文｜中國中鐵六局集團(tuán)有限公司 王迎新

前言

近年來在我國各大城市地鐵建設(shè)中，管片上浮問題日益突出。管片上浮受漿液、注漿壓力、工程地質(zhì)、盾構(gòu)姿態(tài)和線路走向等多種因素影響。本文從漿液產(chǎn)生的靜態(tài)浮力和動(dòng)態(tài)浮力入手，分析浮力對管片的作用效果，認(rèn)為在黃河沖積軟土地層引起管片上浮諸多因素中，漿液和注漿壓力是主要因素。為了從根本上解決管片上浮問題，結(jié)合工程實(shí)例，提出同步注漿系統(tǒng)改造、加速漿液凝固時(shí)間、減小注漿壓力等措施，達(dá)到縮短上浮力作用時(shí)間和減小上浮力的目的，從而有效控制管片上浮，為解決軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道管片上浮問題提供方法借鑒及建議。

1.工程概況

鄭州地鐵10 號線土建06 標(biāo)位于鄭州西部，其中鄭商區(qū)間長度1577m。區(qū)間隧道縱坡設(shè)計(jì)為“V”字坡，最大縱坡24‰。盾構(gòu)管片采用C50P12 預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片外徑φ6200mm，環(huán)寬1.5m。通過對鄭商區(qū)間已拼裝成型的前200 環(huán)管片進(jìn)行姿態(tài)復(fù)測，盡管復(fù)測管片姿態(tài)符合規(guī)范要求，上浮量控制在30mm 以內(nèi)的成型管片有44 環(huán)，占比22%；上浮量超過30mm的成型管片有156 環(huán)，占比78%。

本工程線路為山前沖洪積平原，區(qū)間隧道主要分布在⑧1 層粉質(zhì)黏土、⑧3 層粉質(zhì)黏土。在施工過程中上部土體不會在短時(shí)間發(fā)生沉降，機(jī)械設(shè)備的震動(dòng)、漿液的自重會導(dǎo)致漿液向隧道下方流動(dòng)，極易造成管片上浮。

2.管片上浮機(jī)理分析

管片在受到同步漿液、水浮力等共同產(chǎn)生的上浮力大于覆土和管片自重總和時(shí)，管片就會產(chǎn)生上浮，表現(xiàn)為管片在脫離盾尾的數(shù)環(huán)后出現(xiàn)上浮，引起管片錯(cuò)臺。

2.1 盾構(gòu)建筑間隙的形成

盾構(gòu)施工中，隨著盾構(gòu)的向前推進(jìn)，因盾構(gòu)機(jī)盾尾外徑與管片外徑之間的差值將會在管片背后產(chǎn)生空隙，這個(gè)空隙就是盾構(gòu)建筑空隙。當(dāng)管片脫離盾尾后，在外部土體與管片之間形成了建筑間隙?=D-d。根據(jù)地層硬巖和軟土區(qū)分，同步漿液填充建筑間隙可分為兩種形式。

（1）硬巖掘進(jìn)建筑間隙形式

在地層較好的硬質(zhì)地層掘進(jìn)，因?yàn)榈貙油暾暂^好，同步漿液及時(shí)填充建筑間隙，包裹成環(huán)，不會產(chǎn)生管片上浮現(xiàn)象。這是一種較為理想的情況，只有在土質(zhì)較好的硬質(zhì)土中可能會出現(xiàn)。

（2）軟土掘進(jìn)建筑間隙形式

盾構(gòu)機(jī)在軟土中掘進(jìn)，管片脫離盾尾后，在上覆土和管片自重以及側(cè)壓力作用下，管片周圍的全部或部分土體會馬上向管片靠攏，不能及時(shí)有效形成完整的漿液環(huán)。管片脫離盾尾后，在隧道軸線方向類似于兩頭固定的簡支梁，一頭受到盾尾的約束，另一頭受到已成型管片的約束。上部土體沉降填充了上部建筑間隙，漿液受到自重及擠壓填充下部建筑間隙，如下圖1所示。

2.2 漿液和注漿壓力的分布形式

（1）整環(huán)分布

在硬質(zhì)地層中掘進(jìn)，管片與盾尾脫離后，建筑間隙不會立即被周圍土體填充，從而形成整環(huán)均勻分布或者整環(huán)非均勻分布。這種情況不會產(chǎn)生上浮。

