中铁二十局集团第四工程有限公司山东青岛266061
摘要：本文以地铁项目盾构施工为例，对引起管片上浮、漏水等问题的原因进行综合分析，并提出了预防的基本方法。
关键词：盾构；管片；渗漏水；注浆
1概述
盾构施工已成为城市地铁区间施工的主要方式，控制线型，防止漏水成为控制的关键工作，其中管片错台上浮是最常见的问题，经过一年多的实践和向同城兄弟单位的学习借鉴，分析总结了产生上浮的主要原因以及在盾构施工中存在的一些误区给予阐明。
1.1上浮原因
盾构机选型、地质状况、盾构机操作人员的熟练程度和经验及同步注浆和二次注浆的控制是造成管片上浮的主要原因，但在施工当中，只有盾构机的操作，同步注浆和二次注浆才是抓手。
1.2防止管片上浮存在的几点误区
（1）认为管片上浮是因为5点位和7点位同步注浆浆液压力抬起了管片；放弃使用5点位和7点位注浆，仅用2点位和11点位；
（2）强调依靠二次注入速凝双液浆来控制管片变形；
（3）过多强调依靠二次注浆来堵水，并通过速凝浆液来达到加快堵水的目的；
（4）不重视同步注浆和二次注浆的压力控制，本着直到注不进去为止的原则；
（5）强调注入浆液的数量，忽视浆液的质量；
（6）通过盲目压低轴线位置，以求管片上浮后能够符合设计标准。
以上误区的产生，往往导致了控制管片上浮失效，被错误的总结为地质客观原因造成的管片上浮不可控。下面就以青岛地铁1号线土建二标气流区间隧道盾构施工为例加以说明。
2编制依据
《青岛地铁1号线工程勘察三标段汽车北站-流亭机场站区间岩土工程勘察报告》、《汽车北站-流亭机场站区间主体结构图》、《青岛市城市轨道交通工程质量安全检查标准》、《青岛市城市轨道交通工程施工质量管理标准化控制要点》、国家标准《地铁设计规范》
3工程概况
3.1本工点概况
在建青岛市地铁1号线工程汽车北站~流亭机场站区间为左右分修的两条并行的单线单洞地下区间，区间起讫里程分别为K58+309.650~K61+344.625，隧道长度3034.975m，线间距14.0~15.0m；采用盾构法施工，刀盘直径6280mm，管片直径6000mm，厚度300mm，起点位于汽车北站西侧的线路汽车北站，向西北延伸，结构拱顶埋深7.8~29m，于流亭机场站吊出。
3.2工程地质
本区段所在的青岛市城阳区，位于青岛的北部，靠近即墨市，整体位于中朝准地台（I级）鲁东迭台隆（II级）胶莱中台陷（III级）朱吴~即墨凹段束（IV级）内。该区至第四纪以来，一直接受山前河流的冲积堆积作用，从而形成了较厚的第四系松散沉积层。
区域上较大的地质构造有①胶州断裂②郭城~即墨断裂③朱吴~店集大断裂中的沧口~夏庄断裂，这三条断裂同系新华夏系III级微弱全新活动断裂。上述断裂构造对地铁工程的影响主要表现于岩体节理裂隙发育，局部发育有糜棱岩、碎裂岩等构造岩，构造裂隙水发育，形成相对不均匀的岩石地基。洞身通过该段时可能会发生涌水、掉块甚至坍塌的现象。节理空间分布上一般在断裂带两侧比较发育，常形成节理密集带，地下水相对较丰富。
3.3水文地质
水文情况：青岛地区地貌类型主要为构造～剥蚀残区、山麓斜坡堆积区及河流侵蚀堆积区，地下水类型主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水，本段地铁线路沿线所属地貌为冲洪积平原~河床~冲洪积平原地貌，地下水主要赋存在第四系松散砂土层及基岩的裂隙中。上层滞水的动态随季节、大气降水及地表水的补给变化而变化。基岩裂隙水的动态与第四系孔隙水密切相关，主要接受大气降水和上部第四系孔隙水的下渗补给，总体受季节性变化较明显，丰水期水位上升，枯水期水位下降。地下水稳定水位埋深：1.00~7.50m，绝对标高：0.86~10.80m。根据青岛地区凿井抽水试验资料，基岩裂隙水单井用水量一般<20m3/d。渗透系数k<4m/d，影响半径几米~十几米。本段地铁线路沿线在K58+309.65~K58+953段、K59+210~K61+344.65段地貌单元为洪冲积平原，场区3～5年的最高水位标高由小里程到大里程为：12.0～10.00m。K58+953~K59+210为白沙河河床地貌，白沙河近3~5年的最高水位标高不超过10.0m。
