浅析盾构掘进中隧道管片上浮的原因及控制
李 伟
( 中铁十一局集团城轨公司 )
摘 要：盾构掘进过程中的隧道管片位移控制是确保隧道线型符合设计要求和确保隧道建筑限界的关键，本文结合广州市轨道交通六号线某区间管片上浮的工程实例，从地质条件、衬背注浆、盾构姿态入手三个方面对盾构掘进过程中管片上浮的原因进行了分析研究，并提出了控制措施。
关键词：盾构隧道 管片位移 分析 控制
1 前言
盾构隧道管片位移控制是确保隧道线型符合设计要求、满足隧道建筑限界的关键,在盾构掘进过程中，隧道管片位移多数情况下表现为管片上浮，主要受到工程地质、水文地质、衬背注浆质量、盾构姿态控制等方面的影响。
从管片上浮发生的工程事例来看，在富含水的硬岩地段的盾构隧道中,均有此现象发生，只是位移值的大小不同。位移严重者不得不通过调整线路来解决问题。《GB50299-1999地下铁道工程施工验收规范》规定：管片拼装后，隧道轴线的高程和水平位移不得超过±50 mm。
广州市轨道交通三号线盾构隧道内径为5400mm，比《BG50157 - 92 地下铁道设计规范》规定的圆形隧道限界(Φ5 200mm) 放大了200mm。也就是说，从最不利的情况看，隧道轴线的高程和水平位移可放宽至±100 mm。
隧道管片发生的位移主要分为：施工阶段位移和地铁运营后的后期位移。后期影响管片位移的主要因素是：由于隧道附近的其他工程施工采取大量降水措施造成土体固结位移;深基坑施工造成土体位移；隧道本身大量渗水造成水土流失、土体固结沉降等。
本文结合广州市轨道交通六号线某区间管片上浮的工程实例，从地质条件、管片注浆、盾构姿态三个方面,重点对盾构掘进过程中管片产生位移(主要是上浮) 的现象以及实施的措施及效果进行分析研究。
2 管片上浮情况统计
盾构掘进过程中,对管片姿态的监测频率为每日一次。2008年8月26日，某
区间右线盾构掘进完成第530 环后,发现已安装的管片在近日内向上垂直位移严重,其统计数据见表1 。
从统计数据可以看出，某区间右线盾构隧道514～526环管片发生垂直向上位移，在8月25～26日一天的时间内，最大上浮量为101 mm,管片轴线高程位移量为132 mm，严重超限。
表1 管片位移值及上浮值统计数据
Table 1 Statistics of segment displacements and upward moving
环号 8月25日位移91 值/ mm 8月26日位移100 110 110 112 118 119 125 130 130 132 130 129 128 值/ mm 上浮值/ mm 9 20 17 30 36 42 51 68 73 81 94 101 94 90 83 82 82 77 74 62 57 51 36 28 34 514 515 516 517 518 519 520 521 522 523 524 525 526 通过测量,发现管片上浮后立即停止盾构掘进,次日再次对已上浮的管片进行姿态监测,由于未掘进,管片上浮值无变化。
3 管片上浮的因素分析
3. 1 管片上浮的外部条件
(1) 衬背环形建筑空间
盾构机的切削刀盘直径D与隧道衬砌管片的外径d有一定的差值，即△D = D-d 。由于盾构掘进过程中的蛇形运动，会产生超挖和理论间隙，管片与地层间存在一环形建筑空间。在软岩地层中，当管片脱出盾尾后，如果不及时进行同步注浆填充环形建筑空间，拱顶围岩便有可能产生变形引起地表过量沉降，但这种变形消除了隧道管片与围岩间的建筑空间，有利于即时约束管片上浮的趋势。但在硬岩地层中，管片脱出盾尾后，由于其岩层的稳定性，环形建筑空间在相对长的时间内是稳定的，如不及时充填此空间，脱出盾尾的管片便处于无约束的状态，给管片的位移提供了可能的条件。
(2) 过量超挖
