劉濤濤（上海地鐵咨詢監(jiān)理科技有限公司， 上海 201100）

0 引 言

盾構(gòu)隧道的施工過程中，地下環(huán)境較為復(fù)雜、未知因素較多，相關(guān)勘察工作也不能準(zhǔn)確反映地下環(huán)境，且與其他地鐵車站、房建工程相比，建設(shè)人員難以直觀地發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)隧道施工中的問題，因此，應(yīng)從相關(guān)技術(shù)參數(shù)中系統(tǒng)地對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

為總結(jié)施工期盾構(gòu)隧道上浮的原因及規(guī)律，許多學(xué)者對(duì)施工期管片上浮問題進(jìn)行了研究。王新等[1]、葉飛等[2]、楊方勤[3]結(jié)合盾構(gòu)施工工藝探討了影響隧道上浮的因素；舒瑤等[4]、陳仁朋等[5]、湯揚(yáng)屹等[6]以隧道上浮主要影響因素來建立模型，并對(duì)管片上浮量值進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。綜上所述，以往隧道上浮問題的研究多針對(duì)普通隧道，對(duì)超大直徑盾構(gòu)隧道的研究并不多見。

筆者針對(duì)溫州某軟弱土層越江隧道盾構(gòu)區(qū)間施工期隧道上浮問題，收集該區(qū)間施工期管片上浮實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究隧道管片上浮量、軸線、破裂、滲漏水及管片錯(cuò)臺(tái)等因素對(duì)隧道上浮量值的影響，進(jìn)而揭示影響隧道上浮的主要原因，為提出科學(xué)合理的針對(duì)性抗浮措施、指導(dǎo)工程施工提供經(jīng)驗(yàn)。

溫州某越江隧道直徑14.96 m，采用一臺(tái)Φ14.93 m泥水氣壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工。盾構(gòu)最小頂覆土約7.4 m，最大頂覆土約28 m。隧道管片外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m，環(huán)寬2 m，管片厚度為600 mm。每環(huán)管片由封頂塊F塊、鄰接塊L塊、標(biāo)準(zhǔn)塊B塊共10塊管片組成。管片環(huán)與環(huán)之間采用56根M36的縱向螺栓連接；管片塊與塊之間采用30根M36的環(huán)向螺栓連接。

該條越江隧道作為國(guó)內(nèi)首條超大直徑盾構(gòu)法市域鐵路隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速140 km/h，相對(duì)于普通盾構(gòu)隧道而言，該條隧道的設(shè)計(jì)軸線要求更為嚴(yán)格，且隧道穿越典型的軟弱地層，地層中蘊(yùn)含大量的淺層氣體。在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，若管片出現(xiàn)不均勻上浮情況，會(huì)引起管片錯(cuò)臺(tái)、破裂和通縫，易導(dǎo)致隧道內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏水或使地層中沼氣溢進(jìn)隧道內(nèi)，為隧道施工增加了難度。

1 超大直徑隧道上浮量調(diào)查分析

對(duì)于超大直徑隧道上浮量的調(diào)查，筆者選擇了具有代表性的淺覆土始發(fā)階段即1環(huán)～100環(huán)，具體原因有兩點(diǎn)，其一為上覆土較淺，是隧道管片上浮較為常見的地段；其二為盾構(gòu)始發(fā)階段，人員、設(shè)備以及相關(guān)施工技術(shù)還在適應(yīng)階段，隧道管片上浮量較難控制。

1.1 隧道管片上浮調(diào)查分析

該盾構(gòu)區(qū)間0環(huán)～100環(huán)施工期管片1環(huán)～10環(huán)上浮的量在10 mm～20 mm之間，幾乎未有上浮，可判定為管片拼裝誤差導(dǎo)致，在11環(huán)～100環(huán)明顯可看出隧道管片上浮量加大，且存在不均勻上浮情況（如圖1所示）。

1.2 隧道軸線調(diào)查分析

對(duì)1環(huán)～100環(huán)隧道軸線平面位置及高程數(shù)據(jù)（如圖2所示）和盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)（如圖3所示）進(jìn)行收集，從成型隧道軸線復(fù)測(cè)情況和盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)對(duì)比來看，1環(huán)～100環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)盾首及盾尾垂直姿態(tài)基本保持在-50 mm～0之間，但是隧道軸線高程偏差大多為正值，說明隧道管片的上浮導(dǎo)致了成型隧道軸線偏差多為正值。

