盾构机到达阶段管片上浮形成机理及控制研究

喻青儒 肖飞 张道彬

摘 要：随着国内城市轨道交通建设的大面积展开，盾构施工技术也在不断向前发展。在此背景下，盾构管片姿态偏差已经成了盾构施工中一项常见的质量通病，轻则出现错台、渗漏水等现象，重则造成隧道中心轴线严重偏离设计、隧道管片破裂、螺栓剪断等事故发生。管片上浮属于姿态偏差的一种情况，管片上浮控制技术一直是业内非常关注，也是一直进行研究的一项课题。管片上浮的控制与盾构掘进、测量控制、同步注浆、二次注浆以及地层情况均有较为密切的关系。

关键词：管片上浮；二次注浆；错台

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）08-0110-02

相对于盾构机掘进过程中的管片上浮管控，本文从盾构工法、地层情况、注浆材料、注浆工艺等方面探讨在盾构机到达阶段管片上浮管控的技术，并提出相应的措施和建议。

1 管片上浮的理论基础与主要应对措施

一般认为做好掘进施工的精确测量、控制好盾构机的姿态基本上就能保证管片的拼装质量与姿态，但是在多数情况下，管片脱出盾尾后必然会产生上浮的现象。就目前的理论研究方面来看，盾构掘进的工法决定了管片上浮是必然存在的。

盾构机刀盘直径D>成型隧道外径d，D与d之间的空隙一般情况下由同步注浆的浆液进行填充，当ρ浆液×g×V1>ρ混凝土×g×V2（V1为单环切削土体理论体积，V2为单环混凝土管片体积，一般情况下ρ浆液V1必定大于ρ混凝土V2）时，在管片脱出盾尾失去约束后，台车及后配套的重量无法抵抗上浮的力，管片必然造成上浮。

根据相关文献及研究表明：Ⅴ级及以上等级的围岩中，盾构管片上浮主要是出现在管片脱出壳体后产生的；而在软弱土层中，管片上浮共分为两个阶段，第一阶段是管片脱出盾尾时挤压填充浆液时出现的，第二阶段是成型隧道抵抗上部软土的过程中出现的。在前一阶段的管片上浮理论基础基本相同，均是由于开挖截面大于隧道成型截面造成的，后一阶段主要是由上覆土的情况决定。

根据规范的要求，管片拼装轴线高程和平面的允许偏差为±50mm。为解决管片上浮这个必然的问题，盾构掘进施工过程中可以根据不同的情况来采取措施：

（1）在第一阶段（管片脱出盾尾阶段），在实际盾构施工操作中（如图1），首先根据地质条件和试掘进的参数，将盾构机的实际轴线往下垂直偏移50mm左右，以消除或減小管片上浮后与设计中心轴线的偏差。

（2）第二个措施就是控制好同步注浆和二次注浆浆液的配合比与类型。当前浆液共有三种形式的同步注浆浆液：一种惰性浆液，一种普通水泥浆液，另外一种为双液浆。

在岩层中，同步注浆浆液主要为填充缝隙，上部岩层不会产生沉降变形剪切浆液，所以一般情况下根据管片上浮的情况注入较便宜的普通水泥浆，在二次注浆的过程中通过调整注浆的顺序和压力来控制上浮。如若在上浮较大的情况下，可注入价格较贵的双液浆，注入顺序可先上后下。整个管片上浮基本上是在初凝阶段发生的，配合比方面主要控制浆液的初凝时间即可。

在软弱地层中掘进时，考虑地层沉降的趋势，注浆材料采用惰性材料即能够获取较良好的初期控制，并能减少成本。远期上浮则需要对地质条件、覆土厚度以及列车运行震动等方面进行多方位的考虑。

（3）软弱土层中成型隧道抵抗上部软土形成上浮的现象是一个长期、缓慢的过程，如若覆盖土层不能抵抗上浮力时，隧道管片上浮将会朝着隧道严重破坏的方向发展。在某些时候，列车的运营带来的震动也可能造成软弱土层的敏感性液化，进而将这一过程严重化，甚至导致隧道漏水、管片破裂影响运营安全。在这种情况下，就必须对隧道上方软弱地层进行加固处理。常见的加固措施有三轴搅拌桩、双管旋喷桩等加固措施。

