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1、广东建材2009年第6期 施工技术 浅谈盾构隧道施工管片上浮的控制 梁永钊鞠世健 (广州轨道交通建设监理有限公司) 摘 要：本文对盾构隧道管片出现连续上浮的问题，进行了原理分析和技术讨论，并针对广州地铁 三号线盾构施工管片上浮的控制措施，提出了相关建议。以供类似从事盾构施工的广大技术人员参考 与探讨。 关键词：盾构施工；富水地层；管片上浮；掘进参数控制；同步注浆：预防措施 1概况 本文主要以广州轨道交通三号线地铁隧道施工过 程所出现的管片上浮范例展开讨论，其中着重以区间地 层微海陆交互积平原的区问地质作为特例，该类地质主 要以砂层厚，基岩裂隙发育为主要特征，实际施工过程， 区间水量丰富，并普遍
2、受珠江水系制约影响，均较具有 代表性。 11地铁隧道工程概况 广州地铁工程的盾构隧道区间采取圆形双线盾构 施工，隧道净空为5400mm，区间采用钢筋混凝土预制管 片，管片宽度为1500ram，厚度为300ram，采用5+1方式拼 装。 12大塘站一沥涪站盾构区间工程地质概况 该工程线路长2430079m，采用两台德国海瑞克公 司复合式盾构机施工，隧道最小覆土厚度为6m，最大覆 土厚度为27m，洞身穿越的地质情况为：淤泥质 砂，冲一洪积中、细砂层，粉质粘土， 淤泥质粘土，可塑状或稍密状残积土，硬塑 或中密状残积土，全风化泥质粉砂岩、泥岩，强 风泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩，总等风化泥质粉 砂岩、
3、粉砂岩泥岩，微风化泥质粉砂岩。通过现场地 质钻孔取芯岩石试验，地层单轴极限抗压强度在 831MPa，平均单轴极限抗压强度在16OMPa左右。 实际施工中，在左、右线隧道内分别出现管片上浮 并具有代表性区段，根据对当时盾构机在掘进过程对渣 样的分析统计，结合原设计的地质钻探资料，出现上浮 的管片所处地质情况统计如表1所示。 该段线路间距约为18m，根据该区间岩土工程勘查 报告所作的钻孔显示，左、右线隧道岩层基本相似，并且 变化不大。 13水文地质 地下水分为第四系孔隙水及基岩裂隙水两种类型， 第四系孔隙水主要赋存于淤泥质砂及冲洪积沙层中，为 饱水层，水量丰富，主要由大气降水及河、涌、珠江水系 补
4、给。基岩裂隙水主要赋存于基岩强风化、中等风化岩 层时，根据施工现场洞内排水量的估算，昼夜涌水量在 500800m。，属强透水层。 2工程中管片上浮情况 该区间左线盾构机较右线盾构机先进行始发掘进 一个月，但由于左线盾构机掘进过程中由于地表出现坍 塌停顿，右线盾构机先进入该区段，故右线隧道内管片 先出现上浮现象。 2003年1O月30日上午，右线盾构机正掘进405 环管片，管片姿态测量成果显示后续管片第一次出现严 重的上浮超限现象。2003年l2月15日左线盾构机通 过该区时亦管片严重上浮超限情况。以右线R386 R405和左线R353R368为例，出现上浮管片的上浮量 统计见表2。 从表2中数
5、据显示，左、右线隧道施工过程中，在相 近的地层区段中发生管片上浮情况均类似，并出现上浮 趋势较大、管片连续上浮的共性。本次取例的管片主要 为上浮至超限位置管片区段，上浮趋势呈曲线形式发 展，但并不是单纯一单峰值形式出现，在为及时处理或 表2左、右线隧道管片超限情况统计 (单位：mm) llO月 右线 环号 386 387 388 389 390 39l 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402I 403 404 405 3O日 竖向偏移值 91 104 114 114 114 116 l22 125 129 136 137 140 141 139
