彭文 PENG Wen

（江蘇中車城市發(fā)展有限公司，無(wú)錫 214104）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)正處于發(fā)展的高峰期，而城市軌道交通工程地下區(qū)間隧道最常用的施工方法為盾構(gòu)法，采用盾構(gòu)法施工的隧道常常要求頂部覆土要達(dá)到一定的厚度，以保證隧道正常施工和結(jié)構(gòu)抗浮安全，當(dāng)覆土厚度不足時(shí)，隧道將會(huì)發(fā)生局部或整體上浮，隧道上浮過(guò)大容易引起管片錯(cuò)臺(tái)、開(kāi)裂、漏水及隧道軸線偏位等問(wèn)題，從而影響隧道成型質(zhì)量?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定盾構(gòu)法施工區(qū)間隧道的覆土厚度不宜小于隧道外輪廓直徑[1]，因此，一般情況下盾構(gòu)隧道頂部的覆土厚度都是滿足要求的，只有在下穿河道等特殊條件下，可能會(huì)出現(xiàn)隧道頂部覆土厚度小于隧道外輪廓直徑的情況，因此，當(dāng)盾構(gòu)隧道下穿河道時(shí)，必須對(duì)隧道頂部的覆土厚度進(jìn)行研究，以保證盾構(gòu)隧道的施工質(zhì)量和安全。

在盾構(gòu)隧道穿越河道等特殊情況時(shí)，目前常采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法來(lái)研究隧道上覆土層的最小厚度，通過(guò)分析管片受到的上浮力與管片、上覆土柱自重力學(xué)平衡條件來(lái)計(jì)算隧道上覆土層的最小厚度[2]。戴小平等認(rèn)為簡(jiǎn)化計(jì)算方法沒(méi)有考慮隧道上方土柱在管片浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)時(shí)周圍土體對(duì)他的反向約束作用，因此他對(duì)簡(jiǎn)化計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了周圍土體對(duì)隧道上方土柱的約束摩擦力，進(jìn)而提出了改進(jìn)最小埋深計(jì)算法，認(rèn)為盾構(gòu)隧道的最小埋深與土體的重度、漿體的重度、管片內(nèi)外徑密切相關(guān)，改進(jìn)計(jì)算方法考慮了土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，其計(jì)算方法更為合理，隨著盾構(gòu)直徑增大，簡(jiǎn)化計(jì)算方法與改進(jìn)計(jì)算方法的差異越大，因此，當(dāng)隧道直徑較大時(shí)，應(yīng)采用改進(jìn)計(jì)算方法[3]。沈林沖等認(rèn)為先施工的管片處于固化漿液的包裹中，后施工的管片處于流動(dòng)狀態(tài)漿液的包裹中，其上覆將受到先拼裝管片環(huán)的剪切約束作用，在進(jìn)行隧道抗浮研究時(shí)，應(yīng)考慮管片環(huán)間連接螺栓對(duì)結(jié)構(gòu)抗浮安全的影響，管片環(huán)間連接螺栓能夠大幅度提升結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)，施工過(guò)程中應(yīng)確保螺栓安裝正確，及時(shí)擰緊松動(dòng)的螺栓[4]。王新、姜弘等針對(duì)非水下盾構(gòu)隧道的施工要求和和結(jié)構(gòu)抗浮安全，對(duì)隧道頂部最小覆土厚度的解析方法進(jìn)行了探究，確定了盾構(gòu)施工控制的最小覆土厚度解析解，通過(guò)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)抗浮安全的研究，確定了非水下盾構(gòu)隧道施工階段和使用階段結(jié)構(gòu)抗浮控制的最小覆土厚度的解析解，認(rèn)為研究施工階段結(jié)構(gòu)抗浮安全時(shí)，計(jì)算隧道所受到的上浮力宜采用同步注漿漿液重度[5]。

本文采用理論分析方法對(duì)淤泥質(zhì)土層中盾構(gòu)隧道的最小覆土厚度進(jìn)行了研究，并結(jié)合浙江省臺(tái)州地區(qū)的工程實(shí)例對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，以期能為類似工程項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)支撐和參考依據(jù)。

