复杂地层盾构隧道管片上浮机理及控制技术--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

复杂地层盾构隧道管片上浮机理及控制技术

发表时间：2020/10/29 来源：《基层建设》2020年第21期作者：杨明王松青杨谢生张艺

[导读] 摘要：管片上浮量控制是盾构隧道施工中的重点和难点，针对武汉地铁11号线体～光区间隧道掘进期间管片上浮量较大情况，运用理论分析、现场实测等手段对其上浮机理进行分析，并据此提出了相应的控制技术措施，现场实践表明效果良好，为今后类似工程提供了重要的参考依据。

        中煤第三建设（集团）有限责任公司市政工程分公司安徽合肥 230000
        摘要：管片上浮量控制是盾构隧道施工中的重点和难点，针对武汉地铁11号线体～光区间隧道掘进期间管片上浮量较大情况，运用理论分析、现场实测等手段对其上浮机理进行分析，并据此提出了相应的控制技术措施，现场实践表明效果良好，为今后类似工程提供了重要的参考依据。
        关键词：武汉地铁；盾构隧道；管片上浮机理；控制技术
        1 工程概况
        体～光区间隧道起自体育学院站，止于光谷广场站；线路全长约1666.9m，平面最小曲线半径350m，最大纵坡28‰，结构覆土厚度10.8～25.8m。盾构区间隧道主要穿越强风化砂质泥岩、中风化砂质泥岩以及砂质泥岩破碎带。该线路东侧为东湖，水深1.0～3.0m，最近距离约20～30m，由于距离较近，东湖地表水体下渗补给工程沿线区地下水。由以上地质、水文资料知，盾构区间穿越区域地层属于强风化、中风化砂质泥岩，裂隙发育，渗透系数大，属于强透水地层，又因东湖地表水的补给，进而造成盾构掘进形成的环形建筑空间充满水，在浮力的作用下必然会产生上浮，加之其它因素造成管片上浮量较大，一直得不到有效的控制。
        2 管片上浮机理分析
        2.1 建筑间隙给管片上浮提供了空间
        根据盾构的工法特征[1]：盾构机刀盘开挖直径D＞盾构机外径D0＞管片外径d。因此，管片安装后的外径与盾构机切削围岩形成的隧洞内径间存在建筑间隙Δ=（D-d）/2，进而使得管片脱出盾尾后其外缘与隧洞围岩不完全密贴，而是存在环向间隙。如果不能及时将该间隙填充，则给管片上浮提供了空间。本工程刀盘开挖外径为6480mm，而管片外径为6200mm，其建筑间隙为140mm，显然较一般要大。
        2.2 浆液或地下水包裹产生的浮力
        在隧道轴线方向上，脱出盾尾的管片犹如两端固支的弹簧；一端受到盾尾的约束，另一端受到已凝浆液的约束[2]。因注浆浆液在一定时间内为流体状态，加之地下水和泥浆等综合作用，将会对尚未固定的管片产生浮力，即所谓的“静态上浮力”。当管片所受到的上浮力F静＞管片自重G管+盾构机后配套重力G后配套，管片就有上浮趋势，若上部有浮动空间，那么管片就会发生上浮。根据公式计算，本工程纯水浮力和管片自重分别为444KN和227kN，盾构机后配套重量平均分摊线性重力较小；显然，管片自重和后配套重力远小于上浮力。
        2.3 注浆压力产生的“上浮力”
        根据文献[3]知：在硬质地层中，管片脱离盾尾后，其建筑间隙不能及时被周围土体填充，此时注浆浆液能形成浆液环，进而注浆压力可沿整环均匀分布或非均匀分布。在软质地层中，管片脱离盾尾后，其上部和两侧建筑间隙将迅速被周围土体填充，此时注浆浆液将集中在管片下方一定范围内，进而注浆压力将在该区域呈扇形分布。当注浆压力在管片下部集聚时，可形成较大的集中力或分布力，即所谓的“动态上浮力”。当该浮力F动＞上覆土载荷G土+管片自重G管+盾构机后配套重力G后配时，就能引起管片上浮。本工程隧道穿越地层为强风化或中风化砂质泥岩以及砂质泥岩破碎带，符合软质地层条件，所以由注浆压力引起的管片上浮不容小觑。
        2.4 盾构姿态调整影响
        盾构机在掘进时切削盘的轴线与隧道设计中心线存在一定的偏差，故掘进时需不断地对盾构机姿态进行调整和纠正，进而造成盾构机切削盘以“蛇形”的折线向前推进。为此，在盾构掘进过程中要不断调整盾构各分区油缸千斤顶推力，以达到纠偏目的。整个盾构隧道轴向设计为“V”字型，且最大纵坡28‰。因此，在盾构机掘进过程中，盾构姿态和管片姿态存在不一致性，加之偏向力的作用，致使盾构千斤顶推力不能与管片环面垂直。同时，该隧道穿越地层整体上属软质地层，且局部地段处于强、中风化砂质泥岩不同地层交界处，盾构机前行时更易出现“抬头”及“栽头”现象。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆

