談曉亮

（上海隧道工程有限公司，上海市 200032）

超大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道上浮施工影響因素的研究

談曉亮

（上海隧道工程有限公司，上海市 200032）

超大直徑泥水平衡盾構(gòu)在淺覆土施工過程中，剛脫出盾尾的隧道管片易產(chǎn)生“上浮”現(xiàn)象。如在施工中不采取相應(yīng)的措施，隧道管片的上浮不僅直接關(guān)系到工程本身的質(zhì)量和安全，而且會(huì)對(duì)隧道周邊環(huán)境保護(hù)造成巨大的影響。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)造成隧道上浮的施工因素進(jìn)行詳細(xì)分析，為制定抗浮措施提供了初步的依據(jù)，綜合考慮外部因素和內(nèi)部因素，提出具體建議，可供同類工程借鑒。

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0　引言

近年來，為了緩解大城市交通壓力，越江隧道起著越來越重要的作用。超大直徑盾構(gòu)作為越江隧道的主要施工手段，在盾構(gòu)進(jìn)出洞階段的上浮問題顯得尤為突出。根據(jù)上海多條大直徑泥水盾構(gòu)越江隧道的施工經(jīng)驗(yàn)，管片脫出盾尾后都會(huì)出現(xiàn)不同程度的上浮。盾構(gòu)上浮形成的環(huán)向踏步不僅影響了成型隧道質(zhì)量，造成滲漏水，嚴(yán)重的還會(huì)對(duì)地面環(huán)境保護(hù)帶來潛在的威脅。因此，有必要對(duì)超大直徑盾構(gòu)上浮原因進(jìn)行深入分析和總結(jié)，并制定針對(duì)性的措施。本文結(jié)合某建成的大直徑越江隧道工程實(shí)例對(duì)隧道上浮原因進(jìn)行分析，為制定抗浮措施提供依據(jù)和方向。

1　虹梅南路隧道施工階段盾構(gòu)始發(fā)段上浮情況

上海市虹梅南路隧道是連接閔行區(qū)和奉賢區(qū)的一條大直徑越江隧道，盾構(gòu)段隧道全長(zhǎng)3 391 m，先由1臺(tái)14.93 m海瑞克氣泥水平衡盾構(gòu)從奉賢段工作井始發(fā)進(jìn)行西線隧道施工，盾構(gòu)到達(dá)閔行接收井后調(diào)頭再完成東線隧道施工。東線隧道始發(fā)段主要位于④灰色淤泥質(zhì)黏土（占60%）以及⑤灰色黏土（占40%）中，出洞頂部覆土9～10 m，如圖1所示。

圖1　盾構(gòu)閔行始發(fā)段1～100環(huán)地質(zhì)橫縱剖面圖

虹梅南路東線隧道始發(fā)0～100環(huán)推進(jìn)過程中，隧道出現(xiàn)比較明顯的上浮，管片之間產(chǎn)生一定踏步，最大處可達(dá)3 cm，但尚處于可控范圍內(nèi)，地面環(huán)境保護(hù)較好，沒產(chǎn)生較大的地面沉降?？垢〈胧┲饕堑孛娓欁{、盾構(gòu)內(nèi)部壓載以及調(diào)整注漿參數(shù)等。

2　隧道上浮原因分析

隧道上浮是因?yàn)槌尚退淼赖淖灾丶吧细餐翂毫Σ蛔阋缘挚雇饨鐚?duì)其施加的浮力，隧道所受的上浮力可以分為靜態(tài)外力和動(dòng)態(tài)外力。靜態(tài)外力是指隧道長(zhǎng)期被包裹在液體中而產(chǎn)生的浮力，主要是因注漿漿液、地下水、帶壓泥水等包裹產(chǎn)生的上浮力；動(dòng)態(tài)外力是指盾構(gòu)糾偏以及同步注漿壓力?；谝陨显虻姆治霭l(fā)現(xiàn)隧道上浮受施工因素影響還是比較大的，下文將結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行分析和研究［1］。

2.1施工環(huán)境因素

隧道上浮的外部因素主要包括施工場(chǎng)地內(nèi)不明的地下建（構(gòu)）筑物和不良的地質(zhì)，如能在施工前充分將盾構(gòu)施工沿線環(huán)境情況排查清楚，并結(jié)合不良現(xiàn)狀采取預(yù)處理措施，如土層置換加固、清障等，則可以降低施工外部因素的影響。

（1）不良地質(zhì)。如盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)覆土層存在暗浜以及質(zhì)量較差的回填土，且覆蓋面廣、埋深大，會(huì)減小上覆土的抗力并造成隧道上浮。

（2）不明的地下構(gòu)筑物。盾構(gòu)上覆土內(nèi)存在不明的地下空腔結(jié)構(gòu)，降低了上覆土荷載，應(yīng)采取清障并回填壓實(shí)原狀土的措施。

