盾构隧道管片浮上管片施工问题分析

盾构隧道管片浮上管片施工问题分析

1管片上浮原因分析预制混凝土管的浮动一直是施工预制混凝土管的技术问题。GB50299-1999地下铁道工程施工验收规范中规定管片拼装后,隧道轴线的高程和水平位移不得超过±50mm。引起盾构隧道管片上浮的因素很多,如工程地质、水文地质、衬背注浆质量、盾构姿态等。由于盾构机的开挖直径大于管片的直径,并且盾构机的蛇形推进,在管片周围产生的超挖为上浮提供了外在条件。管片脱出盾尾之后受到周围浆液(或地下水)的浮力大于自身重力作用,并且由于注浆工艺和浆液质量使得浆液的初凝时间较长,这就成为了上浮的内在原因。脱出盾尾的管片就在上述若干条件的共同作用下在一定时间内产生竖向的位移。该位移的方向基本都向上,故被称为管片的上浮。本文以上海轨道交通二号线西延伸段盾构隧道工程为背景,以较高的监测频率采集得到不同时间管片上浮的实测数据。通过对监测数据的分析,得到管片上浮的发生和发展规律,为确保施工精度和提高工程质量提供依据。2工程概论与地质条件分析2.1工程地质及管道设计上海轨道交通2号线西延伸工程(Ⅵ标)包括出入段线区间盾构隧道(含一个旁通道和一个盾构工作井)、暗埋段和敞开段。本标段虹桥临空园站-北翟路工作井区间隧道工程,入段线全长1257.937m,出段线全长1241.55m。隧道最大覆土厚度约为15.5m,隧道水平曲线最小转弯半径为399.85m,最大纵坡为37‰。隧道外径为6200mm,内径为5500mm,衬砌为环宽1200mm的通缝管片,环纵向均设有凹凸槽。管片采用通缝拼装,M30双头直螺栓联接;环缝及纵缝间防水材料采用三元乙丙弹性密封垫。在施工过程中,管片受到现场地质条件,以及开挖和浮力的影响而产生上浮。2.2土层及灰色粘土本区段隧道埋深中间深,两端浅,隧道顶板标高-1.361～-11.129m。隧道所在场地地层分布较稳定,分层界限明显,土层起伏变化不大。整个区间隧道穿越土层主要为软土层,包括③1层灰色淤泥质粉质粘土、③2层灰色粘质粉土、④层灰色淤泥质粘土、⑤1-1层灰色粘土层,除③2层透水性好外,其余土层呈流塑状态,尚均匀。第4层灰色淤泥质粘土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。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地表径流,水位动态为气象型,地下水埋深取0.5〜0.7m。本标段施工区域微承压含水层分布于⑤2粉细砂层中。3现场监控技术3.1管片监测仪器首先确定一定数量的待测管片作为试验段,本文选择了712～762环区间管片进行监测。该区间有50环管片,由于该段隧道的纵坡和曲率等因素相对稳定,故选作待测管片。监测仪器采用电子水准仪和标尺,并记录监测期间的注浆参数。最后对监测数据及其反映的上浮规律及特点进行比较,归纳和总结。3.2盾构管片的高程测量监测仪器采用水准仪和标尺,在拼装好的管片脱出盾尾后的不同时间采集管片的高程并与其初始的高程相比较即可得到上浮的情况。在盾构推进过程中,每环管片都会经历拼装、脱出盾尾和远离盾尾这三个阶段。在最新一环管片脱出盾尾的时候即可使用监测仪器对到盾尾距离最近的5环待测管片进行高程测量,而刚脱出盾尾的管片高程则为该管片的初始高程。超出5环的待测管片以后每12h进行高程测量一次,直至所有待测管片的高程趋于稳定。对待测管片的监测期间,还应收集同步的注浆信息,以便比较分析。4管片的上浮行为在盾构推进的过程中,每环管片脱出盾尾都有一个初始高程。在之后的监测过程中,每环管片脱出盾尾后不同时间采集到的高程与初始高程的差值就得到该管片的上浮量。而监测期间的注浆情况也相对稳定,均采用上两孔注浆(1号和4号孔),注浆压力0.4～0.45Mpa,每环注浆量3.2m3。表1中列出了从712环到721环管片在脱出盾尾后56h内的上浮情况。从整体上看,每环管片的上浮量均由小增大。其中,上浮的最大值为43mm,最小值为29mm,上浮值大都集中在30～40mm这个范围内。在管片脱出盾尾32h,各环的平均上浮量为34mm;脱出盾尾44h的平均上浮量为36.3mm;脱出盾尾56h的平均上浮量为35.6mm。可见管片在脱出盾尾约30个小时以后,上浮就基本停止。图1和图2分别显示了管片712～716和717～721脱出盾尾后56h的上浮变化规律。