中铁建南方建设投资有限公司 广东省 518000
摘要：城市轨道交通的建设在中国已经走过 50 多年的发展历程，在这几十年的时间里，中国城市轨道交通已经发生了翻天覆地的变化。目前我国已经有 41 座城市开通了地铁，特别是我国的一、二线城市，城市规模大，动辄数十条的地铁规划规模和数条线路同时开工建设。由于地铁线路网密集，目前在建地铁项目的上跨、下穿已经成为新常态，成为施工中面临的新课题。为控制施工过程中可能对既有线路造成的上浮和下沉，现场必须严格执行施工方案，加强监控量测，同时做好应急预案，避免事故发生。作为一种常见的工程问题，盾构隧道施工中的管片上浮问题已经引起了广泛关注：针对全断面硬岩地层中管片上浮问题，结合实例分析了导致管片上浮的原因和机制，从盾构施工和设计等方面提出了控制管片上浮的措施；以某盾构隧道工程为依托，结合现场盾构管片上浮监测结果，考虑到管片衬砌结构的重要性，对盾构施工中管片上浮原因进行总结概括，提出了相应控制对策，通过现场监测，管片上浮量得到了有效地控制，验证了控制措施的有效性。
关键词：盾构施工；管片上浮；盾构施工参数；注浆参数；抗浮措施
引 言：盾构法隧道的管片成型安装质量的好坏，直接影响到隧道线型是否满足设计轴线和建筑界限的要求。盾构施工过程中会受地质、水、同步浆液等因素的影响，管片脱出尾盾后，经常会发生管片向上位移现象，即所谓的管片上浮。管片上浮会造成成型姿态超限，严重时影响线路设计中隧道的高程、走向和净空，同时增加施工成本。
1.工程简介
某地铁项目，地质情况是：淤泥、粉质粘性土、砂层、全风化混合花岗岩、强风化混合花岗岩、中风化混合花岗岩、微风化混合花岗岩；盾构信息：盾构直径6.95m，管片内径6m，外径6.7m，环宽1.5m，管片厚度350mm其上浮值统计如图1所示。
.png)
图1盾构第48～55环管片上浮曲线图
在中风化混合花岗岩上浮由图1可见，此段48～55环拼装完成后1天之内上浮值达45mm，上浮速率最大；管片拼装完成后1～2天内，最大累积上浮值为64mm，速率明显减缓；管片拼装2～7天管片上浮已基本趋于稳定，其中最大上浮位置位于54号管片，上浮值为93mm。
2.管片上浮原因分析
结合隧道周围地质环境因素，对引发管片上浮的因素进行分析，主要受到工程水文地质条件、管片与围岩间建筑空隙、衬砌背后注浆质量、盾构掘进参数及姿态控制等方面的影响。
2.1工程水文地质条件影响
此段上浮明显的管片位于强、中风化混合花岗岩不同地层交界处。由于断面内岩层软弱不均，造成盾构掘进大量蛇形运动，加大了环向建筑空隙。同时下部地层自稳能力较强，刀盘受到的阻力大于上部，造成刀盘切削上部软弱土体过量，下部硬岩切削较少，导致围岩与管片间的空隙得不到减小。施工阶段为当地雨季，地层地下水位较高，在透水地层中施工时，管片浸泡产生的巨大浮力，使管片产生上浮趋势。大量的蛇形运动增加了盾构前进的“抬头”及“栽头”现象，同时过量超挖形成了一定空间。有关文献[3]研究表明：一般在软岩地层中管片上浮较小；在黏土、硬质地层中隧道上浮较大。通常地下水发育的硬质地层，下坡处的管片上浮现象往往更加明显。
2.2管片与围岩间建筑空隙
盾构前行时盾尾受力转移到临近管片上，盾构掘进扰动周围土体，导致管片脱尾后管片安装外径与周围围岩之间并非贴合紧密，存在着一定的环向建筑空隙。此建筑空隙的存在，为管片提供了上浮空间。在软弱地层中，管片脱出盾尾后，若注浆不及时，无法填充环向建筑空隙，拱顶围岩便会产生变形。对于软弱地层，地表沉降可自动消除环向建筑空隙，有利于约束管片上浮。然而对于硬岩施工，管片脱出盾尾后，由于岩层较为稳定，若同步注浆不及时填充空隙，就会出现管片上浮现象。
