盾构施工中管片上浮分析及控制研究.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１８）增２０２１４０３・隧道／地下工程・盾构施工中管片上浮分析及控制研究张城恺（中铁二十二局集团第一工程有限公司北京１０００４０）摘要：盾构施工中管片上浮度控制是确保隧道整体姿态符合设计要求的关键，本文结合长春地铁二号线ＢＴ０６标施工过程中控制管片上浮的工程实例，从盾构施工特性、同步注浆及二次注浆工艺、盾构机姿态控制等方面着手，对盾构施工中管片上浮进行分析研究，并提出相应措施办法。关键词：盾构施工控制管片上浮注浆中图分类号：Ｕ４５５．４３文献标识码：Ａ—ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１８．Ｓ２．０５５ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＳｅｇｍｅｎｔＦｌｏａｔｉｎｇｉｎＴｕｎｎｅｌＳｈｉｅｌｄｉｎｇａｎｄｔｈｅＣｏｎｔｒｏｌＲｅｓｅａｒｃｈＺｈａｎｇＣｈｅｎｇｋａｉ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ２２甜ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ”１ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｏｗｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔｆｌｏａｔｉｎｇｉｎｔｕｎｎｅｌｓｈｉｅｌｄｉｎｇｉｓｔｈｅｋｅｙｐｏｉｎｔｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｏｖｅｒａｌｌａｔｔｉｔｕｄｅｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌｍｅｅｔｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．ＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｅｇｍｅｎｔｆｌｏａｔｉｎｇｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＬｏｔＢＴ０６ｉｎＣｈａｎｇｅｈｕｎＭｅｔｒｏＬｉｎｅ２，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｙ捌ａｎｄｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔｆｌｏａｔｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｓｈｉｅｌｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｒｏｕｔｉｎｇａｎｄｓｅｃｏｎｄａｒｙｇｒｏｕｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅａｔｔｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｓｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｅｇｍｅｎｔｆｌｏａｔｉｎｇ；ｇｒｏｕｔｉｎｇ１引言盾构隧道施工过程中管片上浮是比较常见的现象，因此，控制管片上浮、确保隧道线型符合设计要求，是盾构隧道施工的重中之重。引起管片上浮的原因包括：地质水文条件、盾构机姿态、隧道坡度、注浆工艺等。管片上浮是多种因素作用的结果，本文从施工过程实例人手，系统地分析管片上浮原因。２工程概况２．１项目概况长春地铁Ｂｒｌ－０６标南关站一烟厂站区间，设计范围为Ｋ３３＋８３２．２３１一ｌ＜３５＋９７．３６２，左Ｋ３４＋６５０．０７８＝右Ｋ３４＋６３７．８２３，长链１２．２５５；右线长１２６５．１３１ｍ，左线长１２７７．３８６ｍ。区间西接南关站，下穿伊通河（同时旁——收稿日期：２０１８０３０９作者简介：张城恺（１９８７一），男，工程师，主要从事城市轨道专业技术领域工作。