盾构隧道管片上浮质量病害分析研究及预防措施

1工程概况

1.1区间平面设计概况

花卉世界站~仙涌站地下盾构隧道采用2台土压平衡盾构机施工，盾构线路总长约1719m，区间线路从明挖段始发后，先后穿越广明高速闸道桥、佛山一环路基后进入大都村，在大都从穿越文登河后转入到文登路上，盾构沿文登路掘进，在文登路与佛陈路交叉口转弯并穿文登河后转入到佛陈路上，在佛陈路正下方掘进然后到达花卉世界车站大里程接收，盾构机完成拆机、吊装工作，区间线间距为9.7m~16m，左右线最小曲线半径R=600m（始发段），区间设计3座联络通道。

1.2区间地质情况

花仙区间盾构区间主要穿越<2-2>淤泥质粉细砂（28.7%）、<2-1B>淤泥质土（19.8%）、<4N-2/3>粉质黏土（14%）、<3-1> 粉细砂（13.3%）、<3-2>中粗砂（11.8%）、<6、7>全、强风化岩（11%）及砾砂（1.4%）。

1.3区间管片设计情况

管片衬砌内径为5400mm，外径为6000mm，管片厚度为300mm，管片衬砌环宽度为1500mm。管片采用标准环、左转弯环和右转弯环管片，转弯环管片最宽1519mm，最窄为1481mm，楔形量为38mm。管片拼装采用错缝拼装方式，管片之间的环向和纵向均采用M24（8.8级）弯螺栓连接，每环管片环向螺栓12根，纵向螺栓10根，相邻纵向螺栓角度为36度。

2管片上浮质量病害分析研究

2.1管片上浮质量病害

根据现场分析统计，管片上浮一般发生在脱出盾尾后的管片，当管片脱出盾尾后，由于地质水文原因、砂浆未凝固等原因，管片受到砂浆浮力后出现上浮，上浮后易产生质量病害。

2.1.1管片成型隧道超限

根据盾构施工隧道质量验收规范及标准，城市地铁盾构隧道轴线竣工验收误差范围为±100mm，按照盾构机开挖面6280mm计算，不考虑盾尾间隙影响，管片理论最大可上浮140mm。若管片上浮量较大时，则很容易造成成型隧道超限。

2.1.2管片错台、破损、开裂及渗漏水

管片在拖出盾尾后在砂浆未凝固的前提下受到浮力作用，管片延隧道掘进方向相邻容易出现“下台阶”错台现象，管片错台后，管片环缝位置止水条错位，易出现渗漏水及破损情况。

从上述图片可以看出，管片上浮造成质量问题对隧道的成型质量有着恨的影响，不仅会造成外观上的问题，同时也带来了渗漏水、破损、错台等质量问题，给地铁后期的运营及隧道耐久性带来很多问题，因此必须想办法进行解决。

2.2管片上浮现场试验数据采集分析

为研究分析管片上浮数据的变化，选择花仙区间左线第678环管片和第694管片作为目标管片进行数据采集，对目标管片从拼装开始至连续掘进10环后的管片上浮数据进行测量统计分析，为了更加准确反应管片上浮情况，要保证盾构机连续快速推进，并对目标管片每环掘进完成后的上浮数据进行现场实测上浮量，研究目标管片所处地质情况详见图2-4所示，隧道拱顶为淤泥质土，底部为全风化、强风化岩石，该位置刚过V型坡最低点，处于变坡上坡地段。具体分析数据见表2-1和图2-5所示。

从目标管片所处的地质情况和线路坡度情况分析来看，该段地质情况下半部分为<6-2-1>、<7-2-1>全风化及强风化岩石，拱腰以上为<4-2B>淤泥质土，标贯技术为N=4击，线路刚好经过V型坡段，处于变坡点地段。

从上述数据分析得知，管片从拼装开始，在盾尾内变化量较小盾尾内可拼装2环管片，但脱出盾尾后出现较大的上浮（从第3 环管片开始），尤其在脱出盾尾后1~3环之内，上浮量迅速增加，脱出盾尾4~6环之内渐趋于稳定状态，678环管片累计上浮量达到61mm,694环管片累计上浮量达到83mm。

