張 磊

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇南京 211899)

1 概述

近年來(lái)，在我國(guó)廣州、上海和深圳等地區(qū)的城市地鐵建設(shè)中，常常會(huì)遇到盾構(gòu)隧道管片上浮和錯(cuò)臺(tái)等工程問(wèn)題[1－3]。

針對(duì)盾構(gòu)隧道管片上浮的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者做出了諸多研究。張強(qiáng)[4]結(jié)合上海地鐵二號(hào)線分析了盾構(gòu)隧道襯砌背后注漿和推進(jìn)頂力等因素造成管片上浮和錯(cuò)臺(tái)的機(jī)理；郭李剛、楊梅等[5－6]針對(duì)全斷面硬巖地層盾構(gòu)管片上浮問(wèn)題，提出了質(zhì)量控制措施；袁文軍[7]研究了上浮力作用模型及土體移動(dòng)模型，推導(dǎo)了滿足越江盾構(gòu)隧道抗浮的最小覆土厚度計(jì)算式，發(fā)現(xiàn)在漿液上浮力作用下管片上浮引起的土體變形規(guī)律；肖明清[8]應(yīng)用有限元法，針對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中受力狀態(tài)，對(duì)地層的物理力學(xué)性質(zhì)、注漿材料性質(zhì)等影響盾構(gòu)襯砌環(huán)上浮的因素進(jìn)行了分析；季昌[9]針對(duì)軟土地層地鐵隧道施工期分析了總推力反力的豎向分力、同步注漿壓力、同步注漿配比、盾構(gòu)及后配套臺(tái)車(chē)自重等諸多因素對(duì)管片上浮的影響，并根據(jù)影響因素權(quán)重進(jìn)行排序；葉俊能[10]研究了管片上浮變形發(fā)展規(guī)律及環(huán)接頭變形模式，提出管片施工期上浮變形可以分為線性發(fā)展段、圓弧發(fā)展段、變形穩(wěn)定段，得出管片結(jié)構(gòu)形式對(duì)施工期容許上浮量影響很大的結(jié)論；王其炎[11]得出了管片上浮、管底處下臥土層回彈和管頂處上覆土層沉降隨注漿壓力、漿液彈性模量、土艙壓力、千斤頂壓力等因素變化發(fā)展的規(guī)律；葉飛[12]認(rèn)為靜態(tài)浮力通常不足以使隧道上浮，注漿壓力才是引起盾構(gòu)上浮的主要原因，進(jìn)而提出了盾構(gòu)隧道管片上浮的最小覆土厚度及最大注漿壓力計(jì)算式；A.Bezuijen等[13－14]通過(guò)分析漿液流動(dòng)過(guò)程，建立了漿液所能抵抗的隧道最大浮力與漿液屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系，以及要維持隧道穩(wěn)定漿液所需要的最小剪切強(qiáng)度。

本文依托湖南常德沅江越江隧道，分析注漿壓力、泥水壓力、地下水位及隧道埋深對(duì)盾構(gòu)隧道管片上浮的影響，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的抗浮梁位置及施工參數(shù)研究其作用機(jī)理。

2 工程概況

常德沅江越江隧道全長(zhǎng)為2 240 m，盾構(gòu)段長(zhǎng)1 680 m，下穿沅江河床為813 m。隧道位于沅江下游，隧址位置多年平均水位為29.69 m，歷史最高水位為40.83 m，最低水位26.99 m，盾構(gòu)隧道頂板高程為6.05～5.65 m。越江隧道下穿圓礫石地層占70%，粒徑跨度較大，含部分細(xì)顆粒。盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑10.3 m、外徑11.3 m，厚度為0.5 m，幅寬2 m。采用通用雙面楔形管片環(huán)，楔形量為48 mm。管片分塊采用“5＋2＋1”模式，即5B(標(biāo)準(zhǔn)塊)＋2L(鄰接塊)＋F(封頂塊)，其中標(biāo)準(zhǔn)塊和鄰接塊中心角49.76°，封頂塊中心角15.03°。管片拼裝方式為錯(cuò)縫拼裝。每環(huán)管片縱向采用22個(gè)A級(jí)M36螺栓連接，環(huán)向采用24個(gè)A級(jí)M36螺栓連接。管片結(jié)構(gòu)構(gòu)造見(jiàn)圖1。

