成都典型泥岩地层管片上浮原因分析以及控制技术措施(韩涛)

摘要：随着盾构法施工技术在我国城市地铁的发展，使得盾构法越来越多的要应用到各种典型地层中，本文结合成都泥岩地层的特征,对控制成都地铁典型泥岩地层盾构施工中管片上浮这一难题进行探讨。

关键字：盾构施工；泥岩地层；注浆；管片上浮

1引言

伴随着盾构施工在我国的兴起，盾构技术越来越成熟，被不断的应用到各种典型地层中，在众多盾构施工中，成型隧道的质量是业主方、施工方、监理方以及设计方等等多家单位一直关注的结果，直接关系到成型的隧道能否投入到地铁运营当中去以及人民的安全是否能有保障。成都典型的泥岩地层盾构施工中，管片上浮直接导致管片大量错台、破损甚至直接影响到成型隧道线型的超限。成都地铁3号线一期工程主要是泥岩地层，部分标段都存在管片在泥岩地层中上浮问题。管片上浮量在0 ～10cm，导致管片连续错台、破损，引起了业主以及其他外界单位的高度重视。通过在实际施工中总结经验教训得出结论。1、泥岩地层中产生上浮力的主要因素是同步注浆浆液和水。2、通过同步注浆和二次注浆相互配合控制管片上浮和防止管片上浮引起管片错台破损是可行的。

2泥岩特征

泥岩地层按风化成度主要分为：全风化泥岩、强风化泥岩、中等风化泥岩。

（1）全风化泥岩：褐黄色、褐红色、紫红色夹灰白色，主要由粘土矿物组成，岩质极软，岩芯呈土柱状，少量碎块状。本层沿线广泛分布，发育厚度不均匀。层厚0.50～4.60m，部分地段缺失该层。

（2）强风化泥岩：褐红色、紫红色，泥质结构，裂隙较发育，岩芯多呈碎块状、短柱状，岩质软，为极软岩，岩芯碎块手可折断，岩体基本质量等级为Ⅴ类。层厚一般0.70～9.20m。

（3）中等风化泥岩：褐红色、紫红色，中厚层状，泥质或微钙质结构，泥质胶结。岩芯多呈柱状，少量呈碎块状，较完整，岩质较软，为极软岩，锤击易碎，部分地段软弱夹层或差异风化明显，易风化，遇水易软化，岩体基本质量等级为Ⅴ类。厚度一般1.50～14.10m。

3泥岩地层控制管片上浮技术

3.1泥岩地层对盾构施工的影响

盾构机在通过泥岩地层时，刀盘开挖直径大于盾构的直径，泥岩地层渗透性差，自稳能力强，盾构机外侧的土体与盾构机产生的摩擦力将会很小，盾构机滚动角变化快，刀盘前方的水以及一部分气体将会由盾构外侧流通到拼装完成的管片背后，影响盾构施工的同步注浆质量，管片背后空隙填充达不到饱满，浆液中的水得不到渗透，在短时间内浆液达不到凝固状态，管片不能稳定，导致管片上浮，错台和破损。

3.2管片上浮分析

通过施工现场实际检测得出的结论。对上浮的管片顶部11点钟和1点钟方向吊装孔位置开孔检查，发现成型管片壁后大部分是水或者空气，因此管片脱离盾尾后，其壁后与土体间的间隙可能被各种液体包裹，也可能下部被各种液体包裹，上部只有少量的液体或者没有，从而产生上浮力。这些主要的液体有：

（1）水

 盾构在泥岩地层中掘进时，泥岩渗透性差，自稳性好，当土仓压力大于盾体外侧的压力时，渣土改良中的大部分水和地层中的水可能没有跟着渣土一起经过螺旋机出去，而通过盾体与土体之间的间隙流到管片壁后，很容易形成浮力。对于刚脱离盾尾的管片,其壁后的盾尾间隙可能马上会被游离态的水包裹，从而更容易形成水浮力。

（2）注浆浆液

当管片脱离盾尾时，若同步注浆的浆液不能达到初凝和一定的早期强度。管片被包围在壁后注浆的浆液中，从而比水形成更大的浮力。

通过检查可将盾构管片上浮力分为“静态上浮力”和“动态上浮力”。静态上浮力是由泥浆、注浆浆液或者地下水包裹管片。造成局部管片浸泡在液态环境中。从而产生的上浮力，动态上浮力是伴随着盾尾管片壁后注浆的施工过程而产生的可能引起管片上浮、局部错台、开裂、压碎或其他破坏形式的力，该力并不一定是真正意义上的浮力，它有可能是一集中力，也可能是分布力，有可能作用在管片环底部,也可能作用在管片环周围任意注浆孔位置，因此本文不讨论该力计算方法。