2.3管片受力体系分析研究

为研究分析管片上浮情况，对管片脱出盾尾后的受力情况进行简单的分析研究，管片脱出盾尾后，主要受到自身的自重、同步注浆砂浆的浮力、砂浆抵抗力以及相邻管片螺栓的约束力，其中砂浆浮力和砂浆抵抗力随着时间的推移，处于变化状态，砂浆凝固后，抵抗力增加。受力情况见图2-6所示。

在考虑砂浆未凝固的前提下，对管片受到的砂浆浮力和管片自重情况进行计算分析。因此，对管片的受力情况作出以下相关计算：

式中：ρ——砂浆比重，根据现场测试，砂浆比重取值1.75t/m3

V—管片体积，管片外径6m，环宽1.5m，管片厚度0.3m；g—取值10N/kg=10Kn/t

（3）相邻管片约束力T：

相邻管片之间采用M24弯螺栓进行连接，为得到相邻管片的约束力，对管片螺栓的变形情况进行了现场测试，主要测试螺栓在受到拉力过程中，螺栓的伸长量（即螺栓非弹性变形），以管片弯螺栓两端点之间的玄长作为基准，检测螺栓在受到拉力过程中玄长的变化值，并绘制曲线图。从试验检测结果得知，当螺栓拉力达到30kn时，螺栓变形增大较快，当受力达到75kn时，螺栓基本已经拉直，具体检测结果详见图2-7和图2-8所示。

从上述计算分析可以看出，每环管片的浮力比管片自重大54.9t，管片受到的浮力F是管片自重的3.8倍，远大于管片自身重量，因此，在砂浆未凝固之前管片始终存在上浮趋势。当管片上浮出现错台后，管片螺栓肯定发生了一定的不可逆变形，错台量越大，说明螺栓的变形程度也越严重。

若考虑6h内砂浆没有凝固，且盾构掘进速度按照每环2h计算， 则说明脱出盾尾存在3环管片底部砂浆均没有凝固且受到浮力作用，不考虑砂浆的抵抗力，此时受到的最大浮力约为164.7t。管片受到的约束力主要为盾尾内管片与脱出盾尾管片之间的约束力和脱出盾尾第3环管片管片和第4环管片之间螺栓的约束力，按照最不利共计20根螺栓，若螺栓按照被拉直考虑，则最大约束力为150t，小于总浮力。由此可见，在砂浆未凝固情况下，管片出现上浮后，螺栓变形比较严重。因此，在盾构机推进过程中，必须想办法尽快是同步注浆进行凝固，增加顶部砂浆抵抗力，以减缓管片的上浮错台情况。

2.4现场管片上浮特征情况

从上述计算可以得知，在盾尾砂浆未凝固情况下，脱出盾尾的管片受到较大的浮力，管片上浮主要是因为砂浆未凝固。花仙区间地质情况主要以富水地层为主，地下水非常丰富，根据对花仙区间管片的上浮情况进行统计分析发现，管片总体存在上浮情况，但不同水文地质情况存在不同上浮情况。

（1）当盾构机在全断面单一地层中推进过程中，如全断面砂层，管片上浮存在整体上浮情况，但上浮量不大，总体在10mm~20m左右范围内，且管片未出现上下错台情况。

（2）当盾构机在上软下硬地层推进过程中，比如盾构机底部存在<6>、<7>全风化及强风化岩石，拱腰以上隧道为淤泥质土（标贯击数N=3~5击）时，管片上浮严重，且总体呈现“台阶式”错台情况，成型隧道质量问题较多。

（3）当盾构机在过V型坡地段、在变坡点地段时，管片存在上浮情况比较严重，且呈现台阶式错台情况，质量问题较多。

（4）当盾构机推进过程中，为调整盾构机垂直方向姿态，上下分区压力压差出现突变时，管片会出现上下台阶错台情况。当下部压力突然相对增大时，则会出现“下台阶”错台情况，当上部压力突然相对增大时，则会呈现“上台阶”错台情况。

3管片上浮质量病害的解决措施

从受力角度分析，解决管片上浮问题从两个方面入手，一方面是增加砂浆的抵抗力，使盾构同步注浆尽快凝固，抵抗管片的上浮力。二是增大相邻管片之间的约束力，即增加成型隧道的刚度，但在施工阶段很难实施，只能在设计阶段进行考虑，通过增加管片纵向螺栓的数量和增加管片螺栓直径，提高螺栓刚度进行解决。