２１４铁道建筑技术穿长春大桥），向东沿吉林大路敷设终于烟厂站。右线Ｋ３３＋８４２．２３１一右Ｋ３４＋７２６．５１２（长８８４．２８１ｍ）和左线硒３＋８４２．２３１～左Ｋ３４＋７４２．３９１（长９１２．４１５ｍ）共为１７９６．７ｍ，采用圆形双线盾构施工，隧道坡度位６％ｅ，隧道净空为５４００ｍｍ，区间采用钢筋混凝土预制管片，管片宽度为ｌ２００ｍｍ，厚度为３００ｍｍ，外径６０００ｍｌｎ。盾构隧道衬砌采用Ｃ５０预制钢筋混凝土普通型管片，管片衬砌每环由６块管片组成，分布方式为５＋１，除联络通道处采用通缝拼装，其余采用错缝拼装方式。盾构区间由并行的上行、下行线２条盾构隧道组成。隧道转弯时采用左、右转弯楔形衬砌环。２．２水文地质情况盾构区间右线长８８４ｍ，左线长９１２ｍ，采用２台中铁重工土压式平衡盾构机。隧道洞身穿越地质为：强风化泥岩，全风化泥岩。本区间地下水分为孔隙潜水、浅层承压水、泥岩ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８（增２ｌ万方数据・隧道／地下工程・裂隙水。泥岩裂隙水分布整个区间，赋存于泥岩裂隙中，主要接受上层孔隙水的渗透及侧向径流补给。３管片上浮情况盾构左线区间于３９１～４０７环（Ｋ３４＋２８４．６７２～Ｋ３４＋２６５．４７２左转Ｒ＝４５０），盾构右线区间于３７６～３９２环（Ｋ３４＋２７４．４０７一Ｋ３４＋２５５．２０７右转Ｒ＝５５０）在此区段为盾构机下穿伊通河施工，出现了管片连续上浮严重现象，具体见表ｌ、２。表１左线管片上浮情况ｍｍ环号３９１３９２３９３３９４３９５２４ｈ数值３７４２４４４１４８４８ｈ数值５５６８６７７２７９环号３９６３９７３９８３９９４００２４ｈ数值５ｌ４０２５３７３３４８ｈ数值８７５９５４５３５８环号４０ｌ４０２４０３４０４４０５２４ｈ数值５４４６４３５８５５４８ｈ数值７３７４７７７６８８环号４０６４０７２４ｈ数值４７４１４８ｈ数值７９８１表２右线管片上浮情况ｆｉｌｍ环号３７６３７７３７８３７９３８０２４ｈ数值４３４５４８４２５ｌ４８ｈ数值６１６５６７６３７５环号３８７３８２３８３３８４３８５２４ｈ数值５５４９５９５８５６４８ｈ数值７６７０８７８８８１环号３８６３８７３８８３８９３９０６１６４５７４５４６９１８９８４６２６７２４ｈ数值环号３９１３９２２４ｈ数值４８４５４８ｈ数值６９７５４管片上浮成因分析４．１盾构法施工工法影响盾构机刀盘直径为６２８０ｎｌｍ，前盾直径为６２５０ｍ，尾盾直径为６２３０ｍｌｎ。因此，盾构机的切削直径与管片的外径有一定的差值，此差值约为５０～７０ｍｍ，形成环形空间。当推进时，管片脱出盾尾后，同步注浆若得不到及时填充，势必会造成管片上浮或下沉等情况。４。２盾构施工中影响因素推进过程中盾构机整体重量集中在刀盘和前铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ盾上推进过程中出现栽头现象，强风化泥岩和全风化泥岩遇水易分解导致土层过软，出现扎头现象。但根据轨道设计要求，需要一直保持盾构机姿态向上。因为，推进中需要加大Ｃ组油缸压力，这样就形成了顶部Ａ组油缸与底部ｃ组油缸的推进压力差过大。容易导致管片与盾尾之间间隙不均匀出—现错台现象，有时会达到２４ｃｍ左右。推进过程中姿态控制不易操之过急，Ａ组区压—与Ｃ组区压压力差最多不要超过６０７０Ｂａｒ。而在实际操作中，为了及时纠偏姿态经常出现压差达到１００Ｂａｒ的情况。４．３地下水对注浆的影响上浮管片区段为下穿伊通河，地下含水量丰富（推进过程中也经常发成螺旋机喷涌）。掘进过程中大量同步注浆因地质含水量充足无法凝结而被稀释，二次补浆无法及时跟上（二次补浆为水玻璃双液浆）水压随着盾构机的推进不断增加，当管片脱离盾尾后受到浮力的作用而出现管片上浮现象。根据公式计算管片所受浮力：Ｆ＝ｐｇＶ＝１．０×９．８Ｘ盯×１．２Ｘ３２（管片外径半径）＝３３．９１ｔ。每环管片自重约等于２０ｔ，下穿伊通河的每环管片受到的浮力约为３３．９１ｔ。故总体浮力足以让下穿伊通…河的管片全部上浮。５管片上浮控制措施５．１同步注浆控制本区间盾构隧道内径为５．４ｍ，管片厚度为３０ｃｍ，宽度为１．２ｍ，刀盘直径为６．２８ｍ，管片外径为６．０ｍ。每环同步注浆量为：Ｑ＝Ｋ×ＶＶ＝ｈｘ３．１４×（Ｒ２一ｒ２）Ｖ＝３．２５ｍ３；Ｑ＝５．５ｍ３因为推进过程中，因为盾尾间隙会出现漏浆现象，所以实际推进中的同步注浆量为６ｍ３。