3.2.1静态上浮力计算方法

当管片由地下水，注浆浆液包裹时,由浮力定律,得管片环受到的上浮力为:

F浮=πR02rj

式中：R02为管片外径， rj为浆液容重(考虑水浮力时即为水的容重，考虑浆液浮力时即为浆液容重)。

3.3控制管片上浮技术措施

经过上述对管片上浮的分析，同步注浆和水乃是导致产生上浮力的关键因素，也是盾构施工中不可缺少的一部分。既要满足盾构施工要求又要产生较小的上浮力是在泥岩地层施工中的难点，因此通过二次注浆与同步注浆的配合使用达到施工质量要求乃是本文的重点。

 3．3．1.同步注浆

同步注浆是通过同步注浆系统及盾尾的注浆管，在盾构向前推进、盾尾空隙形成的同时进行，浆液在盾尾空隙形成的瞬间及时填充。从而使周围岩体及时获得支撑，可有效地防止岩体的坍塌，控制地表的沉降。

（一）同步注浆目的

（1）尽早填充地层，减少地基沉陷量，保证周围环境的安全性。

（2）确保管片衬砌的早期稳定性和间隙的密实性。

（3）作为衬砌防水的第一道防线，提供长期、均质、稳定的防水功能。

（4）作为隧道衬砌结构的加强层，使其具有耐久性和一定的强度。

（二）同步注浆量

注浆量的确定是以盾尾建筑空隙量为基础并结合地层、线路及掘进方式等考虑适当的饱满系数,以保证达到充填密实的目的。根据施工实际,这里的饱满系数包括由注浆压力产生的压密系数、取决于地质情况的土质系数、施工消耗系数、由掘进方式产生的超挖系数等。一般主要考虑土质系数和超挖系数。土质系数取决于地层特征,一般取值为1.1~1.5。在完整性好、自稳能力强的硬质地层中,浆液不易渗透到衬砌周围的土体中去,可取较小土质系数甚至不用考虑。超挖系数是正常情况下盾尾建筑空隙的修正系数,一般只在曲线段施工中产生(直线段盾构机机体与隧道设计轴线有较大夹角时也会产生,其值一般较小可不予考虑),其具体数值可通过计算得出。

以上饱满系数在考虑时需累计。

同步注浆量经验计算公式:

Q=V·λ

V:填充体积（盾构施工引起的空隙）

λ：注入率

V=π（D2-d2）L/4

D:刀盘外径

d:管片外径

L:管片长度

（三）同步注浆速度与注浆压力

注浆速度要根据盾构司机的掘进速度来控制注浆速度，使浆液均匀的注入到管片壁后，注浆压力控制在1bar—3bar。尽量避免产生动态上浮力。

（四）浆液配合比

同步注浆浆液配合比（kg/m3）

      二次注浆主要采用双液型浆液进行注浆，分A液（水泥+水）和B液（水玻璃+水）通过二次注浆泵将浆液通过管片吊装孔注入到管片壁后，施工中以钟表点为标准，注浆点位在3点、9点之间（含3点、9点）的范围内。

（一）二次注浆目的

（1）防止同步浆液不饱满，导致上部管片壁后空隙大，下部浆液产生浮力。

（2）固定管片，防止管片因静态浮力而变动，解决静态浮力引起的管片上浮以及错台。

（3）形成止浆环，将浆液、水断开，减少静态浮力。

（4）分解同步注浆产生的上浮力。

（二）二次注浆的注浆量和压力

二次注浆压力是注浆量的决定因素，二次注浆压力主要考虑盾构管片拼装完后，螺栓连接处所能承受的最小破环压力来定，一般压力不超过5bar，根据二次注浆压力控制注浆量。

（三）注浆浆液配合比

二次注浆浆液配合比

根据盾构的特点，二次注浆作为配合同步注浆控制管片上浮、错台以及破损，其主要控制技术措施有：

(1)、二次注浆应紧跟同步注浆，防止拖后距离过长，不能达到预期效果；

(2)、注浆孔应该尽量设置在拱顶3点、9点范围内，以便更好的固定管片环和阻挡顶部水流通道；

(3)、注浆孔位宜设置在盾尾后3环处（是具体设备情况确定）；

(4)、浆液的凝结时间应控制在20s以内；

(5)、注浆时控制好注浆压力和注浆量；

(6)、二次注浆要与同步注浆相结合，随着盾构掘进的开挖，不间断施工。

4结束语

通过成都地铁3号线05标段的施工质量效果表明，在泥岩地层盾构施工中，对同步注浆和二次注浆进行相结合，既控制地表沉降又控制了管片上浮问题；综合说明，泥岩地层中盾构施工，成型隧道的质量是可控的。相信不久的将来控制泥岩地层中的上浮问题会有更多更有效的技术措施，保证施工质量以及日后的安全使用。