件的共同作用下在一定時間內產(chǎn)生豎向的位移。該位移的方向基本都向上,故被稱為管片的上浮。本文以上海軌道交通二號線西延伸段盾構隧道工程為背景,以較高的監(jiān)測頻率采集得到不同時間管片上浮的實測數(shù)據(jù)。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,得到管片上浮的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律,為確保施工精度和提高工程質量提供依據(jù)。2工程概論與地質條件分析2.1工程地質及管道設計上海軌道交通2號線西延伸工程(Ⅵ標)包括出入段線區(qū)間盾構隧道(含一個旁通道和一個盾構工作井)、暗埋段和敞開段。本標段虹橋臨空園站-北翟路工作井區(qū)間隧道工程,入段線全長1257.937m,出段線全長1241.55m。隧道最大覆土厚度約為15.5m,隧道水平曲線最小轉彎半徑為399.85m,最大縱坡為37‰。隧道外徑為6200mm,內徑為5500mm,襯砌為環(huán)寬1200mm的通縫管片,環(huán)縱向均設有凹凸槽。管片采用通縫拼裝,M30雙頭直螺栓聯(lián)接;環(huán)縫及縱縫間防水材料采用三元乙丙彈性密封墊。在施工過程中,管片受到現(xiàn)場地質條件,以及開挖和浮力的影響而產(chǎn)生上浮。2.2土層及灰色粘土本區(qū)段隧道埋深中間深,兩端淺,隧道頂板標高-1.361～-11.129m。隧道所在場地地層分布較穩(wěn)定,分層界限明顯,土層起伏變化不大。整個區(qū)間隧道穿越土層主要為軟土層,包括③1層灰色淤泥質粉質粘土、③2層灰色粘質粉土、④層灰色淤泥質粘土、⑤1-1層灰色粘土層,除③2層透水性好外,其余土層呈流塑狀態(tài),尚均勻。第4層灰色淤泥質粘土是盾構施工的主要土層,但由于其壓縮性高、含水量高、孔隙比大、強度低、穩(wěn)定時間長,在動力作用下極易產(chǎn)生流變、觸變現(xiàn)象。本場地淺部地下水屬潛水類型,補給來源主要為大氣降水與地表徑流,水位動態(tài)為氣象型,地下水埋深取0.5?0.7m。本標段施工區(qū)域微承壓含水層分布于⑤2粉細砂層中。3現(xiàn)場監(jiān)控技術3.1管片監(jiān)測儀器首先確定一定數(shù)量的待測管片作為試驗段,本文選擇了712～762環(huán)區(qū)間管片進行監(jiān)測。該區(qū)間有50環(huán)管片,由于該段隧道的縱坡和曲率等因素相對穩(wěn)定,故選作待測管片。監(jiān)測儀器采用電子水準儀和標尺,并記錄監(jiān)測期間的注漿參數(shù)。最后對監(jiān)測數(shù)據(jù)及其反映的上浮規(guī)律及特點進行比較,歸納和總結。3.2盾構管片的高程測量監(jiān)測儀器采用水準儀和標尺,在拼裝好的管片脫出盾尾后的不同時間采集管片的高程并與其初始的高程相比較即可得到上浮的情況。在盾構推進過程中,每環(huán)管片都會經(jīng)歷拼裝、脫出盾尾和遠離盾尾這三個階段。在最新一環(huán)管片脫出盾尾的時候即可使用監(jiān)測儀器對到盾尾距離最近的5環(huán)待測管片進行高程測量,而剛脫出盾尾的管片高程則為該管片的初始高程。超出5環(huán)的待測管片以后每12h進行高程測量一次,直至所有待測管片的高程趨于穩(wěn)定。對待測管片的監(jiān)測期間,還應收集同步的注漿信息,以便比較分析。4管片的上浮行為在盾構推進的過程中,每環(huán)管片脫出盾尾都有一個初始高程。在之后的監(jiān)測過程中,每環(huán)管片脫出盾尾后不同時間采集到的高程與初始高程的差值就得到該管片的上浮量。而監(jiān)測期間的注漿情況也相對穩(wěn)定,均采用上兩孔注漿(1號和4號孔),注漿壓力0.4～0.45Mpa,每環(huán)注漿量3.2m3。表1中列出了從712環(huán)到721環(huán)管片在脫出盾尾后56h內的上浮情況。從整體上看,每環(huán)管片的上浮量均由小增大。其中,上浮的最大值為43mm,最小值為29mm,上浮值大都集中在30～40mm這個范圍內。在管片脫出盾尾32h,各環(huán)的平均上浮量為34mm;脫出盾尾44h的平均上浮量為36.3mm;脫出盾尾56h的平均上浮量為35.6mm。可見管片在脫出盾尾約30個小時以后,上浮就基本停止。圖1和圖2分別顯示了管片712～716和717～721脫出盾尾后56h的上浮變化規(guī)律。管片的上浮行為從脫出盾尾即開始,而且逐漸增大。從圖中觀察出,管片在脫出盾尾的初期(20h)上浮增長迅速,到第20h的上浮量就已經(jīng)達到最終上浮量的75%～85%左右。