圖1 隧道管片結(jié)構(gòu)分塊示意

3 數(shù)值分析模型

3.1 模型構(gòu)建

本文利用FLAC3D軟件建立考慮盾構(gòu)施工過(guò)程的沅江盾構(gòu)隧道三維數(shù)值模型。一般認(rèn)為數(shù)值模型邊界與隧道邊界的距離取其洞徑的3倍以上時(shí)可不考慮模型邊界效應(yīng)影響，因此建模時(shí)為了消除模型的邊界效應(yīng)，取隧道中心與模型四周邊界的距離均為50 m。在模型縱向上考慮盾構(gòu)開(kāi)挖及管片襯砌施作的施工過(guò)程影響取縱向距離為80 m(40環(huán))，即計(jì)算模型的尺寸為120 m(X)×80 m(Z)×78 m(Y)。模型四周及底面采用法向位移約束條件，并考慮隧道埋深和懸河的影響，在模型上表面和模型內(nèi)部單元施加相應(yīng)的構(gòu)造應(yīng)力以模擬地層真實(shí)的自重應(yīng)力場(chǎng)及滲流場(chǎng)。建立數(shù)值分析模型見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)值計(jì)算分析整體模型

3.2 模型相關(guān)參數(shù)

數(shù)值模型中隧道圍巖采用正六面體實(shí)體單元模擬，巖體為理想彈塑性體，遵循Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。計(jì)算模型中圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，盾殼部分力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2[15]。

表1 隧道圍巖計(jì)算力學(xué)參數(shù)

表2 盾構(gòu)部分結(jié)構(gòu)組件力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬計(jì)算步驟如下:

Step1:按照應(yīng)力和位移邊界條件計(jì)算地層初始應(yīng)力。

Step2:一次開(kāi)挖一環(huán)，每一環(huán)利用liner單元模擬盾殼施作，開(kāi)挖一次計(jì)算一次，直至開(kāi)挖5環(huán)將盾殼全部置于土體。

Step3:進(jìn)行盾構(gòu)隧道循環(huán)開(kāi)挖模擬，其中每步首先模擬開(kāi)挖一環(huán)管片長(zhǎng)度，然后模擬盾殼、超挖間隙、管片襯砌、壁后間隙施工，求解當(dāng)前步并判斷隧道是否開(kāi)挖完成。

Step4:重復(fù)第3步直到隧道模擬開(kāi)挖完成。

4 數(shù)值分析結(jié)果

4.1 注漿壓力

在分析注漿壓力對(duì)盾構(gòu)隧道管片上浮的影響時(shí)，采用均布荷載模擬注漿壓力，在移除注漿壓力后用等代層[15]代替凝固之后的注漿體。計(jì)算工況見(jiàn)表3。

表3 不同注漿壓力計(jì)算工況

管片底部?jī)?nèi)側(cè)上浮量曲線和管片頂部?jī)?nèi)側(cè)上浮量曲線見(jiàn)圖3。由圖3可知:(1)隨著注漿壓力的增大，管片頂部和底部的上浮量逐漸增大，且增幅明顯；(2)剛安裝的管片因受到注漿壓力作用，與土體之間會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的壓力，土體受到擠壓向外擴(kuò)散，下方土體因擠土作用會(huì)向上微微隆起，從而造成底部管片上浮量略增的現(xiàn)象；(3)管片頂部土體因注漿力的作用，坍塌量減小，對(duì)管片的擠壓變小，使其相對(duì)上浮量也增大。

圖3 不同注漿壓力下管片上浮量

4.2 泥水壓力

分析泥水壓力對(duì)管片襯砌上浮的影響機(jī)理，所設(shè)工況見(jiàn)表4。

表4 不同泥水壓力計(jì)算工況

管片底部?jī)?nèi)側(cè)上浮量曲線和管片頂部?jī)?nèi)側(cè)上浮量曲線見(jiàn)圖4。由圖4可知:(1)隨著開(kāi)挖步數(shù)的增加，即離開(kāi)監(jiān)測(cè)環(huán)的距離越長(zhǎng)，管片上浮量逐漸增大至穩(wěn)定，對(duì)于所設(shè)定的泥水壓力，其變化規(guī)律一致；(2)隨著泥水壓力值增加，管片頂部和底部的上浮量都隨之增加，但由于隧道開(kāi)挖對(duì)隧道上部土體和下部土體擾動(dòng)具有一定的差異性，故管片下部的上浮量大于管片上部的上浮量。

圖4 不同泥水壓力下管片上浮量

4.3 地下水位

分析地下水位對(duì)管片襯砌上浮的影響機(jī)理，所設(shè)工況見(jiàn)表5。

越江盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程中滲流現(xiàn)象不可避免，水位高低對(duì)管片上浮有一定的影響。為研究水位對(duì)管片上浮的影響，選取的水位見(jiàn)表5。

表5 不同地下水位計(jì)算工況

管片底部?jī)?nèi)側(cè)上浮量曲線和管片頂部?jī)?nèi)側(cè)上浮量曲線見(jiàn)圖5。由圖5可知:管片頂部和底部?jī)?nèi)側(cè)的上浮量隨水位的上升而增大，在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程開(kāi)挖面處的水壓基本為零，而四周因存在水頭差而產(chǎn)生滲流。滲流過(guò)程中水流會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生應(yīng)力作用，所以土體會(huì)產(chǎn)生局部上浮的趨勢(shì)。