圖1 硬巖、軟土掘進(jìn)建筑間隙形式

圖2 漿液均勻及扇形分布

（2）左上右上對稱分布

在軟弱地層中掘進(jìn)，如砂層中，管片與盾尾脫離后，建筑間隙立即被周圍土體填充時(shí)，注漿漿液會在該填充土體中隨機(jī)性發(fā)生滲透擴(kuò)散，這種不確定很難精確給出漿液荷載的分布形式。常規(guī)作法是假設(shè)雙孔注漿壓力對稱分布，均勻作用于管片左上和右上部。

（3）扇形分布

在松軟粘性土中掘進(jìn)，上部間隙被土體填充，在管片環(huán)下部建筑空隙存在區(qū)域，漿液沿B1 塊、B2 塊流至底部建筑空隙。此時(shí)的漿液和注漿壓力假設(shè)在下部建筑間隙范圍內(nèi)均勻分布，形成扇形分布形式，具體作用范圍或角度受地質(zhì)及施工影響。當(dāng)下部漿液及注漿壓力形成的上浮力大于上覆土和管片自重時(shí)就會出現(xiàn)管片上浮現(xiàn)象。如圖2所示。

3.盾構(gòu)管片抗浮計(jì)算

3.1 漿液形成的上浮力計(jì)算推導(dǎo)

本工程地質(zhì)主要為粘性土，結(jié)合上述分析，漿液和注漿壓力呈扇形分布。因?yàn)闈{液和注漿壓力在管片底部匯聚，因而形成較大的分布力，即所謂的上浮力。由于上浮力大于上覆土荷載和管片自重荷載之和時(shí)，導(dǎo)致區(qū)間隧道管片出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。

以扇環(huán)形注漿壓力分布為例，推導(dǎo)出漿液和注漿壓力形成的上浮力為：

注：P 為注漿壓力，θ 為注漿漿液分布夾角。以本工程為例，管片外徑6.2m，注漿壓力分別取0.2Mpa 和0.4Mpa，θ 分別取45°和90°。

3.2 工程實(shí)例管片上浮力計(jì)算

（1）計(jì)算模型

通過查閱相關(guān)資料，滿足抗浮要求的上覆土最小厚度計(jì)算公式如下：

上式參數(shù)說明：H-覆土厚度，RD-管片外徑，Rd-管片內(nèi)徑，γj-漿液重度，γC為混凝土重度，γ’-覆土的浮重度。

下面用式(2)替代式(1)中的上浮力，得到：

若覆土厚度一定，則用式(3)推得最大注漿壓力為：

式(3)，(4)中的θ 可取為45°或依據(jù)土質(zhì)及注漿施工情況選取其他角度，若以最不利情況考慮，可取為90°。

（2）工程實(shí)例計(jì)算

以鄭商區(qū)間為例，前200 環(huán)平均埋深16.7m，采用表1中相關(guān)參數(shù)，按照已知注漿壓力或上覆土厚度可分為2 中計(jì)算情況。

①若注漿壓力確定，取0.4MPa，θ按照最不利情況取90°，把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(3)中，計(jì)算得出最小覆土厚度H 為20.25m。如表1所示。

②同理，按照鄭商區(qū)間前200 環(huán)覆土16.7m 計(jì)算，代入式(4)可求得注漿壓力為0.33MPa。

4.管片上浮控制技術(shù)

通過分析可以得出，控制管片上浮要做到加速漿液凝固、縮短漿液作用時(shí)間。本工程盾構(gòu)區(qū)間通過創(chuàng)新實(shí)踐，提出注漿系統(tǒng)改造方法和控制管片上浮技術(shù)。通過對同步注漿系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其能夠在注入同步漿液的同時(shí)注入相應(yīng)配比的水玻璃，從而控制漿液的初凝時(shí)間來控制管片的上浮量。本方法和技術(shù)可操作性強(qiáng)，一次注漿即可解決管片上浮問題，避免了采取二次注漿控制管片上浮問題，提高掘進(jìn)效率，節(jié)約成本，單環(huán)節(jié)約人工、材料約375 元，本區(qū)間合計(jì)節(jié)約79 萬元。

4.1 注漿系統(tǒng)改造方法

該設(shè)備改造系統(tǒng)包括盾構(gòu)機(jī)同步注漿系統(tǒng)、盾構(gòu)機(jī)原有注漿管路、水玻璃配置系統(tǒng)、水玻璃注入系統(tǒng)等，包括對原有注漿系統(tǒng)進(jìn)行改造和水玻璃注入系統(tǒng)的接入等工作。具體方法為，在盾構(gòu)機(jī)連接橋位置原有同步注漿軟管上安裝發(fā)生器，給水玻璃注入系統(tǒng)預(yù)留接駁口；然后將水玻璃注入系統(tǒng)連接到發(fā)生器上，其中水玻璃注入系統(tǒng)包括注入泵、氣動(dòng)球閥、流量計(jì)、單向閥、壓力表和B 液（水玻璃混合液）混合器，水玻璃配置系統(tǒng)包括水罐、水玻璃原液罐、電動(dòng)球閥、流量計(jì)和混合液箱及攪拌裝置。水玻璃配置系統(tǒng)和水玻璃注入系統(tǒng)均放置在連接橋線路走道板上。

