大粒径、高强度富水砂卵石地层盾构管片上浮原因分析及控制技术
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【摘 要】成都地铁4号线二期工程（不含同步实施工程）线路全长17.578公里，分东、西延伸线两部分，其中东延线长6.683公里，西延线长10.859公里。出入场线长4.581公里，共设车站12座（东延线4座，西延线8座）、主变电所1座，文家车辆段扩容及西河停车场1座，B型车6辆编组（138辆）。依托成都地铁市政轨道交通盾构工程项目，对盾构掘进管片上浮原因进行分析，提出有效的解决方案。
【关键词】大粒径、高强度 富水 砂卵石 盾构 管片上浮 原因分析 控制技术
1 工程概况
成都地铁4号线二期工程土建2标地处成都市温江区，位于我国新华夏系第三沉降带之川西褶带的西南缘，界于江油～灌县区域性断裂带和龙泉山褶皱带之间，为一断陷盆地。卵石粒径最大值可以达到1m，单轴抗压强度65.5～184MPa，平均102.2MPa，极值为206MPa。在该层中还存在钙质胶结、半胶结的砾石层，硬度大，本标段光西盾构区间隧道所穿越的岩层以中密卵石土〈2-9-2〉、密实卵石土〈2-9-3>和密实卵石土〈3-8-3〉为主，砂卵石较为密实，所处地层透水性较好，除始发和到达端车站降水影响区域范围外，隧道全断面均处于地表水以下。
2 施工难点
（1）大粒径、高强度富水砂卵石盾构管片上浮的先决条件切实存在，盾构掘进过程中，上浮原因分析不当，关键工序控制不到位，极易造成管片上浮，导致隧道中线偏线事故发生。
（2）控制管片上浮是一项系统工程，而不是靠某一道工序就能“包治百病”的，只有将各种关键技术手段发挥到最优效果，才能从源头解决管片上浮问题。
3 研究意义
随着我国国民经济的迅猛发展，作为隧道施工核心技术的盾构法施工，更为广泛应用于市政地铁隧道施工。通过本课题的研究及实践，在特殊地质条件下，盾构掘进施工中找出控制管片上浮的关键原因，制定切实可行且经实践验证的解决方案，不仅对当前成都地铁4号线二期后续盾构法施工具有重要意义，而且也可以为今后国内外类似地质条件下盾构工程解决关键施工技术难题，都有着非常重要的意义。
4 管片上浮原因
4.1 环形空间
盾构机的切削刀盘直径D与隧道管片的外径d有一定的差值，当管片脱出盾尾后，管片与地层间存在一圆环形建筑空间。在大粒径、高强度富水砂卵石地层中盾构掘进，由于围岩自稳性差，应力释放快，导致环形空间在管片脱出盾尾时，即便是及时进行了同步注浆固结处理，但仍然有一定数量的砂卵石紧贴管片，形成地层架空，该架空填充了一定的建筑空间，其处于松散型态，不具备足以抵抗管片上浮的作用力，所以托出盾尾时的建筑空间是为管片上浮提供了必要的空间基础。
4.2 浮力作用
在中密卵石土〈2-9-2〉、密实卵石土〈2-9-3>和密实卵石土〈3-8-3〉地层中，水位为地面以下2米，隧道中心线平均埋深为17.4米，隧道外径6m，内径5.4m、刀盘直径6.28m，管片环宽为1.5m，以砂浆密度1500kg/m?为例计算结果如下：
浆液浮力F浮1=1500×9.8×（3?×π×1.5）=623KN
地下水浮力F浮2=1000×9.8×（3.14?×π×1.5）=455KN
管片自重： G=ρ×Vc=24×8.05=193.2KN
管片浮力随时间的曲线可以表诉如下：
F浮1>F浮2>G，所以浮力作用是引起管片上浮的主要源动力。
4.3 推力差作用
盾构机在掘进过程中的运动轨迹实际上是一条不规则的蛇形运动轨迹，始终围绕着隧道轴线作蛇形运动，要通过不断调整各分区油缸千斤顶的推力来让盾构机运动中不断趋近于隧道设计轴线。在盾构掘进中，由于盾构机自身重心位于前盾，盾构机自身重力方向线与管片提供的反作用力，在盾构机姿态平行于隧道中心线的情况下，盾构机存在一向前下的分力，将导致盾构机不断偏离隧道设计中线，正常情况下，盾构机掘进姿态保持盾尾略低于盾首；当盾构机姿态处于异常情况下，要加大下部千斤顶的推力以克服盾构机身的自重，导致管片底部受到的作用力大于顶部，管片环面上受力不均，加剧了管片上浮的趋势。
所以异常情况下，上下油缸推力差f的作用是引起管片上浮的另一主要原因。
4.4 掘进超方