4通过几组数据分析管片上浮的原因，确定相关参数
4.1分析图1中的测量数据，与现场相结合得出管片上浮原因
图1为盾构始发阶段，数据分析可以看出前30环都是比较稳定的，没有管片上浮现象，从31环开始出现上浮，随着掘进长度的增加，管片上浮越发严重，压低盾构运行轴线，最大下行量-31mm，管片上浮量仍旧超过了隧道设计中心线50mm的规范要求，管片的最大上浮绝对量为∣-31∣+53=84mm，现场表现是前30环管片基本无错缝，无漏水点，但是随着管片上浮量的增加，错缝明显呈现，管片局部现渗漏水点并逐步增多。
查找原因发现：
（1）现场为了赶进度，个别管片背后在没有同步注浆的情况下继续掘进；
（2）盾构已经在26‰的下坡中掘进86环（129m）的距离，二次注浆还没有开始；
（3）测量工作跟进不到位，未能及时反馈管片上浮趋势，致使管片上浮量超限。
查明原因后，暂停掘进，对同步注浆和二次注浆分别做了明确的规定。
4.1.1同步注浆量
4.1.1.1同步注浆量的确定
刀盘的开挖直径6280mm，管片的外径6000mm，管片与围岩间的填充面积S=2.7m2，1.5m管片的标准注浆量V计=2.7*1.5=4.05m3,考虑到围岩性质取1.3~1.5的修正系数，实际注浆量4.05*1.3≤V实≤4.05*1.5既5.3≤V实≤6.1，每厘米的注浆量为6.1&pide;150=0.04m3/cm，盾构机推进速度为30mm/min，每分钟的注浆量为V注=0.04*3=0.12m3。
盾构自身携带两台施维英KSP12同步注浆机（10m3/h），每分钟的最大注浆量为2×0.16m3/min，最大注浆量能够满足盾构机80mm/min的推进速度。
4.1.1.2同步注浆压力的确定
表1隧道正常涌水量计算表（裘布依理论式）
根据地勘资料表1中H洞底以上含水厚度和RY隧道涌水段的补给半径，同时考虑到线路的纵断面不等，以右线为例，同步注浆压力值取H中的平均值H均=（23+28.3+28.5+29.4+28.3+23.6+16.4）&pide;7≈21.3m，换算成压力相当于2bar，可以根据现场情况适当调整，但是要小于盾尾刷的最大承受压力3bar（盾构机设计参数）。
实际操作中，同步注浆的压力控制在2bar~2.5bar，注浆速度与掘进速度相匹配为0.12m3/min，注浆总量控制在5.3m3~6.1m3，根据掘进参数，实现注浆量与注浆压力双控，做到注浆饱满，不损坏盾尾刷，避免同步浆液进入刀盘。
4.1.2二次注浆
4.1.2.1二次注浆压力的确定
考虑到二次注浆的堵水效果，根据地勘资料1中含水厚度H值，取其中的最大值作为注浆压力参考值29.4-6+1.5=24.9m，29.4m为最深含水厚度，6m为管片直径，1.5m为控制浆液进入围岩的深度，24.9m深处承受水的压力大约为2.5bar，可根据现场情况做出适当调整，但是不能超过盾尾刷的最大承受压力3bar。
4.1.2.2二次注浆位置的确定
(1)一环管片完全浸入水中受到的浮力
根据浮力公式F=ρ*ɡ*V
F=1.0*103kg/m3*9.8N/kg*π*32*1.5=415422N=42.39T
由设计图纸得到管片的重量G管=ρ*V，按照混凝土密度2500kg/m3，每环管片方量为8.05m3，来计算：G管=2500*8.05=20125kg=20.125t
F－G管=42.39－20.125t=22.265t＞0得出结论管片在水的浮力作用下会上浮。