2.3衬砌背后注浆质量
对管片衬砌结构进行壁后注浆时，随着注浆压力提高上浮现象也逐渐明显。衬砌背后注浆主要目的有三：一是防止地层变形，二是确保管片受力均匀和变形的稳定，三是提高隧道的抗渗性。及时填充管片背后环形建筑空隙是解决管片位移的关键。管片脱出盾尾后，管片一边受到盾尾的约束不能上浮，另一边受到凝固的壁后注浆的约束也不能上浮。管片脱出盾尾后，若同步注浆压力不足或者注浆强度不能达标，管片在浆液浮力作用下仍会产生上浮现象。
2.4掘进参数及姿态控制
隧道设计轴线与盾构机轴线存在偏差，此偏差大小与盾构机所受的荷载紧密相关。盾构前进时运动轨迹为蛇形运动轨迹，所以掘进过程需要不断地调整盾构机的姿态，进行纠偏，逐渐靠近隧道设计轴线。盾构施工时掘进参数对管片上浮有较大的影响，特别是掘进速度。掘进速度过快，会造成同步注浆浆液不能及时凝结或者浆液注入量不够，导致同步浆液不能有效填充顶部的建筑间隙，从而使管片上浮的危险性提高。大直径盾构机穿越复杂地层时，盾构机姿态往往较难调整，尤其对于上软下硬地层，常常出现管片上浮现象。
3.施工期管片上浮情况
盾构掘进施工中，刚刚脱出盾尾的管片表现出局部和整体上浮现象，管片出现错台、破损、裂缝甚至线路偏位。盾构区间采用直径6950 mm的土压平衡盾构机掘进。6块环形预制钢筋混凝土管段厚度为350 mm，环宽为1.5 m，在贯通接头处组装成内径为6 m，外径为6.7 m的圆形隧道。管片监测仪器采用徕卡 NA2水准仪和标尺用于收集不同时间和周期的管段标高，将其减去初始的高程可得到管片上浮的位移量，以研究管片随环数的上浮情况。根据隧道监控显示，在区间盾构掘进过程中，24环出现最大下沉量，在-3.8 cm左右；第30环区段管片开始出现上浮，后逐渐加剧。在掘进至第68环时，发现管片最大上浮趋势10.28 cm。掘进第80环后，通过合理设置掘进参数，调整同步注浆、二次注浆方案和盾构姿态，管片上浮控制到2 cm左右。
4.盾构机推进参数分析
盾构机推力参数分析主要集中在盾构机的总推力、刀盘扭矩、刀盘转速、推进速度和土压力等方面展开研究。
4.1盾构机总推力
在始发井加固区内掘进过程中，推力控制在9 000 kN以内，前期正常掘进过程中，总推力控制在1 2000 kN左右，整体推力呈平稳上升趋势，在姿态调整过程中有一定波动，属于正常现象。
4.2刀盘扭矩及刀盘转速
始发阶段刀盘转速较小，控制在0.6 rpm，正常掘进后，根据推进速度逐步调整至1.0~1.2 rpm，扭矩整体平稳，稳定在700 kN·m左右，符合地层特性。
4.3刀盘推进速度
端头井加固区采用搅拌桩、高压旋喷进行加固，盾构机必须在加固区域缓慢推进，控制刀盘的扭转距离和推力，以确保刀盘在前方加固土上完全切割，推进速度控制20 mm/min以内；脱出加固体后逐步提高推进速度。然而推进速度过快时，同步注浆浆液不能及时补充，不能保证管片脱出盾尾时管片空隙和注浆量平衡，地面有一定的沉降。因此将推进速度控制在40 mm/min以内，地表沉降得到有效缓解。通过对以上始发阶段盾构掘进参数范围的分析，确定了下阶段盾构掘进主要参数指标：根据地质条件、推进速度、盾构姿态等情况，扭矩在600~1000 kN·m，推力控制在1600 T以下，掘进速度40 mm/min左右。
4.4土压的设定