无论是矿山法还是盾构法隧道施工，都必须随着隧道的掘进准确地掌握工程地质与水文地质条件的变化，通过对地质信息的反馈及时修正施工方法。盾构法
隧道地质的变化更需要准确地判断，其目的是：决定刀具的适应性；控制和调整盾构机的掘进参数；控制盾构隧道管片的变形和位移。在均质连续的地层中掘进，盾构机刀盘所承受前方开挖面的掘进阻力是均匀的， (包括均匀作用在面板上的水平阻力和面板上的扭矩)，这时候盾构机的掘进是连续均衡的，掘进参数也保持相对不变，盾构姿态沿轴线的控制也较容易。
广州地区地质总的特点是：岩性变化大，地层层面起伏大，且在隧道横断面方向也有起伏变化。实际上,在隧道内就形成了上下左右岩性不一、软硬不均的一个开挖面，这对于采用盾构法施工的隧道来说，无论是刀具的适应性还是掘进参数的确定和调整以及隧道管片位移的控制都是极为不利的。
隧道断面内岩层“上软下硬”的情况在广州复杂地质条件下是常见的。隧道断面内岩层起伏较大，同一隧道断面内出现< 7 > 、< 8 > 、< 9 > 号地层。由于断面内岩层软弱不均，必然造成盾构在掘进过程中过量的蛇形运动，扩大管片与围岩间的建筑空间；同时，下部地层硬，刀盘受到的阻力大于上部，刀盘转动切削土体过程中，极易造成上部相对软弱的土层过量切削甚至坍方，也会扩大管片与围岩间的建筑空间。这些过量蛇形和过量超挖形成的空间为管片位移提供了又一可能的条件。
3. 2 管片上浮的内在原因
前面分析到管片与围岩间的建筑空间是造成管片位移的一个外部条件，而引起管片上浮还有下述几方面内在原因：
(1) 地质情况
广州地区地下水赋存有两种情况：一是第四系孔隙水，主要赋存于中～粗砂层中，由大气降水和珠江水系补给；二是基岩裂隙水，主要赋存于强风化、中风化泥岩之中，裂隙发育，渗透系数大( K = 3～5 m/ d)，属中～强透水层。显然，在透水地层中盾构掘进形成的环形建筑空间在充满水(或浆液) 初凝时间很长的情况下,管片有上浮的趋势。
假定隧道管片全部浸泡在盾构掘进形成的“圆形坑道”之中，管片四周充满了水(或未凝固的浆液)、那么管片受到的浮力是多少呢？以广州市轨道交通六号线管片设计参数计算为例,管片外径D =6000mm，厚300mm，宽1500mm，则：一环管片自重G = 192 kN (按每环管片混凝土体积为8 m3计算) ，一环管片所受
浮力F = 424 KN (每环管片排开水的体积为42. 4 m3) 。F > G，即管片所受到的浮力大于管片本身的自重。可见，隧道管片在全断面地下水(或未凝固的浆液) 的工况条件下，隧道管片本身就有上浮的趋势。
(2) 衬背注浆工艺及浆液质量
衬背注浆的目的基于三个方面的考虑：一是防止地层变形(主要是浅埋软弱土层中的地表沉降)；二是确保管片的稳定(管片位移) 和受力均匀；三是提高隧道的抗渗性。要达到这三个方面的要求,衬背注浆浆液的性能要求应满足： ①必须具有充填性；②应具有一定的和易性且离析少；③应及早凝固(理论上讲越快越好,但初凝时间太短容易造成注浆管堵塞)，且应有一定的早期强度，以抵抗围岩变形对管片产生的不均匀压力。同时,浆液硬化后的体积收缩率要小，以便更好地固定管片；④应有合适的稠度，以便不被地下水稀释。
从衬背注浆的目的和对浆液的性能要求上分析，及时填充固结管片背后环形建筑空间是解决管片位移的关键。
某区间在含水硬岩地层的盾构掘进中,采用水泥砂浆通过盾尾安装的四条注浆管路进行同步注浆,填充衬背环形建筑空间,其浆液配合比见表2。
表2 某区间在含水地层中采用的单液硬性浆液配合比
Table 2 Mixing ratio of a grout adopted ona section of water - contained ground 材料 用量/ kg 水泥 80 砂 600 粉煤灰 440 膨润土 40 水 500 注:表中数据为每m3水泥砂浆的材料用量,初凝时间> 4 h.