圖2 隧道軸線平面位置和高程偏差折線圖

圖3 盾構(gòu)姿態(tài)折線圖

1.3 隧道管片錯(cuò)臺(tái)調(diào)查分析

筆者對(duì)隧道1環(huán)～100環(huán)管片環(huán)內(nèi)和環(huán)向錯(cuò)臺(tái)進(jìn)行實(shí)測(cè)后確定，錯(cuò)臺(tái)量基本符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，僅有＋25環(huán)環(huán)內(nèi)錯(cuò)臺(tái)超出了規(guī)范要求，為12.8 mm。

1.4 隧道管片破裂、滲水調(diào)查分析

通過對(duì)隧道管片破裂及滲水情況的統(tǒng)計(jì)，1環(huán)～100環(huán)管片破裂為8處，破裂位置基本分布在隧道頂部。通過對(duì)隧道滲漏水點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)，管片破裂處并未有滲漏水，滲漏點(diǎn)共有8處。

2 隧道上浮主要原因分析

通過現(xiàn)狀調(diào)查分析的結(jié)果得知，該隧道管片1環(huán)～100環(huán)存在一定的不均勻上浮情況，并且已經(jīng)影響到隧道管片的成環(huán)質(zhì)量。筆者借鑒沈鑫國(guó)等[7]相關(guān)研究，結(jié)合該條盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)施工情況對(duì)原因進(jìn)行詳細(xì)分析，確定管片產(chǎn)生上浮的主要原因，并繪制樹狀圖（如圖4所示）。

圖4 隧道上浮主要原因樹狀圖

根據(jù)繪制的樹圖，筆者依次對(duì)影響超大直徑盾構(gòu)隧道上浮的底層因素進(jìn)行分析，確定了影響隧道上浮的主要因素。

2.1 漿液流動(dòng)性較差

同步注入的砂漿必須有一定的流動(dòng)性才能更好地填充管片壁后與土層之間的空隙，若流動(dòng)性較差會(huì)導(dǎo)致漿液不能很好地對(duì)空隙進(jìn)行填充，會(huì)給隧道管片上浮增加一定的上浮空間。

筆者對(duì)1環(huán)～100環(huán)砂漿坍落度進(jìn)行實(shí)測(cè)并繪制了同步注漿坍落度示意圖（如圖5所示），漿液的坍落度基本分布在10 cm～14 cm。因此，筆者初步確定漿液的流動(dòng)性差對(duì)上浮有一定的影響。

圖5 同步注漿坍落度

2.2 漿液的初凝時(shí)間較長(zhǎng)

當(dāng)管片成環(huán)時(shí)，管片脫出盾尾后會(huì)浸泡在漿液中，若成環(huán)管片長(zhǎng)時(shí)間浸泡在未初凝的漿液中，會(huì)增加漿液上浮力對(duì)管片的影響時(shí)間，從而導(dǎo)致成環(huán)管片上浮量增大。

筆者從盾構(gòu)機(jī)同步注漿漿液桶中對(duì)漿液進(jìn)行取樣，模擬在水環(huán)境下漿液的初凝時(shí)間，得出漿液初凝時(shí)間在12 h左右，漿液在后期幾乎沒有流動(dòng)性。因此可確認(rèn)，該漿液的初凝時(shí)間過長(zhǎng)對(duì)隧道管片的上浮有一定的影響。

2.3 每環(huán)總注漿量不足

該條隧道每環(huán)的理論注漿量為19.96 m3。根據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，每環(huán)實(shí)際的注漿量為理論空隙的120%～140%。每環(huán)同步漿液的注入量，關(guān)系到管片壁后漿液注入得是否飽滿，能否有效地填充空隙。若填充不飽滿，會(huì)給隧道管片上浮帶來一定空間。

根據(jù)對(duì)每環(huán)漿液注入量的統(tǒng)計(jì)（如圖6所示）可得，每環(huán)的漿液注入量在25 m3左右，基本都達(dá)到了125%。從漿液總注漿量來看，其對(duì)隧道上浮產(chǎn)幾乎未有影響。

圖6 同步注漿量統(tǒng)計(jì)

2.4 各注漿孔注漿量及壓力控制

該超大直徑盾構(gòu)機(jī)同步注漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)為6個(gè)注漿點(diǎn)進(jìn)行同步注漿。因盾尾注漿點(diǎn)垂直空間分布關(guān)系（如圖7所示），上部與下部注漿孔漿液的注入量需有一定的差別，即上部注漿孔的漿液注入量要大于下部的注漿量，才能抑制隧道管片的上浮。另一方面則是上部與下部注漿孔注入過程的壓力差，若壓力差過大會(huì)導(dǎo)致管片上浮力過大。

圖7 盾尾注漿點(diǎn)垂直空間分布關(guān)系圖

通過對(duì)1環(huán)～100環(huán)管片各注漿孔的注漿量以及注漿壓力來看（如表1所示），上、下部注漿孔的注漿量和壓力差對(duì)管片上浮產(chǎn)生了一定的影響。