表1 注漿壓力已定計(jì)算表

4.2 改造注漿系統(tǒng)控制管片上浮技術(shù)

水玻璃與水按照配比配置完成后，通過水玻璃注入系統(tǒng)注入A、B 液混合器后與同步注漿漿液混合，通過盾構(gòu)機(jī)原有注漿管路注入管片壁后。水玻璃的注入加速同步漿液的凝固，能夠簡單、快速、有效地控制管片上浮量，保證區(qū)間隧道成型質(zhì)量。

（1）關(guān)鍵操作。①本環(huán)推進(jìn)至50cm（防止雙液漿回流堵塞注漿管路）時(shí)，開始啟動(dòng)水玻璃注入系統(tǒng)，水玻璃通過改造后的盾構(gòu)機(jī)左上、右上兩路注漿通道與同步漿液共同注入。②本環(huán)推進(jìn)至130cm（有效沖洗管路內(nèi)殘留的雙液漿，防止盾尾抱死）時(shí)停止水玻璃注入，繼續(xù)注入同步漿液至設(shè)計(jì)方量。③水玻璃混合液注入期間通過觀察壓力表壓力，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。④當(dāng)管片脫出盾尾后，管片襯砌背后的漿液早已與水玻璃反應(yīng)凝結(jié)硬化，使管片位置趨于穩(wěn)定，既及時(shí)控制了管片脫出盾尾后的上浮；注漿完成后，膨潤土注入系統(tǒng)向水玻璃注入系統(tǒng)中注入膨潤土，防止管路堵塞。

（2）相關(guān)參數(shù)

在選擇合適的同步注漿漿液配合比的同時(shí)增加水玻璃，注漿壓力控制在0.2～0.4Mpa，同步注漿量每環(huán)7 方、水玻璃40kg。配合比如表2所示：

（3）管路防堵塞措施

注漿系統(tǒng)改造裝置另有對注漿管路進(jìn)行清理的裝置，預(yù)防盾尾注漿管路的堵塞。①嚴(yán)格控制水玻璃注入的開始時(shí)間及終止時(shí)間，且在管路上安裝有流量計(jì)及壓力表，用來觀察水玻璃注入量。②水玻璃注入系統(tǒng)配置有另外一根管路，用于在注漿工作完成后，向管路內(nèi)打入膨潤土，防止管路中殘留漿液與水玻璃反應(yīng)，造成管路堵塞。

圖3 設(shè)備改造圖

5.實(shí)施效果

通過注漿系統(tǒng)改造和新技術(shù)應(yīng)用，配合其他管片上浮控制措施，對鄭商區(qū)間粉質(zhì)黏土層已施工完成的 231 環(huán)～300 環(huán)管片進(jìn)行了全面檢查，管片上浮量控制在10mm 以內(nèi)的管片數(shù)量 65 環(huán)，上浮量控制在10～15mm 之間的成型管片 5 環(huán)，上浮量控制在 10mm 以內(nèi)的管片比例為 93%，黃河沖積軟土地質(zhì)盾構(gòu)施工管片上浮得到有效控制。

6.結(jié)論

本文以鄭州地鐵10號線鄭商區(qū)間為例，采用注漿漿液扇環(huán)分布模型，論證了黃河沖積軟土地質(zhì)引起管片上浮的主要原因，并通過創(chuàng)新實(shí)踐提出一種控制管片上浮的有效措施，得出以下結(jié)論：

（1）管片上浮是由于軟土地層浮力大于隧道自重造成的，注漿漿液和注漿壓力共同作用是導(dǎo)致管片出現(xiàn)上浮現(xiàn)象的主要原因。

（2）最小上覆土厚度可根據(jù)式(3)計(jì)算得出，最大注漿壓力可根據(jù)式(4)計(jì)算得出，管片的抗浮能力與注漿壓力和上覆土厚度有密切關(guān)系。

（3）管片上浮可通過加速漿液凝固時(shí)間來有效控制。本文提出的控制管片上浮的注漿系統(tǒng)改造方法及技術(shù)，為今后類似工程提供借鑒。

表2 漿液配比及參數(shù)表