花仙区间盾构推进过程中管片出现上浮后，经过认真分析研究，主要通过采取调整砂浆配合比、同步进行二次注浆及盾构机推进施工技术管理等方面采取措施，对管片上浮情况进行有效控制。

3.1调整同步注浆配合比

调整同步注浆配合比主要是对减小同步注浆凝结时间，经过现场测试监测，砂浆配合比未调整以前凝结时间在8~10h左右。为缩短砂浆凝结时间，主要是通过适当增加水泥掺量，采用早强水泥， 减少膨润土的掺量对砂浆配合比进行调整，调整后同步注浆凝结时间缩短到6h左右，调整前后砂浆配合比见表3-1所示。

3.2同步二次注浆措施

同步二次注浆主要是在盾构推进过程中，对脱出盾尾的管片及时进行二次注浆，二次注浆材料选用水泥——水玻璃双液浆。掘进过程中对盾尾第4环管片进行二次注浆，注浆点位主要在1点或者11 点位置，避开封顶块位置，水泥采用PO.42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃密度为35Be’，注浆量按照每环0.2t~0.3水泥，通过双液注浆， 使管片盾尾同步注浆快速凝固，增加管片顶部抵抗力，抵抗管片的浮力。

3.3其他技术管理措施

（1）盾构机在推进过程中，线路轴线偏差预留一定上浮量， 避免成型隧道管片因上浮造成超限情况；

（2）调整同步注浆泵流量，在保证同步注浆总量的前提下， 对盾尾4个同步注浆泵的流量进行适当的调整，增加上部2个同步注浆泵流量，减小底部同步注浆泵流量进行控制。

（3）管片螺栓复紧制度，选择大扭矩的扳手，对每环管片螺栓要求复紧，即在拼装过程中保证管片螺栓拧紧，在下一环推进一半时对本环管片螺栓进行二次拧紧，在拼装下一环管片之前，对上一环管片所有螺栓进行三次拧紧。

（4）避免盾构机在推进过程中急纠偏，垂直方向姿态需要进行纠偏时，推进过程中不宜突变盾构机推力，要时刻关注盾尾姿态的变化量，每环纠偏控制在5mm以内，纠偏前要保证盾构机有一定的盾尾间隙，且盾尾间隙不宜小于20mm。

（5）减缓掘进进度，在推进下一环过程中，保证上一环管片同步注浆砂浆已经有一定的凝结，让同步注浆具有一定的抵抗力。

4效果分析及相关建议

4.1效果分析

佛山轨道交通2号线TJ3标花仙区间于2017年2月份开始针对管片上浮的问题采取相关改进措施，对未采取措施和采取措施后的成型隧道管片上浮量进行统计，具体详见表4-1和表4-2所示。

对未采取措施和采取措施的管片上浮量做曲线对比分析，具体见图4-1所示。

从上述图中可看出，采取上述措施后，管片上浮问题得到了明显的改善，因管片上浮造成的相关质量问题也得到了解决，并且在后续的登花区间盾构推进过程中，管片质量明显得到了提升和改善。因此，造成管片上浮的原因很多，与地质水文、盾构机纠偏情况、线路情况等均有一定的关系。当管片出现上浮后造成隧道质量病害时，采取同步二次注浆、改变砂浆配合比等措施，能够保证盾构掘进速度，同时也能够解决管片上浮造成的质量病害。

4.2相关建议

本文通过对本工程管片上浮情况研究分析，并经过工程实践证明，对后续工程的施工提出以下相关建议:

（1）盾构在推进过程中，当管片出现质量病害后，要认真分析原因，可通过采取相关技术措施进行解决。

（2）目前在广东片区管片普遍设计纵向螺栓数量为10个，管片上浮问题属于普遍存在问题，可通过采取增加纵向螺栓的数量及管片螺栓自身刚度，增加管片环向连接刚度，抵抗浮力，避免管片的上浮造成的质量病害。目前国内部分城市采用管片纵向螺栓设计16个，可提高相邻管片之间的约束力。

（3）减小管片环宽，减缓管片质量病害。管片宽度从1.5m减小到1.2m后，管片受到的浮力和自重均会减小，但相邻管片纵向螺栓数量未发生变化，管片之间的约束力未变，因此，抵抗浮力的能力将相应增加。

来源：施工资讯