（3）具體實(shí)例。虹梅南路隧道東線出洞階段在1～100環(huán)內(nèi)產(chǎn)生了一定的隧道上浮（見圖2），根據(jù)地質(zhì)勘探資料發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)始發(fā)范圍內(nèi)存在一條廢棄的1 650 mm排污管道，其平行于隧道軸線正上方沿推進(jìn)方向延伸；且該范圍地處暗浜回填區(qū)域，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開挖取樣發(fā)現(xiàn)大面積的腐殖土位于隧道正上方，厚度達(dá)1～1.5 m。以上不良環(huán)境因素如不及時(shí)處理，會(huì)加劇隧道上浮。

圖2　隧道上浮地面情況環(huán)境示意圖

2.2施工內(nèi)在因素

相比施工外部環(huán)境因素對(duì)隧道上浮的影響，施工內(nèi)在因素對(duì)隧道上浮的影響更大，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工參數(shù)對(duì)上浮可起到有效的控制。

2.2.1泥水后竄

有道是“寶貝放錯(cuò)了地方就是垃圾”。依我看，“能量”一旦用錯(cuò)了地方，就是“廢品”，甚至是“危險(xiǎn)品”。我們知道，毒品中毒有急性與慢性之分，而慢性中毒更為常見。所謂慢性中毒，是指人體臟器通過吸收毒品，積少成多，慢慢累積，以致形成侵蝕和損害，且中毒所造成的疾病狀態(tài)會(huì)一直伴隨?，F(xiàn)實(shí)生活中，一些人因?yàn)椴涣私饴灾卸镜母拍詈臀：?，麻痹大意，吸毒中毒。鐵的事實(shí)表明，毒品既毒害著社會(huì)，也毒害著家庭，更毒害著身體。而像吳業(yè)平這樣的干部，因?yàn)椤澳芰俊庇缅e(cuò)了地方，其造成的危害，并不亞于毒品。

由于盾構(gòu)整體設(shè)計(jì)成倒錐形，刀盤存在一定的超挖量，所以盾構(gòu)殼體與外界土體存在一定的間隙，如果泥水壓力設(shè)定較高，宜通過該通道后穿至后方成型隧道，造成管片上浮，此時(shí)管片被包裹的介質(zhì)不再是土體中的水體，而是同步漿液和泥水的混合物，比重大，導(dǎo)致脫出盾尾的管片所受的浮力增大。例如，目前大直徑泥水平衡盾構(gòu)泥水比重一般控制在1.2～1.3 kg/m3。如混合同步漿液后將達(dá)到1.5～1.6 kg/m3，相對(duì)于水的浮力增大1.5倍左右。浮力的增大最終導(dǎo)致管片上?。?］。

泥水擊穿盾尾（見圖3）的關(guān)鍵因素是切口水壓設(shè)定過高，這可以通過地面沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及每環(huán)推進(jìn)的土砂量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)。如發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)切口范圍內(nèi)的地面經(jīng)常出現(xiàn)隆起，且出現(xiàn)連續(xù)幾環(huán)土砂量統(tǒng)計(jì)偏少的現(xiàn)象，就要懷疑盾構(gòu)掘進(jìn)存在欠挖，這時(shí)應(yīng)該及時(shí)降低切口水壓的參數(shù)。否則，較高的切口水壓極易使泥水通過盾殼間隙形成后竄。

圖3　泥水后穿示意圖

2.2.2同步注漿

在管片脫出盾尾時(shí)，管片和盾殼間會(huì)產(chǎn)生一定建筑間隙，需立即通過同步注漿進(jìn)行填充，此時(shí)的漿液帶有一定的壓力。同步注漿對(duì)上浮的影響主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）分布在管片周圍的注漿壓力達(dá)到一定程度后會(huì)對(duì)管片造成上浮。如圖4所示，現(xiàn)以配置6根注漿管路的盾構(gòu)為例，上部2根管路和下部2根管路產(chǎn)生的壓力差構(gòu)成了管片的一部分上浮力，左右兩側(cè)對(duì)稱管片正好平衡掉，不參與上浮。

根據(jù)圖4的受力模型可得出管片的壓力差為［1］

ΔF=2（q1-q2）Rsinθ

式中：q1和q2分別為上部和下部的注漿壓力；θ為注漿漿液分布區(qū)域邊界與豎向的夾角。

圖4　注漿量均勻時(shí)受力示意圖

從上式可知，注漿壓差決定了動(dòng)態(tài)上浮力的大小，所以合理控制各注漿區(qū)域壓力對(duì)控制上浮有利。

（2）同步漿液也起到了隔絕正面泥水后竄的作用。同步注漿不僅起到了填充建筑間隙的作用，同時(shí)，它也隔絕盾構(gòu)前方后竄的泥水。同步漿液的填充和隔絕效果主要取決于漿液的質(zhì)量和填充的密實(shí)度。

目前大直徑泥水平衡盾構(gòu)的同步漿液以惰性漿液為主，而非雙液漿，這種漿液的質(zhì)量主要是指其抗剪強(qiáng)度和初凝時(shí)間：抗剪強(qiáng)度的提高有利于控制后續(xù)隧道的上??；初凝時(shí)間則決定了漿液強(qiáng)度形成的時(shí)間，越早建立，強(qiáng)度就能及時(shí)起到抗浮作用和隔絕泥水的作用。