就其機理而言,因為在管片脫出盾尾初期,壁后的注漿處于流體狀態(tài)粘阻力相對較小,而且管片下部土體因卸荷回彈,對管片的上浮有明顯作用,管片上浮的因素顯著。管片在脫出盾尾約30h后,各種使得管片上浮的因素作用減弱,上浮趨于停止,最終的上浮量保持在30～40mm這個范圍內。圖3顯示了從712到721這10環(huán)管片分別在拼后2h,8h,20h和56h的上浮。從圖3中可以看出,不同管片的上浮速率雖然不同,最后的上浮量也不同,但是相同的是它們在拼后初期的上浮速率較大,而且在拼后8h就幾乎完成了最終上浮的一半左右。從圖中觀察得到,拼后56h相對于拼后20h的上浮值并沒有較大增加,說明管片在拼裝20h后上浮速率變得很小,上浮逐漸穩(wěn)定下來。盡管管片在脫出盾尾后的一段時間內保持較快的上浮速率,但不一定越靠近盾尾上浮速率就越大。從表1中可以得到,在脫出盾尾初的2h內管片的平均上浮速率為2.15mm/h,在之后的3～8h內平均上浮速率卻有2.45mm/h?？梢娫诿摮龆芪埠?～8h的上浮速率是略高于剛脫出盾尾后2h的。主要因為管片剛脫出盾尾卻受到千斤頂?shù)募s束作用,越靠近盾尾的約束作用就越顯著,限制了管片的上浮行為,所以剛脫出盾尾的管片的上浮速率并不一定是極大的。5影響因素及管理費用5.1盾構隧道襯砌的防水性能為保證盾構的順利掘進和管片拼裝,盾構機的切削刀盤直徑D與隧道襯砌管片的外徑d有一定的差值,于是在盾構開挖的洞身與管片外徑間存在建筑間隙Δ=D-d。在上海高水位軟土地層中,管片脫出盾尾后,拱頂土體全部塌落到管片結構需要一定時間和過程,如不及時填此空間,脫出盾尾的管片周圍處于無約束的地下水的包圍狀態(tài),給管片的位移提供了可能的條件。盾構隧道是空心的筒體,在混凝土自重作用下有下沉的趨勢;但在全斷面地下水壓力作用下,防水性能優(yōu)良的襯砌隧道則有上浮的趨勢?？梢姽芷炷磷灾谿小于水浮力F,而拱頂土體施加在管片結構上需要時間,這就解釋了在拼裝管片初期為何隧道上浮位移發(fā)展快的原因。5.2復合體表面活性劑如前所述,隧道上浮有兩大條件:一是建筑間隙Δ的存在,二是引起上浮位移的力,襯背注漿在填充了建筑間隙Δ的同時,讓隧道與周圍土層緊密接觸形成穩(wěn)定的復合構造體共同抵抗外力。但是一般盾構區(qū)間隧道襯背注漿采用惰性漿液,其主要成分為砂、粉煤灰、陶土和水,24h強度很低,在富水軟土地層中,惰性漿液初凝時間長,而且低強度漿液不僅無法對管片提供約束,相反提供了上浮力;另一方面,盾構機掘進震動和隧道內電瓶車運動震動下,未凝固的漿液材料很可能被有漂移趨勢的管片擠到隧道底部或地層其他間隙,進一步加劇了隧道上浮。5.3調整各分區(qū)油缸千斤頂?shù)耐屏碚{整盾構機的姿態(tài)盾構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,盾構隧道無論是盾構機偏離隧道中心線以下還是線路坡度變化,均要通過不斷調整各分區(qū)油缸千斤頂?shù)耐屏碜尪軜嫏C運動中不斷逐漸靠近隧道設計軸線。即通過加大下部C區(qū)千斤頂?shù)耐屏碚{整盾構機的姿態(tài)。這樣,致使管片底部受到大于上部的作用力,管片環(huán)面上受力不均,加劇了管片上浮的趨勢。5.4控制管片上浮(1)選擇適當?shù)淖{漿液及方法:在含水軟土地層中,解決管片上浮問題實質上是同步注漿穩(wěn)定管片與管片上浮在時間上的競賽。比較理想的注漿方法應是盾構沿軸線掘進,注漿完全充填施工間隙并快速凝固形成早期強度,隧道與周圍土體形成整體構造物從而達到穩(wěn)定。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。(2)控制盾構機姿態(tài):盾構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機的姿態(tài),盡可能地使其沿隧道軸線作小量的蛇形運動。在施工中重點控制急曲線點,如地鐵隧道的最低點,縱曲線由下坡變到上坡。為了抑制隧道的上浮,可以適當合理利用千斤頂不均勻施力,但分區(qū)油缸千斤頂?shù)膲毫Σ畈灰顺^30MPa。(3)控制掘進速度:如果襯背注漿過程中,漿液不能達到及時有效地固結和穩(wěn)定管片的條件時,應適當控制盾構掘進速度,確保管片脫出盾尾時形成的空隙量與注漿量平衡,盡量避免注入的漿液被水稀釋而降低漿液性能。(4)適當降低盾構機的姿態(tài),有意識地壓低管片高程,即將盾構降到設計曲線以下掘進,讓隨后上浮的隧道回到設計軸線位置附近,使脫出盾尾的管片不至于超限。盾構的掘進曲線與成型隧道的軸線可能并不是完全吻合,應根據(jù)施工情況摸索其相互關系。5管片上浮速率(1)管片的上