1 工程概況

臺(tái)州市域鐵路S1線商騰盾構(gòu)區(qū)間下穿南官河，南官河寬度約為20m，河底距離隧道頂部的最小覆土厚度為5m。采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道施工，管片內(nèi)直徑為7700mm，管片外直徑為8500mm，刀盤開(kāi)挖直徑為8710mm，管片外部與土體之間的空隙采用同步注漿漿液進(jìn)行填充，同步注漿漿液的密度為1.76g/cm3。隧道洞身范圍內(nèi)土層及頂部覆土均為淤泥質(zhì)土層，淤泥質(zhì)土層的天然含水率為61.1%，天然孔隙比為1.73，天然密度為1.63g/cm3，通過(guò)不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)測(cè)試淤泥質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，黏聚力為12.67kPa，內(nèi)摩擦角為0.68°。

2 最小埋深理論計(jì)算

2.1 簡(jiǎn)化計(jì)算方法

由于淤泥質(zhì)土層的含水率較高、孔隙比較大，土體處于流塑狀態(tài)，同時(shí)淤泥質(zhì)土的抗剪切強(qiáng)度指標(biāo)較低，當(dāng)隧道上方土柱向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，周圍土體對(duì)它的約束作用并不明顯，因此，本文在理論分析中不考慮周圍土體對(duì)隧道上方土柱的約束作用，采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法來(lái)計(jì)算隧道上覆土層的最小厚度，同時(shí)，由于剛脫出盾尾的管片處于同步注漿漿液包裹中，在進(jìn)行隧道所受浮力計(jì)算時(shí)采用同步注漿漿液的密度。隧道頂部最小覆土厚度計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示，通過(guò)簡(jiǎn)要分析隧道所受浮力、管片自重、隧道上方土體自重三者力學(xué)平衡關(guān)系來(lái)估算隧道頂部的最小覆土厚度。

圖1 最小覆土厚度計(jì)算簡(jiǎn)圖

單位長(zhǎng)度的管片自重可按式（1）計(jì)算。

單位長(zhǎng)度管片所受到的浮力可按式（2）計(jì)算。

單位長(zhǎng)度管片上覆土體有效重量可按式（3）計(jì)算。

式中：R為管片外徑，r為管片內(nèi)徑，γc為鋼筋混凝土管片重度，γm為同步注漿漿液重度，γs為管片上方土體的飽和重度，γw為水的重度。

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，在不計(jì)土層側(cè)摩阻力時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗浮安全系數(shù)不應(yīng)小于1.05[1]，盾構(gòu)隧道的抗浮安全系數(shù)K可以按照（4）式進(jìn)行計(jì)算。

將（1）（2）（3）式帶入（4）式求解可得盾構(gòu)隧道最小覆土厚度計(jì)算公式。

將各參數(shù)數(shù)值代入（5）式可求得d≥13.9m，而本工程實(shí)例中，盾構(gòu)隧道下穿南官河段，隧道頂部的最小覆土厚度僅為5m，實(shí)際覆土厚度小于根據(jù)公式計(jì)算出的最小覆土厚度，可見(jiàn)在僅考慮上覆土層重量和管片自重的情況下，隧道的抗浮安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，因此，在進(jìn)行盾構(gòu)隧道抗浮驗(yàn)算時(shí)，還應(yīng)考慮管片環(huán)間連接螺栓提供的抗剪切力對(duì)隧道抗浮性能的影響。

2.2 考慮管片環(huán)間連接螺栓的影響

在本工程實(shí)例中，盾構(gòu)隧道管片環(huán)之間采用19根M30高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，通常情況下，管片環(huán)之間的摩擦阻力及連接螺栓本身的抗剪切力都會(huì)起到限制管片上浮的作用，但是由于隧道管片在漿液浮力作用下，會(huì)產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，隧道環(huán)縫上半部分會(huì)略微張開(kāi)，從而使管片環(huán)間的摩擦阻力減小，因此，本文在計(jì)算中不考慮管片環(huán)間摩擦阻力對(duì)管片上浮的限制作用，僅考慮連接螺栓本身的抗剪切力對(duì)管片上浮的限制作用。

在盾構(gòu)施工過(guò)程中，當(dāng)管片脫出盾尾后即開(kāi)始受到同步注漿漿液的浮力作用，而漿液失去懸浮力的時(shí)間大約為9小時(shí)，盾構(gòu)施工速度為3小時(shí)/環(huán)，因此，可以考慮盾尾后面的三環(huán)管片處于承受同步注漿漿液浮力的狀態(tài)，該三環(huán)管片通過(guò)環(huán)間螺栓連接在一起，一端受到后方水泥砂漿固結(jié)體的嵌固作用，另一端受到盾尾的約束作用，相當(dāng)于兩端固定的彈性梁。通常情況下，考慮管片環(huán)上部的兩根螺栓先參與抗剪切作用，提供限制管片向上移動(dòng)的抗剪切力，當(dāng)上部?jī)筛菟ǖ募魬?yīng)力達(dá)到其抗剪強(qiáng)度時(shí)，相鄰的下部螺栓開(kāi)始承受剪切作用，隨著變形的發(fā)展，剪切應(yīng)力依次傳遞給下部螺栓，形成連鎖效應(yīng)。

