盾构施工管片上浮分析与控制的研究

　　摘要：盾构施工中的管片上浮幅度控制是确保隧道线型符合设计要求的关键，本文结合沈阳地铁一号线施工管片上浮控制的工程实例，从盾构工法特性、同步注浆工艺、盾构姿态控制等方面着手，对盾构施工中管片上浮的原因进行了分析研究，并提出了相应的控制措施。
　　关键词：盾构施工，管片上浮，分析，控制
　　1前言
　　管片上浮是指管片脱离盾尾后产生向上运动的现象。在盾构施工中，管片上浮情况时有发生，它受盾构工程地质及水文地质条件、盾构工法特性、同步注浆工艺、盾构姿态控制及线路走向等因素影响。管片上浮一是可造成盾构隧道的“侵限”，二是在管片的端面产生剪切应力，造成管片的错台、开裂、破损和漏水，降低管片结构的抗压强度和抗渗能力。因此，盾构隧道管片上浮控制是确保隧道质量重要环节。
　　2管片上浮的环境特征
　　2.1从地层地质情况来看，管片上浮在软土、沙砾层、硬岩地段的施工中均有发生，且地层越硬上浮情况越严重。其次，在上软下硬地层中引起的管片上浮较严重。
　　2.2从线路特征来看，在变坡点，尤其是在竖曲线的最低点，管片上浮比较严重。
　　2.3从管片上浮影响范围来看，一般是10～15环连续出现上浮情况。
　　2.4从管片上浮的速率和快慢来考虑，在脱出盾尾后24h内，数值一般可以达到稳定值的2/3,随后管片上浮速度有所减慢，在24～48h上浮值为稳定值的1/4～1/3,在48h后管片基本稳定。
　　3管片上浮的因素分析
　　3.1盾构工法特性的影响
　　为保证盾构的顺利前行和盾尾刚性结构强度需求，盾构机的切削直径与隧道管片的外径有一定的差值，形成环形空间。当管片脱出盾尾后，如果不及时进行同步注浆填充此空间，脱出盾尾的管片便处于无约束的状态，给管片的上浮提供了可能的条件。
　　盾构隧道是空心的筒体，在混凝土自重作用下有下沉的趋势，但在全断面地下水压力作用下，防水性能优良的管片隧道则有上浮的趋势。以盾构隧道外径6.0m、内径5.4m、宽1.2m的管片为例(砼比重ρ取2400kg/m3)：
　　管片混凝土自重G=ρ×g×v=2400×9.8×6.45≈151(kN)
　　水浮力F=ρw×g×vw=1000×9.8×36.2≈333(kN)
　　可见管片混凝土自重G小于水浮力F，而拱顶土体施压在管片结构上需要时间，这就解释了在拼装管片初期为何隧道上浮较快的原因。
　　3.2注浆工艺
　　理论上讲，浆液100％充填环形空间即可。由于浆液失水固结、盾构推进时超挖、部分浆液劈裂到周围地层，导致实际注浆量要超过理论注浆量。按照以往工程经验，实际注浆量应达到理论空隙量的150%～200%。如果同步注浆不饱满，使管片外侧与土层之间的空间没有被浆液完全充填密实，尤其是隧道拱顶部分，就给管片提供了上浮的空间。
　　3.3盾构机姿态
　　盾构机在掘进过程中实际上是一条蛇形的运动轨迹，要通过不断纠偏调整来使其逐渐靠近隧道设计轴线。纠偏的过程使得管片环面受力不均，加剧了管片径向不稳定的趋势，特别是在竖曲下坡点处，盾构机油缸推力将在设计轴线法线上产生一个向上的分力，此分力会对管片的上浮产生很大的影响。
　　3.4其它影响因素
　　包括管片螺栓不紧固，未形成整体；测量不及时，措施滞后；管片选型不对等。总之，管片上浮并不是只由某个因素独立产生的，而是多因素共同作用的结果。
　　4管片上浮后的处理
　　管片上浮后要想调整下来是极为困难的。一般可尝试在隧道底部打开注浆孔泄压，释放管片底部的有压水和未凝固的砂浆，但此方法效果并不理想。一旦发现管片过量上浮，必须立即停止盾构掘进，对已上浮的管片进行二次注浆固定。
　　5控制管片上浮的措施
　　5.1选择适当的注浆浆液和方法
　　管片上浮趋势是在盾构施工富含水地层中普遍存在的，只要管片浸泡在盾构机掘进形成的圆形孔道内的“液体”之中，管片就永远存在上浮的趋势。要消除管片这一上浮趋势，就必须使管片脱出盾尾后，立即受到其它介质的约束。一般情况下，由于管片螺栓等的限制，在出盾尾2～3环的长度内，管片仍会受到盾尾的约束，此时仅有上浮的趋势但不会自由上浮。在这一段时间内如及时向环形空间注入初凝时间极短的浆液，可以较好固定管片。双液浆同步注浆在性能上最能满足控制管片上浮的目的，但其有施工过程中有易堵管、成本高等缺点，一般施工单位很难接受此工艺。因此，施工中应灵活掌握注浆方案的选择，在本工程施工中我们同步注浆在线型平直上浮量小的区域采用惰性浆液，在线型复杂区域采用单液硬性浆液，同时，依据不同地质、水文、隧道埋深等情况的变化而不断调整浆液性能，以控制地表的沉降和保证管片的稳定。在出现管片上浮较大区域，采用硬性浆液同步注浆加盾尾后5～10环二次注双液浆的方案，既较好的控制了管片的上浮又避免盾尾注浆管路时常堵塞的现象发生。
　　5.2控制掘进速度
　　如果同步注浆过程中浆液不能达到及时有效地固结和稳定管片的条件时，应适当控制盾构掘进速度，一般以缓推为宜，推进速度不大于3cm/min。
　　5.3控制盾构机姿态
　　在掘进过程中必须要控制好盾构机的姿态，尽可能地使其沿隧道轴线作小量的蛇形运动。发现偏差时应逐步纠正，避免突然纠偏和大幅度纠偏，以免人为造成管片环面受力严重不均。在施工中应重点控制小半径曲线和变坡点前后的操作，一要合理调整各区域千斤顶油压，油压差不宜过大，控制区域油压差小于5Mpa，伸出长度差小于12cm为宜；二要跟踪测量管片法面的变化，及时利用转弯环管片调整纠偏。
　　5.4合理控制盾构机推进高程
　　在盾构推进过程中，根据测量的管片上浮数据，适当降低盾构机推进轴线高程，以此来抵消管片后期的上浮量，保证隧道形成后不至于超限。
　　
　　参考文献：
　　[1]朱伟，盾构标准规范（盾构篇）及解说，日本土木协会编，北京：中国建筑工业出版社，2001

《盾构施工管片上浮分析与控制的研究》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 盾构施工管片上浮分析与控制的研究

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-12720