盾构机在掘进过程中由于渣良差、地下水丰富和围岩遇水稳定性差等因素，导致掘进出土方量超出理论出土方量，在刀盘前方形成空腔或破坏了原有地层的自稳性，导致抑制管片上浮作用力降低或提供更大的上浮空间，非管片上浮的主要原因。
4.5 管片姿态测量滞后
管片托出盾尾后，管片的姿态呈现一定不稳定性，如果不能及时地跟踪托出盾尾后的管片姿态，及时地将管片姿态与盾构机姿态进行比对分析，就不能及时发现管片上浮的趋势和程度，不能采取行之有效地处置措施，将导致管片上浮境况的不断恶化，导致隧道中心线偏离设计中心线，进而导致质量事故的发生。
所以管片姿态测量滞后，是导致管片上浮的又一主要原因。
5 解决方案及关键技术
5.1 注浆控制
盾构掘进过程中洞内注浆可分为同步注浆和二次注浆两种，是填充地质环形空间和少量掘进超方最有效的手段，浆液初凝后，能够有效的填充环形空间，可以避免管片滞后上浮情况的发生。
5.5.1同步注浆
盾构掘进过程中应保障掘进施工与同步注浆工作一并进行，根据注浆能力适当调整掘进速度，确保二者相互匹，配同步注浆采用注浆压力和注浆量双控的措施，注浆时管片中心线以下的注浆点位，以填充为原则，压力不易过大，主要是为了避免管片下部因浆液填充不密实，导致管片在枯水时段，易出现管片下沉及其衍生事故发生；中心线以上的注浆点位点位注浆时，既要保障注浆量又要保障注浆压力达到要求，压力一般不得低于2.5bar，这样既能保障地层环形空间的有效填充，又能保障浆液在压力作用下，缩短浆液初凝时间，尽早提供控制管片上浮的作用力，进而约束管片上浮。
5.5.2二次注浆
二次注浆封堵可以采用单液、双液浆间歇交叉注入的方式，分多次、均匀、少量进行，以达到扩散填充和加固均匀有效，填充同步注浆未注浆饱满区域，以达到控制管片上浮的目的。
5.2 盾构掘进控制
在成都富水砂卵石地层不稳定、易坍塌，在掘进速度、出渣、地面沉降可控情况下，建议以小推力、大贯入度、适度转速和大扭矩为原则控制盾构掘进施工。
在密实砂卵石相对稳定地层中盾构掘进，对刀盘面板及刀具喷洒改良剂以到达减磨降温的目的，以加快掘进速度，减轻盾构各类设备的损耗。当渣良差时，刀盘、土仓很容易结泥饼，严重影响掘进施工出渣量控制，甚至威胁地面及周边建构筑物结构安全，根据隧道工程地质和水文地质条件、地表环境情况，应选用优质泡沫剂，辅以添加对应地层特性的化学试剂，使之成为密水性、流塑性与和易性良好的土仓承压介质。改良好的渣土在土仓中准确传递开挖面的水、土压力，实施土压平衡掘进，减小对地层的扰动，同时也可减小对刀盘、刀具和螺旋输送机的磨损。
5.3 管片姿态测量
测量管片前应确保联系测量成果的时效性，充分考虑管片上浮对控制点三维坐标成果的影响，控制点使用前必须对其稳定性进行检查和评估，且应使用联系测量成果中的点位作为测站点进行管片姿态测量。管片测量的频率应根据每日掘进的环数来确定，一般情况10环复测一次，当管片姿态超限时，应每环进行管片姿态测量。每次测量搬站时对数据输入前后结果必须进行检查复核，搬站前后的坐标成果需要进行比对，确保盾构机导向系统与管片测量系统之间偏差在可控范围内。当坐标较差值超限时，应查明原因后，方可恢复掘进施工。
6 研究成果
通过工程实践，对盾构掘进管片上浮的原因分析和控制措施关键技术的研究和归纳总结，提出了合理的施工方案、质量控制方法和控制要点，形成了一套高效的施工技术体系，确保盾构掘进这项系统性工程能够围绕控制管片上浮开展各项相关工作，保证了盾构法掘进工程施工的质量和安全。
7 结语
本次课题研究技术已经在成都地铁4号线二期工程西沿线盾构法施工中得到大规模应用，确保了盾构施工安全、优质和高效地完成，应用效果良好，取得了良好的经济、社会效益，具有广泛的推广应用价值。
作者简介：鲍明星（1980―），男，四川成都人，大学，工程师，中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，多年从事水利水电工程施工、地基与基础工程施工技术及管理工作；李 翔（1983―），男，四川成都人，大学，工程师，中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，多年从事水利水电工程施工、地基与基础工程施工技术及管理工作。