由于本段地层属于强风化、中风化粉砂质泥岩、基岩裂隙水极为发育，渗透系数大( K = 3～5 m/ d) 。盾构掘进时，排出的碴土呈流塑状并时常发生喷涌。这个现象充分说明，此段地层是高富水地层。
从盾构机掘进到管片脱出盾尾后的工况分析来看，隧道管片在一定长度范围内就象两端固定的弹簧梁，一端受到盾尾的约束不能上浮，另一端受到已凝固水泥砂浆固体的约束也不能上浮。这时，如果管片脱出盾尾后(一般情况2～3 环) ,同步注浆的浆液不能达到初凝和一定的早期强度，隧道管片仍然可视为浸泡在液体之中，在浮力的作用下必然会产生上浮现象。
在上述浆液配合比的情况下,其初凝时间大于24小时，显然是初凝时间太长，
不足以在管片脱出盾尾后2～3 环的时间内将管片固结来阻止其上浮。同时，在这样的富水硬岩地层中，浆液极可能被汇积于管片四周的水稀释，成浆液离析、沉淀甚至不凝固，从而进一步恶化管片稳定的环境。
从注浆工艺方面分析，一是注浆量不足：从盾构隧道施工的统计数据来看，实际注浆量应达到理论建筑空间的空隙量的150%～200%(这一要求已写进日本土木学会《隧道标准(盾构篇) 及解说》中) 。该区间盾构开挖断面积扣除管片外径面积后，每一环(环宽1. 5m) 的理论空隙量为4.05 m3 。通过现场统计，实际注浆中每环拌制的浆液为5. 00m3 ，加之运输和管道输送、压注过程中的损失，进入衬背环形建筑空间的浆液量远远小于所要求的浆液量(6.00m3～8.00 m3)，管片与围岩间的建筑空间没有被浆液完全充填密实,尤其是隧道拱顶部分，这也给管片提供了上浮的空间。二是注浆压力不足：从理论上分析，盾尾注浆孔口的注浆压力应大于隧道深埋处的水土压力，一般情况下实际注浆压力应大于计算的理论注浆压力(0.2kg/ cm2)，但现场对注浆压力的管理和控制随意性较大，不能实现同步注浆过程，即浆液挤排水和充填空隙的同步过程。
(3) 盾构机姿态
盾构机在掘进过程中的运动轨迹实际上是一条蛇形运动轨迹，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逐渐靠近隧道设计轴线。图1是盾构机推进千斤顶的分区示意图。
图1 盾构机推进千斤顶分区示意 Fig. 1 Distribution of pushing jacks on a shield
前面已经介绍过，本段地层岩面起伏大,隧道断面内“上软下硬”现象普遍
存在。在盾构掘进中，由于下部地层硬,需对千斤顶的推力进行分区操作,适当加大下部C 区千斤顶的推力，以克服下部硬地层的阻力。在盾构偏离隧道轴线后应进行纠偏，当盾构机偏离隧道中心线以下时，为纠正其运动轨迹不断靠近理论轴线, 亦要加大下部C 区千斤顶的推力。在隧道轴线由下坡改变为上坡或由急下坡改变为缓下坡时，亦需要加大下部C 区千斤顶的推力，循序渐进地改变盾构机的运动轨迹，以满足设计线路的需要。某区间右线盾构隧道388～402 环管片上浮段线路纵坡为26.5‰，变坡为15.0 ‰，处于曲线上,理应通过加大下部C 区油缸千斤顶的推力来调整盾构机的姿态。加之此段地层在隧道断面内为“上软下硬”，也理应加大下部C 区油缸千斤顶的推力。查此段掘进记录，上下区( A 区、C 区) 油缸千斤顶最大油压差为30MPa，换算推力差为70 t，这样，管片底部受到大于上部70 t的作用力，管片环面上受力不均，也加剧了管片上浮的趋势。
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水泥砂浆，但此方法效果并不理想。一旦发现管片上浮，必须立即停止盾构掘进，对已上浮的管片通过注浆孔进行二次注浆。注浆材料以瞬凝双液浆为最好，注浆压注顺序应顺着隧道坡度方向，从隧道拱顶至两腰，最后压注拱底。终止注浆以打开拱底注浆孔无渗水为条件，以防止盾构恢复掘进后管片继续上浮。
对于上浮段长、上浮量大、超限严重的隧道，必须进行调坡调线来满足隧道限界的要求。
5 控制管片上浮的措施
(1) 选择适当的注浆方法
按照隧道管片在含水地层中如同两端固定的弹簧梁的假定，只要管片浸泡在盾构机掘进形成的“圆形坑道”内的“液体”之中，管片就永远存在上浮的趋势。要消除管片上浮这一趋势，就必须使管片脱出盾尾后，不再受到盾尾约束的同时受到其它介质的约束。一般情况下,由于管片与管片间的纵环缝由20根M24弯螺栓刚性连结,在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。在这一时间段内应及时向环形建筑空间注入初凝时间极短
的浆液，以固定管片。目前，从同步注浆的浆液特点来分，国内主要采用三种浆液,其类型和特点见表3。在硬岩含水地层中，就解决管片上浮问题来看，同步注浆实质上是注浆稳定管片与管片上浮在时间上的竞赛。那么，在浆液性能上的选择唯有双液瞬凝性浆液(一般称为水泥—水玻璃双液浆) 和同步注浆工艺能彻底解决管片上浮的问题。
