The floating rules analysis and control technology under the Soft soil of Shield Tunnel Segment （陈元庆 中铁隧道股份有限公司TBM三公司 浙江宁波 315010）

（Chen Yuanqing,3rd Subsidiary Company of China Railway Tunnel Stock Co., Ltd.,Zhengzhou,450001）摘要：本文通过对宁波市轨道交通1号线站～大卿桥站区间盾构推进及管片拼装完成后脱出盾尾出现的管片上浮现象进行规律分析和总结，并针对宁波及华东地区软土地层下盾构推进的特点，对管片上浮提出针对性的控制技术措施，为宁波轨道交通后续线路的建设提供一些经验和参考。

主题词：轨道交通 盾构隧道 管片上浮 规律 控制技术

Abstract:

This article through to the Line 1 of Ningbo Rail Transit Zemin Station to Daqingqiao Station interval shield and lining assembly is completed from the shield tail segments floating phenomenon of law analysis and summary, in Ningbo and East China region in soft soil layer under the shield advance for the segment uplifting characteristics, puts forward the control measures for the follow-up, Ningbo rail transit line construction to provide some experience and reference.

Key Words: Rail transit, Shield tunnel, Floating of Segment, rules, Control technology

1 前言

近年来在我国华东地区特别是上海、宁波等软土地区城市地铁建设中，盾构隧道管片在施工阶段的上浮问题[1][2][3][4]日趋突出，严重者甚至要通过调线调坡等来满足线路设计要求。盾构隧道的上浮问题主要由于隧道在地层中失去抗浮能力所致，它受同步注浆、盾构工法特性、工程地质及水文地质、盾构姿态和线路走向等因素影响[5][6]。宁波市轨道交通1号线站～大卿桥站区间土体物理力学性质差，地层具有“压缩性高，强度低，灵敏度高，透水性低”等特点，致使在施工阶段隧道上浮量最大达到7cm。因此，本文结合泽～大区间隧道管片上浮的工程实例，从盾构工法特性、同步注浆等方面着手，重点对盾构掘进过程中管片产生上浮现象的机理、原因及控制技术进行分析研究，为宁波软土地区盾构隧道施工提供一些建议。

2 工程概况及地质条件分析

2.1 工程概况

站～大卿桥站区间右线起点里程K7+919.438，终点里程K8+815.354,长度为5.916m；左线起点里程K7+919.438，终点里程K8+815.354,长链0.408m，长度为6.324m。区间隧道纵断面采用“V”字坡的设计，区间轨面线标高为-11.794～-20.380m，线路中心间距为13～15m，隧道最大坡度为28‰，隧道顶部埋深为10～20m，右线最小平面曲线半径为2000m，左线最小平面曲线半径为1500m。区间在右线K8+291.000（左线K8+291.401）处设置联络通道（废水泵房）一处。

泽～大区间左、右线盾构均从站东端头始发同向掘进，到达大卿桥站后站内转场，继续掘进下一区间。本区间线路平面示意见图1。

图1 泽大区间盾构筹划

Figure 1 Ze～Da Shield interval Shield construction planning2.2工程及水文地质条件分析

站～大卿桥站区间所穿越的土层中主要为②2-2层灰色淤泥质粘土、③1层含粘性土粉砂或粘质粉土、③2层粉质粘土、④1-1层淤泥质粉质粘土、④2层粘土和⑤1硬土层，上述地层除⑤1硬土层外，均由流塑～软塑状粘性土和稍密状粉土砂组成。各土层特点如：

（1）②2-2层灰色淤泥质粘土、③2层粉质粘土、④1-1层淤泥质粉质粘土、④2层粘土含水量高，孔隙比大，渗透性差，呈流塑状，且具有压缩性高，强度低、灵敏度高、触变性及蠕变性强等工程力学性质特点。在外力作用下易扰动且强度降低；