連接螺栓提供的抗剪切力可以用（6）式計(jì)算。

式中：Fs表示連接螺栓提供的抗剪切力，n表示最先參與剪切的螺栓數(shù)量，A表示螺栓的面積，τ表示螺栓的抗剪切強(qiáng)度，由（6）式可以計(jì)算連接螺栓提供的抗剪切力。

因此，盾構(gòu)隧道的抗浮安全系數(shù)可以按（7）式計(jì)算。

在本工程實(shí)例中，隧道頂部最小覆土厚度為5m，根據(jù)式（7）可以得出隧道的抗浮安全系數(shù)k為1.23，隧道的抗浮安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3 工程實(shí)例分析

臺(tái)州市域鐵路S1線商騰盾構(gòu)區(qū)間總長(zhǎng)度為400m，隧道管片采用通用環(huán)，管片的最大楔形量為42mm，平均環(huán)寬為1.6m，整個(gè)區(qū)間總共250環(huán)管片，其中第193環(huán)至第205環(huán)位于南官河底部，為了使隧道下穿南官河段的抗浮性能滿足要求，原設(shè)計(jì)在河底設(shè)置了厚0.9m的抗浮板，由于施工期河床水位較高，水流較大，且為通航河道，在河底施工抗浮板難度較大，因此，在進(jìn)行充分理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，施工階段對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，取消了河底的抗浮板，采取在河底拋擲沙袋的措施來(lái)增加隧道頂部的覆土厚度，預(yù)先將泥沙裝入編織袋內(nèi)，用小船運(yùn)至河中，在隧道中線兩側(cè)各5m范圍內(nèi)拋擲1m厚的沙袋，提升隧道的抗浮安全系數(shù)。

由于管片上浮是盾構(gòu)施工過(guò)程中常見(jiàn)的現(xiàn)象，當(dāng)隧道穿越河道時(shí)，由于上覆土層厚度較小，管片上浮的幅度相比于普通地段較大。為了使隧道上浮穩(wěn)定后實(shí)際軸線盡量靠近設(shè)計(jì)軸線，在施工過(guò)程中，以隧道設(shè)計(jì)軸線為基準(zhǔn)線，將盾構(gòu)機(jī)的垂直姿態(tài)降至隧道設(shè)計(jì)軸線以下30-40mm，使盾構(gòu)機(jī)在設(shè)計(jì)軸線以下位置推進(jìn)。在隧道上浮穩(wěn)定之后，每隔兩環(huán)采集一次管片姿態(tài)數(shù)據(jù)，本文取第181-220環(huán)的掘進(jìn)數(shù)據(jù)及測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)管片的上浮情況進(jìn)行分析，第181-192環(huán)位于南官河北岸，第193-205環(huán)位于南官河底部，第206-220環(huán)位于南官河南岸。隧道的掘進(jìn)姿態(tài)及穩(wěn)定后的成型姿態(tài)如表1所示。

由表1可以看出，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，第181-220環(huán)管片均呈現(xiàn)出上浮趨勢(shì)，其中第181-192環(huán)和第206-220環(huán)管片的上浮量較小，最大上浮量為74mm，第193-205環(huán)管片的上浮量較大，最大上浮量為92mm。第181-220環(huán)管片的上浮量如圖2所示。

表1 第181-220環(huán)管片的掘進(jìn)、成型姿態(tài)（mm）

圖2 第181-220環(huán)管片上浮量

由表1可以看出，第181-192環(huán)和第206-220環(huán)管片上浮后隧道實(shí)際軸線偏離設(shè)計(jì)軸線最大值為41mm，而第193-205環(huán)管片上浮后隧道偏離設(shè)計(jì)軸線最大值為55mm。第181-220環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)及隧道成型姿態(tài)如圖3所示。

圖3 第182-220環(huán)掘進(jìn)及成型姿態(tài)