圖5 不同地下水位下管片上浮量

4.4 隧道埋深

管片埋深即拱頂上方覆土厚度，在沅江隧道工程中，埋深最小5～8 m，最大約為20 m。為研究埋深對(duì)管片上浮的影響，選取埋深為7、12、17和22 m共四種工況，參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 不同隧道埋深計(jì)算工況

管片底部?jī)?nèi)側(cè)上浮量曲線和管片頂部?jī)?nèi)側(cè)上浮量曲線見(jiàn)圖6。由圖6可知:(1)管片底部和頂部?jī)?nèi)側(cè)上浮量隨埋深的增加而減小，但頂部對(duì)埋深的敏感性小于底部對(duì)埋深的敏感性；(2)管片頂部和底部的上浮量變化規(guī)律相似，在離開(kāi)監(jiān)測(cè)斷面大概30 m位置上浮趨于穩(wěn)定。

圖6 不同隧道埋深下管片上浮量

5 抗浮梁的作用機(jī)理與效果

由圖7有無(wú)抗浮梁條件下管片頂部和底部位移對(duì)比可知:(1)兩種情況下管片底部和頂部變化規(guī)律一致，在離開(kāi)監(jiān)測(cè)斷面約50 m后，管片上浮趨于穩(wěn)定；(2)在抗浮梁作用下，管片的頂部和底部的上浮量都明顯減少，且抗浮梁對(duì)管片頂部上浮的抑制更加明顯。

圖7 有無(wú)抗浮梁條件下管片上浮量

圖8為在開(kāi)挖5、15、25步及開(kāi)挖完成后，抗浮梁與抗拔樁豎向位移云圖；圖9為開(kāi)挖完成后抗拔樁的水平位移對(duì)比曲線。由圖可知:(1)隧道未穿過(guò)抗浮梁時(shí)，抗浮梁發(fā)生微小隆起，當(dāng)隧道穿過(guò)抗浮梁時(shí)，由于其對(duì)隧道上浮的抑制作用，會(huì)隨著管片的上浮而上浮；(2)由抗拔樁的水平位移曲線可知，當(dāng)隧道穿過(guò)樁時(shí)，會(huì)對(duì)鄰近的樁產(chǎn)生擠壓力，使其產(chǎn)生遠(yuǎn)離隧道的位移，抗拔樁的頂部幾乎不受影響，類(lèi)似懸臂梁的作用；(3)由抗拔樁的豎向位移云圖可知，樁隨著隧道的上浮產(chǎn)生相應(yīng)向上的位移，這是由于在隧道下穿抗浮梁時(shí)，抗浮梁會(huì)對(duì)隧道的上浮趨勢(shì)產(chǎn)生抑制作用，反過(guò)來(lái)說(shuō)隧道的上浮會(huì)使整個(gè)抗浮結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的隆起，由于隧道在穿越抗拔樁時(shí)，會(huì)對(duì)其產(chǎn)生擠壓力，增大樁與土體的摩擦力，從而更好地抑制隧道整體的上浮趨勢(shì)。

圖8 抗浮梁及抗拔樁豎向位移云圖

圖9 開(kāi)挖完成后樁水平位移對(duì)比曲線

6 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析了影響管片上浮的因素，并通過(guò)建立具有相同土層有無(wú)抗浮梁模型研究了抗浮梁的作用機(jī)理和效果，得到如下結(jié)論:

(1)在越江隧道中，注漿壓力、泥水壓力、地下水位及隧道埋深對(duì)管片的上浮都有所影響，當(dāng)注漿壓力、泥水壓力、地下水位越大時(shí)，管片上浮量越大，越容易發(fā)生錯(cuò)臺(tái)、裂縫、破損，乃至軸線偏位、管段滲漏等。

(2)在開(kāi)挖至具有以上特征斷面應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的抗浮措施，如及時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)姿態(tài)、滿足最小覆土要求、改善管片接頭性能、控制注漿壓力及漿液性質(zhì)、合理調(diào)節(jié)泥水壓力等手段抗浮。

(3)抗浮梁的施作對(duì)隧道抗浮有明顯的效果。在抗浮梁和抗拔樁的聯(lián)合作用下，當(dāng)隧道通過(guò)此抗浮結(jié)構(gòu)時(shí)，抗浮梁對(duì)其上浮起到有效抑制作用，而抗拔樁在隧道通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)離隧道的位移，增大了其與土體的豎向摩擦力，從而更好地抑制隧道在此斷面的上浮量。