（2）③1层灰色含粘性土粉砂呈稍～中密状态，渗透性较好，在动荷载作用下易发生液化现象，而且在动水头作用下易发生流砂、涌水及涌土现象；

（3）⑤1硬土层为可～硬塑状粘土，具高粘性；

其中，②2-2层灰色淤泥质粘土、③2层粉质粘土、④1-1层淤泥质粉质粘土这三类土层是盾构施工的主要土层，但由于其压缩性高、含水量高、孔隙比大、强度低、稳定时间长，在动力作用下极易产生流变、触变现象，在该土层中，盾构推进阻力较小，但需注意周围土体容易变形的不利影响，如果施工措施采取不当，极易造成较大的管片上浮和地面沉降，应尽量减少对土体的扰动。

本场地浅部地下水属潜水类型，补给来源主要为大气降水与竖向入渗和地表水的侧向入渗，水位动态为气象型，地下水埋深取0.6～2.3m。本区间施工区域微承压含水层分布于③1含粘性土粉砂层中，因本区间隧道不通过此层，故在施工中没有特别注意的问题。

3 盾构隧道管片上浮观测及分析

宁波市轨道交通1号线一期工程盾构隧道施工于2010年逐渐开始进行施工，在其余标段推进初期，均不同程度的存在拼装完成的盾构管片在脱出盾尾之后出现较大的上浮，造成成形隧道线形不符合设计要求、隧道管片出现错台、破损，甚至造成成型隧道侵限，给施工质量带来较大隐患。站～大卿桥站区间在施工初期，盾构隧道管片也存在上浮现象，最大上浮量可达7cm。

鉴于管片上浮给盾构区间隧道轴线质量带来的严重后果，项目部成了以项目技术负责人为组长的QC小组，及时组织监测、测量人员对管片上浮规律进行实施跟踪观测，并从观测数据中总结上浮规律，结合现场具体工况进行上浮机理的分析，最后制定针对性的解决措施。

3.1 现场跟踪观测成果

由于宁波轨道交通1号线盾构隧道在该类型地质条件下为首次施工，对盾构隧道管片在宁波特殊地质条件下上浮等问题认识还不够深入，导致在隧道推进前期个别区间隧道管片上浮量超标，引起了建设单位的高度重视。

在本区间始发推进之前由于其他标段盾构已经开始正常推进，并且已经出现了严重的上浮问题，且部分区间上浮量较大，已经超过了盾构施工允许偏差范围。

本区间盾构在始发推进过程中，施工一开始就立即着手进行管片上浮现象的跟踪测量观测。

其中，在始发至第25环之前的观测结果表明管片上浮量几乎可以不计，该段范围内管片只是在盾尾完全进入洞门密封且完成注浆后出现少量的上浮，如19环最大上浮两仅为10mm。在第25环之后开始再次观测，发现管片开始出现不同程度的上浮，如30环最大上浮已经达到了33mm，最大的48环上浮量达到了67mm。以上三个阶段的上浮数据见图2，图3，图4。

-4

-2

2

4

6

8

10

12

上浮量(m m )

Figure 2 Ze～Da Shield interval Real float data of 10～20 Segment

-5

510152025303540

上浮量(m m )

-10

01020304050607080

17

日4上浮量(m m )

Figure 4 Ze～Da Shield interval Real float data of 41～50 Segment

（1）上浮现象应分区段进行分析

根据现场实际测量成果数据，使用Microsoft Office Excel 2003统计表格进行分析，现场管片上浮在加固区、刚出加固区及完全脱离加固区的三个阶段的上浮量不同，经过分析认为：由于前10环管片处于加固区内，加固区经过三轴水泥土搅拌桩进行加固后，土体的强度及其含水量均发生了根本性的变化，管片在该类型土体的“包裹”下发生位移的能力受到了很大，同时，由于管片之间采用螺栓连接，且为错缝拼装，前10环管片的相对稳定对后面10-25环管片起到了一个“牵制”的作用，后面10-25环管片虽然处于②2-2层淤泥质粘土层中，但上浮量明显较小；从25环以后的管片受到的加固区管片的“牵制”力明显减弱，在淤泥质地层中与同步注浆的共同作用下出现较大上浮。这就解释了图2、与图3、图4中上浮量差别较大的现象。