《地下鐵道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50299-2018）規(guī)定采用盾構(gòu)法施工的隧道，隧道軸線平面位置和高程的允許偏差均不得超過(guò)50mm[6]。第181-192環(huán)和第206-220環(huán)管片上浮后隧道實(shí)際軸線與設(shè)計(jì)軸線的偏差滿足規(guī)范要求。第193-205環(huán)中僅第199環(huán)管片上浮后隧道實(shí)際軸線與設(shè)計(jì)軸線偏差比規(guī)范規(guī)定的極限偏差值大5mm，其余管片環(huán)的偏差均小于規(guī)范允許偏差值。由此可見(jiàn)，在臺(tái)州地區(qū)淤泥質(zhì)土層中，當(dāng)隧道頂部覆土厚度只有5m時(shí)，在河底不設(shè)置抗浮板的情況下，隧道的抗浮性能也滿足要求，管片上浮后隧道的實(shí)際軸線與設(shè)計(jì)軸線的偏差滿足規(guī)范要求。

4 盾構(gòu)隧道抗浮安全措施

為了提升盾構(gòu)隧道的抗浮安全系數(shù)，在實(shí)際施工過(guò)程中，應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)措施，減小管片上浮的趨勢(shì)，保障盾構(gòu)施工安全。

4.1 控制盾構(gòu)施工的速度

從管片拼裝到隧道成型各不同階段的工況來(lái)看，盾構(gòu)隧道管片就如同一條兩端固定的彈性梁，兩固定端之間的隧道管片處于尚未凝固的同步注漿漿液中，受到漿液懸浮力作用。如果盾構(gòu)施工速度過(guò)快，就會(huì)使兩固定端之間處于懸浮狀態(tài)的隧道管片長(zhǎng)度加大，連接螺栓不能充分約束管片上浮，隧道管片容易出現(xiàn)較大幅度的上浮，因此，盾構(gòu)機(jī)在下穿河流時(shí)，宜控制盾構(gòu)施工速度不快于3小時(shí)/環(huán)，以使處于漿液懸浮狀態(tài)的管片長(zhǎng)度減小。

4.2 調(diào)整同步注漿漿液配比

同步注漿的目的是及時(shí)固結(jié)穩(wěn)定隧道管片，使管片與周圍的土體形成一個(gè)整體，限制管片的位移，在本區(qū)間隧道施工過(guò)程中，同步注漿漿液的配合比如表2所示。

表2 同步注漿漿液配合比（kg/m3）

在施工下穿南官河段的第181-220環(huán)時(shí)，對(duì)同步注漿漿液配合比進(jìn)行了調(diào)整，減小水灰比，增加水泥用量，水泥用量由90kg/m3增加至120kg/m3，同時(shí)摻加適量的減水劑，以減少漿液的凝結(jié)時(shí)間，使?jié){液的流動(dòng)性損失速度加快，隧道管片受漿液懸浮力作用的時(shí)間減少，同時(shí)，固結(jié)體的后期強(qiáng)度增加，隧道上浮后的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

5 結(jié)論

①由于淤泥質(zhì)土層具有孔隙比大、含水率高、抗剪強(qiáng)度底的特點(diǎn)，因此，在進(jìn)行盾構(gòu)隧道的抗浮驗(yàn)算時(shí)，一般不考慮周圍土體對(duì)隧道上方土體的約束作用；②當(dāng)隧道頂部的覆土厚度不足時(shí)，管片環(huán)間的連接螺栓就會(huì)逐漸發(fā)揮其抗剪切強(qiáng)度，限制管片上浮，因此，在進(jìn)行隧道的抗浮驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)考慮管片環(huán)間連接螺栓的抗剪切力；③當(dāng)隧道頂部的覆土厚度僅有5m時(shí)，考慮管片環(huán)間連接螺栓的抗剪切力后，盾構(gòu)隧道的抗浮安全系數(shù)滿足規(guī)范要求；同時(shí)，河流底部可以不設(shè)置抗浮板，可以采用在河流底部拋擲沙袋的措施來(lái)增加隧道頂部覆土厚度，隧道上浮穩(wěn)定后的實(shí)際軸線與設(shè)計(jì)軸線的偏差滿足規(guī)范的要求；④在盾構(gòu)施工過(guò)程，為了增加隧道管片的抗浮穩(wěn)定性，減小施工風(fēng)險(xiǎn)，還應(yīng)控制盾構(gòu)施工的速度，減小處于漿液懸浮狀態(tài)的管片的長(zhǎng)度，減少管片受到的上浮力，同時(shí)，也要調(diào)整同步注漿漿液的配合比，減少漿液的凝固時(shí)間，減少管片處于漿液懸浮狀態(tài)的時(shí)間。