特别是下坡掘进时，因盾构机前、中盾重量较大，造成盾构极易发生“栽头”现象，这时就需要加大下部千斤顶的推力达到纠偏目的，进而使脱离盾尾的管片受到斜向上的推力，致使管片发生上浮。
        2.5 同步注浆浆液特性影响
        由于刀盘切削形成的隧洞与管片间存在建筑空隙，通常采取及时压注硬性单液水泥砂浆对建筑空隙进行填筑，以免管片发生位移。因此，同步注浆浆液填充的密实度以及能否实现早强是控制管片位移的关键。如若浆液不能填充密实，根据流体的性质，空余的上部间隙将为管片上浮提供了空间；同时，若浆液不能及时固化，管片将浸裹在液体中，进而受到液体浮力作用。本工程开始同步注浆浆液采用的是惰性浆液，早期强度低，且初凝时间长；同时由于离东湖较近，浆液在初凝前易被地下水稀释，甚至被地下水带走。综合上述原因，造成不能对管片及时提供束缚，同时部分地段管片上部间隙不能填充密实，进而导致管片上浮。
        3 管片上浮控制技术措施
        3.1 盾构姿态控制
        盾构掘进过程中，若其姿态控制不好，势必要频繁纠偏，进而造成蛇形运动。过量的蛇形运动纠偏会导致管片环面受力不均及土体扰动，因而应提高盾构操作手的操控水平，减少此类情况出现。此外，还应减少因盾构机“载头”造成的推进千斤顶上下区的压力差，出现偏差时不能突纠，应按照规定逐步纠正，防止管片严重受力不均。本项目制订了盾构机的操作规程要求纠偏量不得超过每环3mm。
        3.2 注浆量及浆液性质的调整
        盾构隧道施工期间，根据现场情况加大注浆量及调整浆液凝固时间，同时对不良地层段盾尾管片5环左右处打孔检查注浆情况，增加二次注浆，对检查发现注浆不足及管片外部含水量较大情况及时注入双液浆稳固，注入的双液速凝浆液在填充性能、初凝时间、早期强度及防流失等方面具有良好的性能，尽早使管片与围岩固结成整体。
        3.3 掘进速度控制
        因本工程盾构穿越地层为强、中风化砂质泥岩较软，正常情况下盾构掘进速度较快，留给同步及二次注浆施工时间较短，所以注浆效果难以保证，进而导致管片与隧洞间空隙填充质量差，故浆液不能及时达到控制管片上浮的作用。因此，盾构掘进速度需与注浆速度相适宜，本项目经过试验，采取的速度为不超过5cm/min，以确保管片在脱出盾尾后不会因注浆作业滞后问题而产生上浮。
        3.4 掘进高程控制
        盾构掘进时一定要合理控制掘进高程。在本区间掘进期间，监测一旦发现管片上浮严重时，将盾构机切削盘轴线高程降至隧洞设计高程以下3cm处。实践表明，该措施能很好地抵消管片上浮量，更好地使隧洞轴线与设计轴线相重合。
        4 总结
        在对该复杂地层盾构隧道管片上浮机理分析的基础上，采取壁后注双液浆、盾构姿态控制、掘进速度调整等措施，很好地控制了管片上浮。现场监测数据显示：采取措施后管片上浮量基本控制在5～13mm间[4]，说明所采取的上浮控制措施是科学有效的。
        参考文献
        [1]黄威然，竺维彬.施工阶段盾构隧道漂移控制的研究[J].现代
        隧道技术，2005，42(1)：71-76.
        [2]张君，赵林，周佳媚，等.盾构隧道管片上浮的机制研究[J].铁道标准设计，2016，60（10）：88-93.
        [3]叶飞，朱合华，丁文其，等.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，2008，36(6)：738-743.
        [4]盾构法隧道施工及验收规范：GB50446-2017.北京:中国建筑工业出版社，2017.
        作者简介：杨明(1983-)，男，安徽濉溪人，工程师，工学博士，研究方向：隧道及地下工程科研、施工及管理工作。