据统计资料，日本国内采用瞬凝性浆液比例占各种浆液总和的40. 5 % ,而采用水泥砂浆的比例仅为各种浆液总数的18. 8%。瞬凝性浆液将是盾构隧道衬背注浆的主流，而水泥砂浆的采用将会逐步减少。日本青木公司承担的广州地铁一号线黄沙—烈士陵园区间盾构掘进,采用双液瞬凝浆液，初凝时间最短为s6s，全段隧道管片出现上浮的情况极少，最大值也只有9 mm。二号线某区间衬背注浆通过管片注浆孔注入双液浆，也未发现有管片上浮现象。
由于双液浆在同步注浆过程中有易堵管的缺点，大多数施工单位不太接受此 工艺，为避免盾尾注浆管路时常堵塞的现象，也可选择对管片注浆孔进行即时注
表3 常用浆液的特性比较
Table 3 Comparison of the characteristics of adopted grouting liquids 浆液名称(材单液惰性浆液(砂、粉单液硬性浆液(水泥、料) 煤灰、膨润土) 浆液性能 初凝时间 早期强度 性 充填性 和易性 堵管问题 无 无 易流失 好 好控制 基本不堵管 可根据需要调整 可根据需要调整 不易流失 较好 一般 时有发生 数秒内可初凝 很快 不流失 较好 一般 易堵管 砂、粉煤灰) 煤灰) 泥、水玻璃、砂、粉双液瞬凝性浆液(水
浆，即管片脱出盾尾后采用人工对A 1 、A 2 、A 3 、B 、C五块管片进行即时注浆。浆液可选择双液浆也可选择稠度较大、初凝时间短、早期强度高的单液硬性浆液。
(2) 选择适当的注浆系统
在盾构机选型时，选择具有注入双液浆功能的注浆系统，通过设备的先进性来解决管片上浮问题。
(3) 选择适当的浆液性能
在硬岩含水地层中为防止管片上浮，无论是采用单液硬性浆液还是双液浆液，衬背注浆都是一场与管片位移在时间上的竞赛。所以，在浆液性能的选择上应保证浆液的充填性、初凝时间与早期强度以及限定范围防止流失(浆液的稠度) 的有机结合，才能使隧道管片与围岩共同作用形成一体化的构筑物。某区间管片上浮后重新调整的浆液配合比见表4 。
采用调整后的浆液，管片上浮趋势得到了扼制。许多施工实践证明,盾构隧道衬背注浆的浆液配比应进行动态管理，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。
表4 改进后的单液硬性浆液配合比 Table 4 Mixing ratio of an improved grout
材料 水泥 砂 粉煤灰 膨润土 水 早强减水剂 用量/ kg 160 780 350 40 390 8.5 注:表中数据为每m3 水泥砂浆的材料用量,初凝时间> 6 h.
采用调整后的浆液，管片上浮趋势得到了扼制。许多施工实践证明，盾构隧道衬背注浆的浆液配比应进行动态管理，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。
(4) 控制盾构机姿态
盾构机过量的蛇形运动必然造成频繁的纠偏，纠偏的过程就是管片环面受力不均的过程。所以要求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。按规范要求，盾构掘进中轴线的平面位置和高程其允许偏差为±50 mm。发现偏差时应逐步纠正，不得过急过猛地纠正偏差，以免人为造成管片环面受力严重不均。实践证明,分区油缸千斤顶的压力差不宜超过30 MPa 。
(5) 控制掘进速度
据统计,广州市轨道交通三号线发生管片上浮地段多数处于隧道下坡或变坡
点位置，且地层属于硬岩含水地层。因此,如果衬背注浆过程中，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，确保管片脱出盾尾时形成的空隙量与注浆量平衡，尽量避免注入的浆液被水稀释而降低浆液性能。同时,每日掘进进尺也宜控制在6～8 环，以便管片能被浆液充分固结稳定。
(6) 适当降低盾构机的姿态，有意识地压低管片高程，使脱出盾尾的管片不至于超限。当然，这是一种被动的方式，不值得推荐。
6 结束语
隧道处于埋深较深的富含水硬岩地层中时，由于衬背环形建筑空间的存在给管片上浮创造了一个客观存在的外部条件。而在软弱渗水土层或砂层中，虽然隧道管片也存在上浮的趋势，但如果隧道上覆土层厚度能够压住隧道(一般覆土至少为2/3D) ，其上浮位移的情况就会很少。是否隧道在硬岩含水地层中上浮就是必然的呢? 答案当然不是。本文已经分析到,管片上浮主要是由于隧道管片有上浮的空间但却没有对上浮空间及时进行填充固结而造成的。因此,在实际盾构隧道工程中应紧紧抓住“地质”这条主线，进行准确的地质预测预报，并对复杂 多变的地质情况进行分析研究，对各种施工信息进行动态控制，通过技术与经济对比,适时作出合理的适应不同地质条件的浆液配合比，动态地管理注浆作业。同时，不断总结和归纳盾构掘进过程中的各种掘进参数，摸索出不同地质条件下与之相适应的掘进参数的变化规律，最大程度地控制隧道管片在施工阶段的位移和变形，以满足设计规范对隧道轴线的线形要求。
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．