正平衡压力：P=k0gh，其中，P为平衡压力（包括地下水）；k0为土壤的侧向静态平衡压力系数；g为土体的平均重度（kN/m3）；h为隧道埋深（m）。在盾构隧道施工中，参照上述方法可以得到平衡压力的设定值。具体的施工设定值根据盾构的埋深、该位置的土壤状况和监测数据随时调整。通过经验计算土压值控制在0.24 MPa左右。
5.管片上浮控制措施
5.1壁后同步注浆
该盾构区间主要穿越强风化混合花岗岩、中风化混合花岗岩地层，为了保证管片成形质量，需结合施工经验，设定合理的掘进参数，优化渣土改良。基于盾构机特点，同步注浆浆液采用慢凝指标，同时采取水泥－水玻璃双液浆速凝浆液，以控制管片上浮。该浆液在填充性能、初凝时间、早期强度等方面均能达到要求，利于管片与围岩固结成结构整体。结合本工程水文地质条件，配置不同性能双液浆的初凝时间为6～10h。现场实验表明，初凝时间为6h的浆液最早达到强度，抑止管片上浮的效果最佳，但其泵送运输时间较长，运至现场时经常发生管路堵塞，影响施工进展。本工程选用初凝时间为8h的浆液，采用区间衬背注浆，通过管片注浆孔注入双液浆，施工中未出现管片上浮现象。
5.1.1 注浆量
浆液配比严格按照设计配比进行拌制，依据盾构机开挖直径和管段外径的计算，每个环的理论空隙约为3.6 m3，把浆液扩散系数定位1.6，同步注浆总量理论值在5.5 m3。针对前期地表沉降监测（盾尾整体隆起），减小同步注浆量，由原来的7 m3减小为6 m3，最后浆量调整为5 m3。
5.1.2 注浆压力
注浆压力通常是静土压力和同步注浆压力的1.1~1.2倍，随着地层的埋深逐步加大。由于注浆压力传感器距离浆液出口较远，注浆过程中管道有一定压力损失，所以从数据显示压力较大，属正常现象，同步注浆压力控制在0.30~0.45 MPa。
5.1.3 注浆位置
盾尾包括4个同步注浆孔，上部2个，下部2个。调整注浆方式，前期上部注浆孔注浆量为下部注浆孔2倍，在上浮趋势不控制不明显的情况下，仅注上部注浆孔，下部注浆孔不注浆；由于过程中出现了管片错台现象，目前调整为上部注浆4.5 m3左右，下部注浆0.5 m3左右。
5.2 管片开孔二次注浆
二次注浆在推进过程和同步灌浆同步进行。注浆位置是脱出盾尾4环，分2次注浆，两环一注，水泥浆水灰比为1∶1，注浆量为0.2 m3，水泥浆与水玻璃的比例为1∶1，注浆位置位于隧道顶部。采用带管口的注浆方法容易清理，双液注浆设备简洁易操作，方便清洗。水泥水玻璃双液浆初凝时间快，13 s左右，对管片形成环箍抑制管片上浮。
5.3 盾构机姿态控制
5.3.1 盾构机自身的姿态控制
自动导向系统和人工手动测量被用来监测防护罩的姿态。该系统可以在盾构机主控室内显示盾构机当前垂直和水平位置与隧道设计轴线之间的偏差和趋势。相应地调整盾构机的掘进姿态，掘进姿态由盾构机的铰链系统和推进系统控制。根据规范要求，隧道轴线水平和垂直位移应控制在±50 mm以内。当盾构机姿态良好时，可以依靠盾构机适当矫正管片姿态。
5.3.2 盾构机姿态对管片上浮控制
偏差校正应逐环进行，少量偏差校正，以防止过度偏差而损坏组装好的管件和屏蔽尾密封。在曲线段掘进时，在进入曲线之前，应保留靠近曲线内部的偏移。根据导向系统反映的盾构机姿态信息和线路状况，结合隧道地层，通过选择盾构机推进油缸模式来控制掘进方向。与此同时，在曲线段的掘进中，根据曲线半径计算铰链角，并调整铰链筒的伸长以辅助曲线的施工。推进缸的液压调节不应过快或过大，过快的切换速度会导致管段应力状态的突然变化，损坏管段；掘进参数应根据地下地层情况及时调整。调整隧道方向时，应设置警告值和限值。当达到警告值时，应立即启动偏差校正程序，以计算偏差校正曲线。偏差校正操作只能在管件相对于盾构机处于良好状态时进行。在纠偏操作期间，严格监控盾尾间隙。盾尾间隙每提前30 cm测量一次，以确保盾构机不会卡住，盾尾刷不会损坏。
