泥岩地层大直径盾构管片上浮及地表沉降控制技术

泥岩地层大直径盾构管片上浮及地表沉降控制技术

曹兵

   四川铁科建设监理有限公司   四川成都 611731

一、工程概况

1.1 平纵断面及环境情况

成都轨道交通17号线二期工程土建7工区机车厂站～人民塘站盾构区间位于成都市成华区，线路于2021年4月底由机车厂站始发平行蜀龙路前行，下穿下涧槽河后转向东北方向下穿普洛斯A线下穿隧道框架段，随后下穿成都市才艺学校和成都市职业技术学校操场后转向东南方向于2022年1月初到达人民塘站。左线长约1282m，右线长约1255m，最大纵坡28‰，最小曲线半径R=450m，L=389.013m；R=600m，L=613.329m，隧道拱顶埋深约12.5m～28m。

1.2工程地质

区间主要穿越地层为<4-1-3>黏土(硬塑)、<5-1-1>全风化泥岩、<5-1-2>强风化泥岩、<5-1-3>中等风化泥岩。

机车厂站～人民塘站区间地质饼图

1.3水文地质

场区主要位于平原区水文地质单元，其第四系松散堆积层分布广、厚度大。

根据成都地区区域水文地质资料和已建工程水文地质勘察资料，按地下水含水介质岩类和含水空隙特征，场地地下水主要有两种类型：一是赋存于黏土层及人工填土层中的上层滞水，二是基岩裂隙水。

1、上层滞水

上层滞水主要赋存于地表人工填土层、黏性土层中，大气降水，雨水沟、污水沟内的暂时性流水渗漏为其主要补给源。水量、水位变化大，且不稳定，无统一地下水位线，水量小，对区间影响较小。

2、基岩裂隙水

基岩裂隙水分风化裂隙水及构造裂隙水，受含水层岩性、地质构造、地貌条件、基岩风化程度的影响。总体上，基岩裂隙水发育具非均一性。因场区下伏基岩为白垩系灌口组紫红色、褐红色泥岩，该岩体结构致密，自然孔隙率低，岩体本身透水性较差。基岩裂隙水主要赋存于岩石强、中等风化带张开型节理、裂隙中，全风化岩含水弱，富水性差，中等风化岩的导水性和富水性主要受构造裂隙控制，具各向异性，强风化带内风化裂隙较密集，裂隙贯通性较好，为地下水的富集提供了良好的空间，因此在岩体强风化壳中，地下水水量较丰富，岩体的透水性等也较好，常形成局部富水段。根据成都地区水文地质及相关工程资料，泥岩渗透系数K约为0.027～2.01m/d，属弱透水层，本次利用初勘抽水试验成果，<5-1-3>中等风化泥岩渗透性系数K为0.35m/d，综合建议中等风化泥岩渗透性系数K取值为0.44m/d。

二、施工过程遇到的问题

２.１管片上浮情况及原因分析、对应措施

１、本隧道使用盾构机开挖，盾构机开挖直径8630mm，盾尾标准间隙设定为 45mm，盾尾采用被动铰接形式，盾尾四周共设置６路同步注浆管（4用2备），管片外径8.3m，单环管片重约 46t。管片在尾盾内拼装成环，衬砌环拼装方式采用错缝拼装，通过M8.8弯螺栓机械连接，由盾构机千斤顶顶推压紧。

２、管片上浮情况统计通过机车厂站~人民塘站盾构区间左线管片姿态测量资料对管片上浮情况进行总结分析，由管片拼装后的垂直姿态与脱出盾尾稳定后的管片垂直姿态对比数据，见下表。

３、管片上浮原因分析

成型管片上浮是常见的施工质量问题，也是隧道施工过程中一直比较受关注的问题，根据本工程中遇到的问题，通过分析认为造成本工程管片上浮的原因主要为地层中裂隙水汇聚及浆液质量不良对管片向上的浮力大于管片自身重力，盾构切削直径大于管片外径，使得管片与地层之间存在活动间隙，浆液凝固时间长，对管片活动约束性不强。

４、管片上浮控制基本措施

　　首先要调整同步浆液配合比，缩短初凝时间，增加浆液配比中的水泥和粉煤灰用量，将砂浆的初凝时间由原来的10小时缩短到4~6小时；同时提高浆液的稠度，通过在浆中添加增稠剂的方式，调高砂浆的稠度，增强砂浆的抗冲刷能力；同时控制浆液体积和压力双控，做到实际注浆量不少于理论注浆量，注浆终孔压力大于2bar。

浆液调整前后照片

　　其次，为控制管片上浮，在实际施工中，双液注浆（水玻璃和水泥浆）比例按1:1 配置，初凝时间基本控制在30s左右，在上浮量较大的区段，缩短初凝时间到10-15s。增加双液注浆频率和点位，把握注浆时机，推进过程中在盾尾后第3～5环对管片上部进行二次注浆充分填充上部空隙。

　　最后，可根据上浮量适当调低垂直控制姿态，可以将导向系统的垂直控制点向下压 －７０mm，以抵消隧道整体上浮的位移量。同时辅助槽钢拉锚增强管片的抗浮能力，将盾尾后部 1-2 环管片使用槽钢与盾尾内的管片连接起来，使盾尾前后的几环管片成为一个整体，提高此区域管片的抗浮能力。

2.２ 地面沉降异常情况原因分析、对应措施

盾构机掘进过程中发生地面沉降的原因主要，包括隧道支护力缺乏、掘进距离存在超挖以及对岩层造成扰动，浅覆土因承载力不够而发生地基隆起的问题 。针对地面沉降产生的主要原因，此工程施工中通过采用

提前对地层注浆加固地层，以及调整控制上浮量减小隧道上浮力的做法，对盾构机每天掘进量进行控制。根据对地面监测数据分许，对掘进距离和注浆情况进行控制。

１、地面沉降原因分析

对于浅埋隧道掘进段或非成拱性泥岩地层，掘进参数设定不当或非计划性长时间停机容易发生地面沉降、隆起等问题，盾构机推力和扭矩对土体的承载力产生了直接影响，不同程度影响地面沉降，地层有效覆土作用力小于管片向上浮动的作用力。

监测数据

２、地面沉降控制基本措施

　　在浅覆层盾构机掘进过程中，为了预防软土层产生隆起问题，将掘进速度控制在20～４０mm/min左右，盾构机的总推力控制为6000～８０００kN左右。为了预防浅埋区域产生大规模地基沉降的问题，将盾构机每日掘进量控制在４～６环左右，同时做好同步注浆量和压力控制，减少因管片上浮造成地面隆起。在全、强风化地层掘进，做好保压掘进，土仓上部压力不低于刀盘前方水土压力，做到连续快速掘进。

三、结语

通过上述施工过程中经验可得，在泥岩地层盾构施工，通过控制盾构掘进参数，调整同步浆液配合比，缩短初凝时间，把握二次注浆时机加以外力限制管片活动可有效控制管片上浮，减少了因管片上浮引起的错台、破损或渗漏水等质量问题；同时根据地面监测数据及洞内管片姿态测量相结合信息化管理，可以有效提高盾构浅水覆土层的施工效率和安全性，及时调整掘进、注浆参数的作业方式，可以有效控制隧道上方土体隆起、沉降，减少社会负面影响。