盾构机同步注浆是重要环节，保证了同步注浆的方量和效果，是控制管片上浮的关键。５．２二次补浆控制在盾尾脱出后，及时进行测量检测，若发现管片上浮需进行加强监控，当超过线路规定标高时，要立刻开始二次补浆，一般情况是在脱出盾尾后—９环开始补浆，之后每隔３５环进行补浆旧Ｊ。２０１８（．ｆｉｒ２）２１５万方数据・隧道／地下工程・５．３盾构姿态纠偏控制盾构机过量的蛇形运动必然造成频繁纠偏，纠偏过程就会使管片环面受力不均。所以必须控制好盾构机姿态，发现偏差时应逐步纠正，避免突然纠偏而造成管片环面受力严重不均。要合理调整各区域千斤顶油压，使油压差不宜过大。同时要跟踪测量管片断面的变化，及时利用环面黏贴石棉橡胶板纠偏，黏贴时上下呈阶梯状分布¨ｏ。５．４盾构掘进中高程控制在掘进过程中，根据管片上浮值，通过和隧道设计轴线比较，发现上浮严重时，及时的将盾构掘—进姿态高程降至设计轴线下３５５０ｍｍ，推进时根据调整后的姿态进行掘进，使隧道轴线高程最大程度接近设计轴线Ｈ１。５．５盾构掘进速度控制在推进过程中，如果同步注浆不能及时有效地稳定管片，应适当控制推进速度，以缓推为主，推进速度控制在３０～４０ｍｍ／ｍｉｎ。确保推进中管片拖出尾盾时形成的空隙量与注浆量平衡¨Ｊ。６结束语综上所述，通过分析盾构管片上浮的成因，总结出以下应对管片上浮的措施：（１）推进过程中严格控制４组分区油缸推力，压力差不易过大保证各组千斤顶对管片的推力均匀。（２）确保同步注浆的方量以及二次补浆要及时跟Ｅ。（３）在调整盾构机姿态时，不易过快调整高程导致管片出现破损错台，甚至出现超挖严重的现象。（４）根据以上分析与研究，改进后的盾构区间（左—线５５１５６７环（Ｋ３４＋５０３．４３１～Ｋ３４＋５２２．６３１），右线—５３６５５２（Ｋ３４＋４８５．４３１～Ｋ３４＋５０４．６３１）），管片上浮明显得到控制，上浮量平均减小了约３０ｍｌ／ｉ，有效保证了线路平顺，在施工中取得了显著的经济和社会效益。参考文献［１］［日］土木学会．隧道标准规范盾构篇［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１１：２３．［２］陈馈盾构施工技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０１１：５４．［３］中华人民共和国住房和城乡建设部．盾构法隧道施工及验收规范：ＧＢ—５００４６２００８［Ｓ］．北京：中国建筑工—业出版社，２００８：２０２３．［４］罗人宾，魏百术．盾构推进姿态动态管理［Ｊ］．施工技—术，２００８（Ｓ１）：２６１２６４．［５］苏小江，李笑．复杂地质中盾构掘进控制技术探讨—［Ｊ］．现代隧道技术，２００８（４）：３９４３．（上接第２１３页），１，５００∞ｍｍ、００ｍｍ管径需要很高的流量才能满足沉淀临界流速的要求，此时要求输送泵能力高，泥水分离设备分离能力不低于３０００ｍ３／ｈ，整体投入较高，但同时未对掘进速度产生较大的提升，不建议选取。，１，４５０ｍｌ／ｌ管径在流量２５００ｍ／ｈ时，管道压力损失较小，对输送泵的扬程、流量要求适中，同时，２５００ｍ３／ｈ的泥水分离没备也满足要求。整体设备投入最小，管道磨损也最小。因此，选取卅鳓ｍｍ管径是合适的，配套２５００矗／ｈ的泥水分离设备也是满足要求的。５结束语对于泥水盾构而言，泥水循环系统和盾构掘进系统是其两大核心组成系统，泥水循环系统的设计不仅仅取决于盾构掘进系统的需求，而且会极大地２１６铁道建箍技术影响盾构掘进系统的效率，一旦选择不当，泥水循环系统对于不同地层渣土输送的适应性不佳将会成为整个系统的主要矛盾。因此，泥水循环系统必须与盾构掘进系统的需求相匹配才能达到较好的使用效果和经济效益。不能孤立地计算泥水循环系统的流量、管径、分离设备能力等需求，而是要立足于实际工况，综合考虑对盾构掘进系统的影响大小、实际投资和使用成本等问题来进行选择。参考文献［１］汪东，许振良，孟庆华．浆体管道输送临界流速的影响—因素及计算分析［Ｊ］．管道技术与设备，２００４（６）：１２．［２］曾垂刚．泥水盾构泥浆循环技术的探讨［Ｊ］．隧道建—设，２００９，２９（２）：１６２１６５．［３］张宁川．泥水盾构主机推进速度与泥浆系统能力的匹—配［Ｊ］．隧道建设，２００７（６）：７９．ＲＡＩＬＷＡＹｃｏＮＳＴＲＵｃＴ｜ＯＮＴＥｃＨＮＯＬＯＧＹ２０１８（增２）万方数据