(2)根据涌水量和浮力的关系确定二次注浆的管片位置
表2隧道最大涌水量计算表（古德曼经验式、铁路规范经验式）
地勘资料表2中计算平均每小时每米的涌水量为q（K59+644~K61+199.4特殊段不计算在内）：q=（19.9*429.35+22.99*116+2.89*93+23.68*
398.7+5.75*112+20.2*185）&pide;（429.35+116+93+398.7+112+185）&pide;24≈0.79m3/h.m。
根据现场盾构机的掘进速度30mm/min，1.5m的管片需要1个小时，平均涌水量q=0.79m3/h.m，计算得出L=20.125&pide;0.79≈25.47m长的隧道断面涌水量是20.125m3，等于管片受到的浮托力。上面计算得出管片上浮与时间和隧道长度的关系：
①时间为1小时，当隧道断面的长度大于25.47m时，涌水量大于20.125m3，不考虑其它因素管片会因浮托力上浮。
②隧道断面长度为25.47m，时间超过1小时时，涌水量也大于20.12m3，在不考虑其它因素的情况下，同样管片会因浮托力上浮。
每环管片的长度为1.5m，25.47&pide;1.5≈17环，为控制管片上浮，应该在不超过25.47m即不大于17环的位置处对成型管片周围围岩的水系进行较彻底的二次注浆封堵
4.1.3针对该段管片采取背后二次注浆处理，过程中出现了以下两种情况：
（1）注浆后部分管片错缝量变大，漏水点增加，新的漏水点不断出现。现场盯控发现，工人拉长开孔距离，通过加大注浆压力，扩大单孔注浆量，完成注浆作业，致使管片局部受力过大，变形严重，破坏了橡胶止水条的密封效果。后来控制2.5bar的压力，每17环开一处注浆孔后，上面的问题全部得到解决。
（2）为了快速封堵漏水点，二次注浆采用凝结快的双液浆，结果是，很多漏水点没有改善，而且，后期反复出现漏水，分析认为是由于浆液凝固时间短，分散性不好，出现局部早凝，管片受力不均，影响浆液的均匀扩散，而且分散性不好，浆液不能均匀的渗透到沉渣和岩层中，不能全面阻断管片和水的接触。通过多次调配，在浆液中添加膨润土，控制浆液波美度的精确性，堵漏效果更好，更稳定。如表3多次试验后的二次注浆浆液配合比。
表3二次注浆浆液配合比
4.2分析图2中测量数据，查找管片上浮原因
图2
图2数据显示，管片在盾尾内还是很好的，但是脱出盾尾后出现突然上浮，且上浮量比较大，采取加强二次注浆和开孔放水的措施，能够控制住管片继续上浮，但是并不能使管片恢复到合理位置。
查找原因发现，由于浆液车损坏，同步浆液跟不上，该段管片没有注浆，导致292~298环管片上浮突然，上浮量大，并且测量预警没有引起相关人员的注意。从299环起，同步注浆跟上后，管片的上浮立马得到控制。
4.3分析图3中测量数据，查找管片上浮原因
图3
4.3.1图3表面看像是没有问题，管片的上浮量都控制在可允许范围内，但是，现场实际情况是该段管片漏水非常严重。从374~389环可以看出管片的绝对上浮量都超过了50mm，经过长期观察发现，一般来说，管片的变形量超过30mm，管片的止水胶条就会出现局部封闭失效，漏水点出现，随着管片变形量的增加，漏水点也急速增多。该段提醒我们，通过单纯的压低盾构的轴线来达到控制超限的目的并不是明智之举。
4.3.2漏水、上浮原因分析：
该段V级围岩，构造破碎带，水量大，围岩较软，开挖速度较快，有小量超挖现象，同步注浆量不足，没有及时调增，二次注浆进度明显落后，为了避免上浮量报警影响掘进速度，一味的降低盾构轴线位置，忽视管片绝对上浮量，是造成管片漏水的主要原因；
一个不可小觑的原因，同步注浆时，盾尾下部注浆管路堵塞，仅通过上部的注浆管路注浆，这样在有大水量的情况下，同步浆液被水稀释严重，使得同步浆液的初凝时间延长，同步浆液的结石率急剧下降，管片上部空腔变大，水的补给量增加，管片下方的透水性沉渣不能被同步浆液很好的渗入，形成多种情况的透水区。