6、l39 133 129 I 111 103 78 l2月 左线 环号 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 15日 竖向偏移值 98 1Ol 107 l10 114 1l1 l1O 1O7 105 108 l10 1l2 1l4 114 l17 108 87 施工技术 广东建材2009年第6期 表1大塘一沥活区间左、右线管片 出现上浮区段的洞身断面内地质情况统计 线路 环号 地层 特征 岩性分析 353 强风化带岩、 坚硬似土状， 左线 全风化带岩 局部为碎石状， 自稳性较好，自 369 稳性时间不长 微
7、中透水 386 中等风化泥质 岩质较坚硬，基 自稳性较好 右线 粉砂岩、粉砂质泥岩 强透水 405 岩裂隙水发育， 采取处理措施不当未能抑制上浮继续发生的情况下，上 浮趋势会呈连续波浪形式发展，左线隧道管片侵限量虽 比右线隧道少，但由于虽发现后采取措施处理，但未能 抑制上浮趋势，而导致出现波浪形式变化。 3隧道管片上浮现象及原因分析 31管片上浮现象 自盾构掘进起，由于是隧道穿越中风化、 微风化岩层，基岩裂隙水发育的地段隧道管片均会出现 由于管片上浮而造成不同程度的环、纵缝错台现象。尤 其是纵缝错台较为普遍，错台量有时会达到3050mm， 大大超过规范规定的误差值。严重的管片错台会导致相 邻管
8、片出现应力集中而开裂、破损，直接影响管片质量 和使用寿命。 而最大的问题是，管片上浮会直接导致管片中心位 移偏差，按现行广州市轨道交通施工规范要求，对盾构 隧道管片位移的规范要求为lOOmm，而管片的严重上 浮往往高程偏移峰值会达到l30140ram。 32管片上浮的外部空间条件 该工程所选用的海瑞克盾构机刀盘开挖直径为 6280mm，盾尾外径6230mm，管片外径为6000mm，盾构在 掘进过程中，盾构通过铰接由中体拖动向前移动，所以 盾尾上部的外壳与围岩约有50mm的间隙，而下部盾尾 外壳与围岩的间隙为零。在盾构机的结构设计上，管片 与盾尾的设计间隙量为D=75mm(35mm+40mm)，
9、所以管 片与围岩的理论间隙量为： L上=165mm，L下=115，L左=140mm，L右=140mm。 如图1所示。 就工程地质方面，在隧道穿越白稳性较好的中 风化层、微风化地层时，由于自稳性好的围岩开挖 后的拱效应作用，管片背后的建筑空隙是一直存在的。 只要此间隙未能及时被同步注浆所封闭并具有一定的 强度，管片脱出盾尾后就有位移错台的外部空间条件。 但在软弱地层中，由于围岩的自稳性差，管片脱出盾尾 一88一 j 。 管l 片 盾 尾刷 I 厂 图1盾构机掘进时与围岩间隙示意图 后，管片背后的建筑孔隙立即被变形沉降的土体所填充 并约束管片。 隧道所在围岩自稳性较好，如、号地层中， 在围岩拱效应
10、作用下，管片背后与围岩间的间隙相对稳 定，而在围岩白稳性的情况下，由于隧道开挖过程中，刀 盘在土体间剪切错动，围岩应力释放，管片背后的建筑 空隙立即被变形沉降的土体所填充而减少，故管环在浮 力的作用下发生竖向上浮量在自稳性较好的地层中明 显较在围岩自稳性较差地层(、号地层)大，如右 线隧道386405环管片上浮量可达141mm(见表2)。 33管片出现严重上浮原因分析 但问题关键就在这里，左、右线盾构机通过出现管 片上浮区段的岩层主要为、层，为何仍会出 现如此严重的上浮现象?本人对此有如下的几点见解： 331千斤顶分区油缸推力分部不均 根据地质勘察报告及实际施工中渣样分析，在出现 管片上浮区段
11、，隧道开挖断面内岩土软硬不均，左、右线 盾构机当时均在上软下硬的地层中掘进，端口掘进过程 中既要克服下部硬岩阻力，需加大底部C区千斤顶推 力，同时，盾构机整体重约350T，总量主要集中在刀盘 和前体上，尤其是在软弱地层中掘进，盾构机姿态极易 发生整体姿态现下的现象，即“栽头”现象。盾构栽掘进 过程中，其姿态也要求有向上的趋势。因此，在操作要求 上应加大底部C区千斤顶推力，这样就形成了上部A区 千斤顶和下部C区千斤顶的推力差。 由于千斤顶分区油缸的压力差，管片受到偏心压 力，在已安装的环面上受到一力矩Mx的作用，如图2所 示。压力差越大，力矩值越大。力矩值越大管环与管环间 竖直方向的剪力越大，但