（2）管片上浮动作出现具体时机分析

由于此之前各个标段并未对上浮的具体数据和时机进行过定量的观测和分析，推进初期也只是通过以往的经验分析其上浮具体时机，故观测频率在推进初期为1次/天，但经过几天的观测分析后认为，该观测频率无法准确反映管片的具体上浮时机，应将观测频率适当加密。因此，观测频率由1次/天逐渐增加到1次/小时，甚至有部分时间段内监测频率为1次/30分钟，即本环管片安装完成即开始进行测取初始值，待其脱出盾尾后再测取变化量，经过这样紧密的实施观测，已经初步掌握了宁波地质条件下的管片上浮时机及规律。

由图2、图3、图4可以准确反映出管片上浮最大值是在拼装完成后脱出盾尾的2小时之内，在这个时间段内拼装完成的管片有个突变的动作，一般该突变引起上浮在30～40mm，在随后的推进施工过程中，随着同步注浆浆液的逐渐稳定，管片上浮数据趋于平缓，但总体趋势仍然为上浮，该阶段时间持续相对较长，一般为6～8小时，在该时间段后管片上浮量达到峰值，另外，由于在该时间段内同步注浆浆液也开始初凝，从另一方面也使管片得到基本稳定。该阶段内上浮量一般为20mm～30mm。

4 盾构隧道管片上浮的影响因素分析

4.1 盾构工法特性的影响

为保证盾构正常掘进和管片拼装，其开挖直径D与隧道衬砌管片的外径d有一定的建筑间隙（同步注浆浆液即用来填充此空隙），这样在隧道洞身内壁与管片外径间存在建筑间隙Δ=(D-d)/2。

在宁波软土地层中，管片脱出盾尾后，拱顶土体全部塌落到管片结构需要一定时间和过程，如不及时填此空隙，脱出盾尾的管片周围处于无约束的地下水的包围状态，给管片的位移提供了可能的条件。

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，防水性能优良的衬砌隧道管片则有上浮的趋势，以本区间盾构隧道外径6.2m、内径5.5m、环宽1.2m的管片为例说明如下：

管片混凝土自重 G=ρ×g×Vc=2400×9.8×7.8≈184（KN) (1)

水浮力 F=ρw×g×V=1000×9.8×36.2≈355(KN) (2)

式中：混凝土比重ρ取为2400kg/m3，管片混凝土方量Vc约为7.8m3，一环管片所占空间体积V约为36. 2m3。由式（1）、式（2）可见管片混凝土自重G远小于水浮力F，而拱顶土体施加在管片结构上需要时间，这就解释了拼装管片在脱出盾尾的2小时内为何管片上浮位移发展快的原因。

另外盾构机的重量主要集中在盾构前体（刀盘和主轴承位置)，由盾尾至后配套台车间(约9～10环管片)基本无荷载，管片脱出盾构后失去了约束，同时还受到周围土层及同步浆液的作用，出现较大的上浮。

4.2同步注浆材料性质、配比及注浆工艺的影响

盾构施工同步注浆的直接目的是用来填充隧道内壁与管片外壁之间的建筑间隙，从而保证地层的稳定，进而确保盾构推进引起的地表沉降在允许范围内，这就要求浆液首先需要具备良好的充填性。从同步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的建筑空间是解决管片位移的关键。

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。

本区间隧道同步注浆量、注浆压力的选定依盾构推进的理论建筑孔隙V1计算：

V1=π(R2-r2)×L+V2=1.82(m3) (3)