2 到达阶段管片姿态上浮研究与控制措施

2.1 到达阶段推力不均导致管片上浮

在常见的盾构隧道线型设计中，到达阶段基本上为一个上坡段，盾构机的姿态主要依靠主动或被动铰接来进行调整，但在铰接调整垂直或是水平姿态的过程中，也有出现姿态调整达不到要求的情况。在这种情况下，为满足姿态调整的需要，盾构机的操作手往往会对各千斤顶施加不同大小的力来辅助调整姿态。一般情况下先拼装底部的管片，然后拼装周边与顶部管片，在利用千斤顶调盾构机姿态时，操作手将千斤顶推力调整成F2>F1时（如图2），Δ=F2-F1的水平分力产生了向上的作用力，导致脱出盾尾的管片产生向上移动的趋势，从而导致管片上浮。

以上情况在到达阶段也会因覆土层变浅，地质断面出现上软下硬的情况时，盾构底部千斤顶推力加大也有可能产生图2的情况。

因推力造成的管片受力不均，开挖断面内的管片必然进行上浮，在这样的情况下，就必须考虑调整盾构机姿态，从设计上直接设计成直线出洞。如果设计没有在线性上考虑，这需在施工阶段考虑盾构机直线出洞，然后在后期调整管片姿态以满足设计要求。出洞后管片的纠偏工作主要依靠二次注浆来进行纠正，具体操作同常规的纠偏措施，满足规范要求即可。

2.2 同步注浆导致的管片上浮

同步注浆是填充盾构开挖面与管片界面之间间隙的一种手段，考虑到地下水的作用，浆液的选用方面和使用上主要考虑地层的问题。最终管片姿态的形成和控制均需要通过二次注浆来进行调整。多数情况下，二次注浆的选择基本为水泥浆。二次注浆的浆液采用普通水泥浆时，初凝时间在外部地下水的影响下时间难以控制。这样的二次注浆反而会对原先留置在空隙中正在进行初凝的同步注浆材料进行扰动，管片上浮产生的剪切破坏将会进一步加剧。

双液浆的好处就是凝固时间较短，能够有效的控制和调整管片的姿态。但是双液浆也有它的缺点，比如在使用过程中易堵管且费用高，在操作不当的情况下还有可能因压力集中造成管片破坏。如果二次注浆全部采用双液浆进行注浆，工程施工中是难以接受的。通过工程实例得出的结果，二次注浆过程中每隔5～8环采用双液浆做一环的止水固定环，注浆压力控制在0.2MPa以内，然后其他环管片外部二次注浆采用普通水泥浆进行调整和填充，这样能够很好的解决以上存在的各种问题。

2.3 到达接收架阶段管片上浮控制

达到接收架时，为保证二次注浆不污染盾尾刷，盾尾管片二次注浆的及时性将大大的延后。考虑管片脱出盾尾上浮的情况下，在接收架安装点较低时，盾构机机头落架时整体的重量会拉扯后部管片，形成一个非常大的向下的力。这样极端的情况下，到达阶段靠近洞口的管片将有可能造成螺栓拉裂，非常严重的管片错台，漏水漏水或是灾难性事故的发生。图3所示就是到达阶段脱出盾尾部分管片与盾构机内的管片产生严重错台、螺栓拉裂的情况。

产生这样的问题主要原因有以下两个方面：（1）盾构机姿态控制不到位；（2）接收架与出洞后盾构机的刀盘位置未进行严格核算和调整，导致接收架过低。要解决此类问题，就必须在刀盘露出洞口后，精确测量刀盘中心与盾尾姿态，根据测算的数据，重新调整接收架高度；同时在到达阶段将盾构机整个姿态中心控制在设计轴线上。

2.4 精确测量

管片上浮的情况，在施工過程中可以通过管片拼装质量及管片的间隙来进行初步判断。但管片上浮很大一部分是在管片剪切浆液或土体时因浮力产生的，这就需要对管片的情况及时掌控，以便在后续二次注浆或是掘进施工中采取措施和调整参数。

通过实践表明，每日（24小时）掘进8～10环就必须进行一次管片姿态人工测量、盾构机姿态人工测量，这样能更好的合理设置盾构机的掘进姿态以及管片外二次注浆的要点和时间点。

3 结语

通过不断的实践和理论研究，管片上浮现象是不可避免的，但控制和调整的手段也越来越得到一线作业人员与管理者的关注。随着盾构施工越来越智能化、自动化，在管片上浮理论研究及控制方面仍旧需要人工不断的进行校正和调整，并将其得到更进一步的发展。

控制好管片上浮就必须根据不同地层选择不同浆液，做好精确测量、同步注浆、二次注浆的工作。在到达阶段，二次注浆的及时性不同于一般情况下的施工，应做到及时、可靠，达到预先控制的目的，提高管片成型后的质量，降低到达阶段的施工风险。

参考文献

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