4.3.3解决管片上浮和漏水的方法
（1）盾构机放慢掘进速度，控制在50mm/min以内，依据上面的计算方法，确定同步注浆速度，保证同步注浆能够满足开挖进度的需要；
（2）适当调整同步浆液的配合比，在保证浆液工作性能的基础上，尽量加大浆液的粘稠度，避免因水量大影响到浆液的凝结时间；
（3）调整浆液的凝结时间为4~4.5小时之间，参照表4，在盾构机的浆液罐里加入早强剂，既不影响注浆泵的工作性能，又能很好的控制管片的上浮，切忌在浆液搅拌时就加入早强剂，距离注浆时间过长，有很多不确定因素，可能会影响浆液的使用。
（4）注意同步注浆的顺序，特别是水量大的情况下，一定从底部往上部依次注入，控制注浆的速度与盾构机的掘进速度相匹配，避免浆液被稀释和减少沉渣量。
（5）时刻核对出渣量与掘进速度是否匹配，一旦有超挖现象，及时增加同步注浆量。
（6）重视二次注浆，做到及时补浆堵水，特别是软弱地层，还要满足填充空隙，防止地层塌陷的要求。
表4同步浆液标准配合比
图5
4.4.1图4中数据显示
（1）相邻每环管片的第一组数值差别较大，管片在盾尾内已经出现错台，说明盾构机的姿态有问题，结合现场地质情况，该地段地层上软下硬，差别大；又靠近白沙河，水量丰富，水头压力大，现场还表现为管片破损处较多，错缝严重，漏水点多。
（2）管片脱出盾尾后，有大幅度的上浮，盾尾铰接油缸行程差别大，盾尾间隙不均匀，单靠加强同步注浆和二次注浆，不能完全控制管片的上浮，拼装管片收拢油缸时，发现管片和油缸撑靴间有释放扭力的现象，反映出盾构有侧滚倾向。
4.4.2解决方法
上述迹象表明，地质不均是主要原因，在处理这个问题时，主要从以下方面着手：
开挖时，刀盘内不仅加入泡沫剂，还要加入膨润土溶液，做好渣土改良工作，减少刀盘的摩擦力，借助泥膜封堵围岩的水流，舱内压力控制在1.5bar左右，不易过高，本身底部围岩较硬，盾构机掘进困难，压力过低又不利于控制水流量，出渣过程中易喷涌；
控制推力，把油缸推力由16000KN~18000KN调整为14000KN以下，减小各区推力差，调整盾尾间隙，避免盾尾对管片的局部压力过大，造成管片变形破损；
推进中，加强盾构姿态控制，注意刀盘的启动、转动方向和速度，不要产生侧转的扭力，避免管片破损；
加强同步注浆和二次注浆，该地段为三级围岩，岩石的单轴抗压强度达到85.04MPa，盾构掘进速度在20mm/min以下。掘进速度慢，做好注浆工作，对控制水很关键，也是比较简单有效的方法。
4.5图5是砂层中的典型代表
图5显示，管片的数据特别稳定，实际中现场的各参数也都非常稳定，土舱压力控制在1.5~2.0bar，注浆量4~4.5m3，推进速度40~50mm/min。
地勘资料显示该段渗透系数K=45m/d，最大涌水量达到1774.7m3/d.m，地下水特别丰富，但是该段施工的管片无一处漏水点，无超标错台，各项指标均精于规范要求。
4.6小结
通过对测量数据的分析和对现场实际情况的调查相结合，找到了盾构施工中管片不稳定的因素，并针对性的提出了有效的控制方法，方法比较简单，关键工作是践行方法的质量要到位。
在向兄弟单位的学习和交流中，发现主动铰接盾构机要比被动铰接盾构机的姿态更好控制，更有利于管片的稳定；
在硬岩富水地层中掘进，大家越来越倾向于控制同步浆液的同步数量、粘稠度和凝结时间，注重管片自身的防水比通过注浆堵水更重要；
二次注浆在后期的堵水、截水中的作用不可忽视，做到及时有效。
盾构施工的普遍应用，要求我们进一步关注它的质量控制，防水不是朝夕的事情，需要有一个长期考验的过程，我们现在做的事情能不能符合永久工程的标准，还有待验证，但是在现有的方法和技术措施范围内，必须扎扎实实地做牢。