公式中：R为盾构外半径(3170mm)；r为管片外半径(3100mm)；L为管片环宽(1.2米)；V2为盾壳外4根注浆管肋总体积，根据本盾构机结构形式，V2取0.16m3。

理论上讲，浆液需100％充填建筑空隙。由于通常的浆液失水固结，盾构推进时壳体带土使开挖断面大于盾构外径，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。按照以往工程实践，注浆时实际注浆量应为理论空隙体积的130～200％，在本区间采用180％(1.82×180％=3.3m3)，注浆方量的增加直接导致管片上浮力的增大，从而加剧了管片的上浮。

本区间隧道同步注浆浆液采用惰性浆液，其主要成分为砂、粉煤灰、膨润土和水(配合比见表1)，24 h 强度很低(基本无强度)，在富水软土地层中，惰性浆液初凝时间长，浆液在初凝前容易被稀释，因此低强度浆液不仅无法对管片提供约束，相反提供了上浮力；另一方面，盾构机掘进震动和隧道内电瓶车运动震动下，未凝固的浆液材料很可能被挤到隧道底部或地层其他间隙，进一步加剧了隧道上浮。

表1 同步注浆基准配合比（kg/m3）

Table 1 The Basic mixture ratio of Simultaneous Back filling injection（kg/m3）

材料 水泥 粉煤灰 膨润土 砂 水

配比 76 444 42 601 666

4.3其他因素

盾构隧道管片的上浮还受到盾构施工过程中的蛇形纠偏、盾构隧道设计纵向坡度、隧道埋深等因素的影响，但较4.1、4.2中论述的主要因素影响明显较小。

盾构在推进过程中始终沿着理论设计轴线做蛇形轨迹运动，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。在纠偏和拟合设计纵破坡的过程中，盾构推进千斤顶上、下分组油缸的推力必然出现差值，造成管片环面上受力不均，从而加剧了管片上浮。

根据西南交通大学的肖明清[7][8]等人的研究，在其他条件不变的情况下分别取覆土厚度h为8、10、12、15、20 m和30 m共6种工况进行计算，根据计算结果，相对覆土厚度h／D(D为隧道外径)对地表位移和隧道上浮的影响如图5所示。由图可知，随着覆土厚度的增加，地表隆起和隧道上浮都逐渐减小。

图5 相对覆土厚度与隧道位移关系曲线

Figure 5 Relationship between h／D andΔ5 盾构隧道管片上浮控制及处理措施

5.1上浮控制措施

(1) 选择适当的浆液类型

在含水软土地层中，解决管片上浮问题实质上是同步注浆稳定管片与管片上浮在时间上的竞赛。比较理想的注浆方法应是盾构沿轴线掘进，注浆浆液完全充填施工间隙并快速凝固形成早期强度，隧道与周围土体形成整体构造物从而达到稳定。那么，在浆液性能上的选择唯有双液瞬凝性浆液(水泥浆液和水玻璃浆液)和同步注浆工艺能彻底解决管片上浮的问题。双液瞬凝浆液因其时效特点在隧道位移控制上是具有优势的，但双液浆随着温度的变化，同种配比的浆液化学凝胶时间因时而异，堵管故障极易发生。同步注浆管在掘进结束前只能清洗而无法更换，这也是本区间仍然采用惰性浆液的原因之一。

另外，根据上海地区相关的施工经验，可以采用新型单液浆（俗称“厚浆”）对管片壁后建筑间隙进行填充，其基准配合比见表2，主要性能指标间表3。

表2 “厚浆”基准配合比（kg/m3）

Table 2 The Basic mixture ratio of “Thick slurry” （kg/m3） 编号 砂（kg） 粉煤灰（kg）膨润土（kg）石灰（kg）添加剂（kg）水（kg）

Ⅰ 1180 300 50 80 3 285

Ⅱ 800 400 50 100 3 340

表3 “厚浆”主要性能指标

Table 3 The Main performance index of “Thick slurry”