12、环面间的摩阻力小于因力矩作 用产生剪力，导致管片出现错台的情况。 综合先前施工经验，在推进时推进千斤顶上下部压 力差应尽可能小，避免过大的推力差使管片发生偏移现 象，从而减弱管片的自稳性。通过施工数据显示，当盾构 广东建材2009年第6期 施工技术 盛捌 I ) 心 、 盾 参 f 睦详 。 Lx G 图2管片偏心受压产生弯矩 机推进千斤顶上下部压力差达100Bar，管片向上位移 现象明显。在施工过程中，宜将上下千斤顶压力差控制 在80Bar内，而当时根据现场施工记录，在掘进过程中 经常出现压力差超过100Bar的情况。 一般情况下为保持盾构机的姿态平稳，在盾构推进 过程中，C区情景顶油缸压力
13、应大于A区千斤顶油缸压 力才能使得盾构机部“栽头”，并保持一直具有向上的趋 势。随着每环的推进千斤顶油缸不断的伸长，图5中的 L 不断的增大，Mx也不断的增大。这样，在掘进过程中， 管环间的剪力是随着掘进而增大的。经长期施工观察， 在硬岩含水层，当同步注浆量不足，同步注浆浆液初凝 时间较长的情况下，盾构顶进千斤顶顶伸至1300mm左 右时，刚脱出盾尾的那环管片高程方向的千斤顶推力， 因为B、D区的千斤顶推力，因为B、D区千斤顶沿水平中 性轴成轴对称，B、D区推力竖向不产生力矩，加大B、D 区千斤顶推力就加大管环间摩擦力，抵抗剪力防止管环 问的错台。 332地下水浮力和同步注浆液的作用 本人推论
14、盾构机无论在中风化、微风化岩 层中又或者在全风化、强风化岩层中掘进，地 下水对管片管片时候会产生上浮起着关键性作用。 由于广9 Il地区的地下水比较丰富，根据区间地质勘 查报告显示，地下水主要赋存有两种：一为第四系孔隙 水，主要赋存于中粗砂层中，由大气降水和珠江水系 补给；二为基岩裂隙水，主要赋于强风化、中风化泥岩 中，裂隙发育，属中强透水层，而左、右线隧道管片出 现严重上浮区段正处于强风化和中风化层中，地下水较 为丰富，并水头压力随着地层的加深而增大。 本人认为在基岩裂隙发育、地下水丰富地段，注入 衬背同步注浆的浆液长期被地下水稀释不能在短时间 内凝固，更严重可认为，连续掘进数环、甚至数十环
15、所注 入的同步注浆基本已被有压地下水冲刷至不能正常凝 固，甚至被冲刷无踪，因此而形成道带压水通道。并且 水压随着隧道的深入而不断增加，整个上浮管环可视为 浸泡在地下水和浆液的混合物之中，当管环脱出盾尾后 就立即受到浮力的作用。以一环管环为单元计算，管环 排开水的总量为：F浮=pV排=10 X 103 X n X I5 X 302=424t，而1环管片重量约为20t，所以i环管片 受到向上的作用力为224t，就以左线隧道出现上浮 (353369)16环管片为例，该l6环管片所承受的连续 浮力为：16X 224t=3584t，如此的浮力足以令连续l6 管环产生上浮。 333盾构机蛇形产生运动 由于
16、盾构机在掘进过程中始终是沿隧道轴线做空 间连续的蛇形运动，为避免过大的蛇形运动量，在盾尾 间隙允许的条件下，必须选用一定的楔形环或转弯环来 调节盾尾间隙和调整推进千斤顶的行程差，以免盾尾与 缓缓的问隙过小，盾尾钢板挤压管环导致管片破损。当 选用弯环调节上、下部位的盾尾间隙时，必使得与之相 接触的上一环管环法线在竖向存在夹角，在推力作用下 将产生管环间的竖向分力，相邻管环间环面将产生剪 力，易造成管片环缝竖向错台，并导致管片间应力释放， 其受力情况如图3所示。 图3管片姿态蛇行受力图 在出现连续上浮区段，左右线盾构机掘进时姿态控 制较差，从盾构机上的VMT测量计算机上显示当时盾构 机掘进时，水平及垂直控制均存在较严重蛇行情况，故 根据本人分析，盾构机姿态及管片的选型对管片ajrtA 浮亦起明显控制作用。 334控制隧道上浮的建议 (1)盾构机管片选型 在推进千斤顶形行程差较小的情况下，解决的办法 是多用直环调节竖向盾尾间隙，采用直环在拼装时整环 朝盾尾间隙大