管片的上浮行为从脱出盾尾即开始,而且逐渐增大。从图中观察出,管片在脱出盾尾的初期(20h)上浮增长迅速,到第20h的上浮量就已经达到最终上浮量的75%～85%左右。就其机理而言,因为在管片脱出盾尾初期,壁后的注浆处于流体状态粘阻力相对较小,而且管片下部土体因卸荷回弹,对管片的上浮有明显作用,管片上浮的因素显著。管片在脱出盾尾约30h后,各种使得管片上浮的因素作用减弱,上浮趋于停止,最终的上浮量保持在30～40mm这个范围内。图3显示了从712到721这10环管片分别在拼后2h,8h,20h和56h的上浮。从图3中可以看出,不同管片的上浮速率虽然不同,最后的上浮量也不同,但是相同的是它们在拼后初期的上浮速率较大,而且在拼后8h就几乎完成了最终上浮的一半左右。从图中观察得到,拼后56h相对于拼后20h的上浮值并没有较大增加,说明管片在拼装20h后上浮速率变得很小,上浮逐渐稳定下来。尽管管片在脱出盾尾后的一段时间内保持较快的上浮速率,但不一定越靠近盾尾上浮速率就越大。从表1中可以得到,在脱出盾尾初的2h内管片的平均上浮速率为2.15mm/h,在之后的3～8h内平均上浮速率却有2.45mm/h。可见在脱出盾尾后3～8h的上浮速率是略高于刚脱出盾尾后2h的。主要因为管片刚脱出盾尾却受到千斤顶的约束作用,越靠近盾尾的约束作用就越显著,限制了管片的上浮行为,所以刚脱出盾尾的管片的上浮速率并不一定是极大的。5影响因素及管理费用5.1盾构隧道衬砌的防水性能为保证盾构的顺利掘进和管片拼装,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,于是在盾构开挖的洞身与管片外径间存在建筑间隙Δ=D-d。在上海高水位软土地层中,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,如不及时填此空间,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则有上浮的趋势。可见管片混凝土自重G小于水浮力F,而拱顶土体施加在管片结构上需要时间,这就解释了在拼装管片初期为何隧道上浮位移发展快的原因。5.2复合体表面活性剂如前所述,隧道上浮有两大条件:一是建筑间隙Δ的存在,二是引起上浮位移的力,衬背注浆在填充了建筑间隙Δ的同时,让隧道与周围土层紧密接触形成稳定的复合构造体共同抵抗外力。但是一般盾构区间隧道衬背注浆采用惰性浆液,其主要成分为砂、粉煤灰、陶土和水,24h强度很低,在富水软土地层中,惰性浆液初凝时间长,而且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有漂移趋势的管片挤到隧道底部或地层其他间隙,进一步加剧了隧道上浮。5.3调整各分区油缸千斤顶的推力来调整盾构机的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,盾构隧道无论是盾构机偏离隧道中心线以下还是线路坡度变化,均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。即通过加大下部C区千斤顶的推力来调整盾构机的姿态。这样,致使管片底部受到大于上部的作用力,管片环面上受力不均,加剧了管片上浮的趋势。5.4控制管片上浮(1)选择适当的注浆浆液及方法: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(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。(2)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。在施工中重点控制急曲线点,如地铁隧道的最低点,纵曲线由下坡变到上坡。为了抑制隧道的上浮,可以适当合理利用千斤顶不均匀施力,但分区油缸千斤顶的压力差不宜超过30MPa。(3)控制掘进速度: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。(4)适当降低盾构机的姿态,有意识地压低管片高程,即将盾构降到设计曲线以下掘进,让随后上浮的隧道回到设计轴线位置附近,使脱出盾尾的管片不至于超限。盾构的掘进曲线与成型隧道的轴线可能并不是完全吻合,应根据施工情况摸索其相互关系。5管片上浮速率(1)管片的上