性能指标类别 指标量化

渗透性 <5×10-5cm/s

比重 >1.80g/cm3

坍落度 12～16cm

坍落度经时变化 ≥5cm(20h)

屈服强度 20h, >800Pa

压力失水（7′30〞,3bar） <20ml

泌水率 <5%

分层度 <2cm

可使用时间 20h

抗压强度 R7>0.15MPa；R28>1.0MPa；

该类型的浆液具有如下优点：

1）良好的长期稳定性及流动性、较短的初凝时间，在满足注浆的前提下能够比较早的获得高于地层的早期强度；

2）良好的充填性能；

3）在地下水环境中不易产生稀释现象，抗地下水稀释分散性能强；

4）固结后收缩小、泌水率小；

由于厚浆的初凝时间较短，在管片脱出盾尾后能够形成具有一定强度的包裹层，立即对管片起到稳定作用，同时在地下水环境下不易被稀释，故能较好的控制管片的上浮。

但是，由于“厚浆”的坍落度较小，浆液较稠，对注浆设备、拌浆设备的性能具有较高的要求，在使用

该浆液之前需要将相应的注浆、拌浆设备进行改造，增加了一定的改造成本，故其使用具有一定的局限性。

（2）选择适当的注浆压力及注浆孔位

根据管片上浮的规律值和盾构推进姿态的关系合理选择注浆孔位、注浆量和注浆压力。注浆压力应为保证足够注浆量的最小值，一般为0.3～0.4MPa。浆液分配控制为：增大上部两个注浆管注浆量和注浆压力，下部两个注浆管少注甚至可以不注。对于整环管片来讲，上部与下部的注浆量比例为2∶1或者2∶0。

(3) 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，拼装管片中心轴线的平面位置和高程允许偏差为±50mm。发现偏差时应逐步纠正，避免突纠，以免人为造成管片环面受力严重不均。

在本区间施工中重点控制急曲线和大坡度转点，一要合理调整各区域千斤顶油压，但各区千斤顶油压差不宜过大，与盾构中心线相对称区域的千斤顶油压差应小于5Mpa，其伸出长度差应小于12cm；二要跟踪测量管片法面的变化，及时利用环面粘贴石棉橡胶板纠偏，粘贴时上下呈阶梯状分布。三要根据上浮规律值控制盾构推进高程。

(4) 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．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。

(5) 适当降低盾构机推进时的高程姿态

在本区间隧道推进中，项目部技术人员根据统计的管片拼装后上浮经验值，在部分较难控制上浮的区段将盾构机推进轴线高程降至设计轴线下50mm，以此来抵消管片衬砌后期的上浮量，使隧道中心轴线近可能地接近设计轴线，其他区段均可以通过前面几种措施控制其上浮量。

5.2上浮后处理措施

根据目前各个施工案例及相关施工经验[9]来看，管片上浮后要想调整至设计轴线偏差范围内是极为困难的。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。因此，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，必须由设计单位进行调线调坡来满足隧道限界的要求。

6 结论和建议

通过站～大卿桥站区间隧道管片上浮现象的实时跟踪监测，基本掌握了宁波软土地质条件下盾构隧道管片上浮的基本规律及具体上浮时机，并根据其上浮规律制定了针对性的解决措施，保证了后续盾构区间的质量，并为后续施工的2号线总结了宝贵的技术经验，取得了良好的经济技术效益和社会效益。

在对区间隧道施工过程管片上浮控制中，要对复杂地质情况进行分析研究，加强管片姿态变化监测并做系统分析、归纳，从中摸索出适应不同土质、覆土等条件与之相对应的盾构掘进参数的变化规律并及时对其进行动态优化和调整；同时适时合理地管理注浆作业，调整不同施工区配比和注浆量、注浆压力：最大可能地控制隧道管片在施工过程中的上浮，使隧道轴线满足设计规范要求。下载本文