以虹梅南路隧道為例，使用的同步漿液為惰性單液漿，漿液的組成為砂、粉煤灰、膨潤(rùn)土、外摻劑、石灰以及水。盾構(gòu)始發(fā)階段隧道出現(xiàn)了上浮，后續(xù)對(duì)漿液配比進(jìn)行了調(diào)整，具體調(diào)整的漿液參數(shù)見表1。

表1　現(xiàn)場(chǎng)同步注漿漿液配合比實(shí)驗(yàn)（每m3）

從表1可以得出，原漿液中調(diào)整水泥參量會(huì)縮短其初凝時(shí)間，使其提前硬化和建立抗剪強(qiáng)度，隔絕前方的泥水。在一些特殊地段，為了滿足施工需要，需適當(dāng)調(diào)整漿液的配比，添加合適的外加劑來改變漿液的參數(shù)。

填充的密實(shí)度即同步漿液的壓注量，根據(jù)不同的地層，注漿量須在理論壓注量的基礎(chǔ)上增加一定的充盈系數(shù)，一般為110%～150%。由于開挖卸荷，應(yīng)力重新分布，土體向上產(chǎn)生位移，如不能及時(shí)填充建筑間隙，幾種不利因素疊合在一起，勢(shì)必加劇管片上浮的現(xiàn)象。

2.2.3盾構(gòu)姿態(tài)

在盾尾間隙均勻的時(shí)候，盾尾密封刷對(duì)管片環(huán)存在一較為均勻的環(huán)向壓力，一般情況下，這些荷載不會(huì)對(duì)管片結(jié)構(gòu)造成影響。但是，當(dāng)盾構(gòu)在曲線段掘進(jìn)、糾偏，或者因其他原因造成盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停止掘進(jìn)（造成盾構(gòu)機(jī)“磕頭”發(fā)生）時(shí)，盾殼對(duì)管片造成的荷載尤其是擠壓荷載就變得不可忽視，會(huì)造成脫出盾尾處的管片上浮，如圖5所示［3］。

圖5　盾殼作用力示意圖

3　抗浮措施的建議

上述抗浮因素的分析為制定抗浮措施提供了初步的依據(jù)，需綜合考慮外部因素和內(nèi)部因素的影響，具體建議如下：

（1）在盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)前對(duì)周圍環(huán)境和地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)勘探，對(duì)不良地質(zhì)情況需預(yù)先進(jìn)行土體改良，對(duì)存在底下空腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行清障和回填壓密處理。

（2）合理設(shè)置泥水參數(shù)，尤其是保證黏度指標(biāo)，根據(jù)埋深和地面采集的沉降數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整切口水壓，避免因設(shè)定值過高導(dǎo)致泥水后竄。

（3）核算覆土深度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件考慮在隧道及盾構(gòu)機(jī)設(shè)備內(nèi)部增加壓載，提高管片的自重以克服上浮力。

（4）根據(jù)土層特性和隧道埋深設(shè)定合理的注漿壓力以及注漿量，嚴(yán)格控制漿液性能參數(shù)，并根據(jù)施工參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4　結(jié)　語

在軟土地層盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)施工中，當(dāng)管片脫離盾尾后會(huì)出現(xiàn)較明顯的上浮，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)上浮的原因進(jìn)行分析和研究，可以確認(rèn)以下幾點(diǎn)：

（1）土體被盾構(gòu)機(jī)開挖卸荷后，應(yīng)力會(huì)重新分布，土體會(huì)產(chǎn)生向上的位移，此時(shí)需及時(shí)對(duì)盾尾間隙進(jìn)行填充，否則會(huì)加劇上浮。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整注漿壓力和注漿量對(duì)制約盾構(gòu)上浮起到重要作用。

（2）覆土深度對(duì)盾構(gòu)上浮起到了關(guān)鍵的作用，在隧道設(shè)計(jì)過程中需結(jié)合盾構(gòu)設(shè)備特點(diǎn)和地質(zhì)資料對(duì)進(jìn)出洞的埋深予以充分考慮。

（3）泥水氣平衡盾構(gòu)的功能特點(diǎn)決定了切口水壓和泥水參數(shù)合理設(shè)定能避免盾尾被泥水擊竄，造成泥水后竄，使后續(xù)成型隧道包裹在泥漿中形成較大的上浮力。

［1］葉飛，朱合華，丁文其，等.施工期盾構(gòu)隧道上浮機(jī)理與控制對(duì)策分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，36（6）：738-743.

［2］周文博.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］黃威然，竺維彬.施工階段盾構(gòu)隧道漂移控制的研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005，42（1）：71-76.

U455.43

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1009-7716（2016）07-0232-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.068

2016-03-13

談曉亮（1983-），男，上海人，工程師，從事大直徑越江隧道工程設(shè)計(jì)、施工工作。