5.4掘进速度控制
盾构区间隧道强、中风化混合花岗岩的围岩强度不高，正常时掘进速度很快。掘进速度过快，会造成同步及二次注浆施工不及时，导致管片建筑空隙填充质量差，从而使管片上浮。经过现场试验确定，中风化花岗岩中盾构机推进速度每班不超过5环，强风化花岗岩中每班不超过6环，时间控制在2～2.5h。效果检测采取上述一系列处理措施之后，经现场监测表明，管片上浮得到了很好的控制，针对强风化至中风化混合花岗岩第58～65环管片上浮量监测结果显示所采取的上浮控制措施合理有效。开始时管片上浮量随着时间的增长而增大，然后逐渐趋于稳定，上浮的位移大多发生在浆液初凝时间之内，初凝后上浮量逐渐减小，最终趋于稳定值。上浮速度随着时间的增长逐渐降低，采取措施后最终上浮量基本控制在6～12mm间。
结束语
管片上浮因素主要为工程水文地质条件、管片与围岩建筑空隙、衬砌背后注浆质量、盾构掘进参数及姿态控制。施工时，要根据施工围岩条件，结合盾构机掘进时的各种参数及管片上浮量，进行总结分析。由现场监测可知，管片上浮大多发生在浆液初凝时间之内，初凝后上浮量逐渐减小，最终趋于稳定值。上浮速度随着时间的增长逐渐降低，采取措施后最终上浮量基本控制在6～12mm间。
（1） 针对前期地表沉降监测出现的一定隆起，减小同步注浆量，由原来的6 m3减小为5.2 m3，减小对管片的上浮力；在发现地表有沉降趋势的情况下，逐步上调注浆量至5.7 m3；后期为减小管片的上浮趋势，将注浆量控制在5 m3。
（2） 为了控制管片上浮并抑制管片错台，调整为上部注浆4.5 m3，下部注浆0.5 m3；注浆压力持续控制在0.4 MPa左右。
（3） 采用管片开孔注浆方式，进行二次双液浆注浆，缩短浆液的凝固时间，对管片形成环箍抑制管片上浮。为了防止浆液前窜干扰破坏盾尾刷，距离盾尾约4环位置进行二次注浆。
参考文献：
[1]苏斌，苏艺，江玉生.北京典型地层盾构适应性对比与施工关键技术[M].北京：人民交通出版社，2013．
[2]李鹏.面向生态城市的地下空间规划与设计研究及实践[D].上海：同济大学，2008：7-15．
[3]沈征难.盾构掘进过程中隧道管片上浮原因分析及控制[J].现代隧道技术，2004，41（6）：51-56．
[4]朱科峰.盾构法隧道施工背后注浆技术[J].广东土木与建筑，2003（7）：19-21．
[5]凌研方.盾构掘进过程中轨迹规划问题的研究[D].大连：大连理工大学，2009：42-45.
[6]叶飞.软土盾构隧道施工期上浮机理分析及控制研究[D].上海：同济大学，2007.
[7]梁精华.盾构隧道壁后注浆材料配比优化及浆体变形特性研究[D].南京：河海大学，2006：30-36.
[8]魏纲.基坑开挖对下方既有盾构隧道影响的实测与分析[J].岩土力学，2013，34（5）：1421-1428.
[9]李校峰.大型深基坑开挖对紧连既有地铁隧道及周围地层的影响研究[J].铁道建筑技术，2017（12）：78-82+103.
[10] 杨英子.新建地铁隧道下穿既有地铁施工技术[J].工程建设与设计，2017（9）：147-14