表1 1環(huán)～100環(huán)管片同步注漿量及壓力分布值

2.5 盾構(gòu)姿態(tài)糾偏頻繁

盾構(gòu)在軟弱土層中掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)姿態(tài)控制難度增加，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)偏離過大的現(xiàn)象，需要頻繁對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行糾偏。這樣一方面對(duì)土層有一定的擾動(dòng)，降低了土層對(duì)隧道管片上浮的抵抗力；另一方面，在糾偏過程中會(huì)導(dǎo)致管片環(huán)面受力不均，出現(xiàn)管片錯(cuò)臺(tái)上翹現(xiàn)象，從而增加上浮量。

從對(duì)該條隧道1環(huán)～100環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)的統(tǒng)計(jì)分析（如圖8所示）可知，盾首姿態(tài)較為平穩(wěn)，但盾尾姿態(tài)出現(xiàn)多次突變，說明姿態(tài)的調(diào)整影響了管片的上浮。

圖8 盾構(gòu)姿態(tài)折線圖

2.6 推進(jìn)速度過快

盾構(gòu)的推進(jìn)速度會(huì)影響到成環(huán)管片脫出盾尾后在未初凝的漿液中的浸泡時(shí)間，如時(shí)間過長(zhǎng)，則漿液對(duì)管片的上浮力影響就會(huì)過長(zhǎng)。

通過對(duì)該隧道每環(huán)推進(jìn)速度的統(tǒng)計(jì)可得（如圖9所示），推進(jìn)速度基本控制在35 mm/min，每環(huán)的掘進(jìn)時(shí)間為55 min，所以成環(huán)管片脫出盾尾后在未初凝的漿液中的浸泡時(shí)間約11 h，且隧道日均推進(jìn)量為6環(huán)，導(dǎo)致漿液的上浮對(duì)管片影響時(shí)間較長(zhǎng)。

圖9 推進(jìn)速度折線圖

2.7 泥水后串

該條隧道使用的盾構(gòu)機(jī)本體為錐形設(shè)計(jì)，盾體與土體間存在一定的理論建筑空隙。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)正面泥水倉的泥水通過間隙后串，再加上同步注漿漿液短時(shí)間內(nèi)未能起到隔水作用，導(dǎo)致泥水侵入成環(huán)管片的外圍，從而增加了管片上浮力。通過對(duì)泥水液位、泥水壓力指標(biāo)、進(jìn)出漿量的統(tǒng)計(jì)可得，由于泥水壓力值波動(dòng)較大，存在偏大現(xiàn)象導(dǎo)致泥水后串，從而增加的管片上浮力。

2.8 地質(zhì)情況及上覆土影響

越江隧道盾構(gòu)始發(fā)100環(huán)階段主要穿越②2淤泥層，密度僅為1.67 g/cm3，且含水率較高，所以在該軟弱土層中掘進(jìn)時(shí)，隧道的上浮概率較高且較難控制。另一方面，盾構(gòu)在該階段掘進(jìn)時(shí)的最淺覆土僅為7.4 m、最大覆土為13.45 m，在該階段盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)由于覆土較淺，上覆土壓力難以抵抗管片的上浮力，導(dǎo)致隧道產(chǎn)生上浮。

3 對(duì)策實(shí)施

通過分析底層原因并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，筆者最終確定了漿液流動(dòng)性較差、漿液的初凝時(shí)間較長(zhǎng)、各注漿孔注漿量及壓力控制存在差別、盾構(gòu)姿態(tài)糾偏頻繁、推進(jìn)速度過快、泥水后串、地質(zhì)情況及上覆土情況為影響要因，下面，筆者分別從同步注漿、推進(jìn)速度控制、盾構(gòu)姿態(tài)控制、泥水后串控制等方面提出控制措施建議。

3.1 同步注漿

3.1.1 漿液流動(dòng)性及初凝時(shí)間調(diào)整

漿液從攪拌站到盾構(gòu)機(jī)所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，在運(yùn)輸過程中存在一定水分消耗，導(dǎo)致漿液到達(dá)漿液桶中時(shí)的坍落度偏小，應(yīng)提高漿液出廠時(shí)坍落度，確保注入的漿液符合要求。

向漿液桶內(nèi)的漿液中添加一定的水泥，以此加快漿液的初凝時(shí)間，但由于漿液的流動(dòng)性和初凝時(shí)間有一定的矛盾關(guān)系，添加的水泥量需要根據(jù)管片上浮情況進(jìn)行調(diào)整，確保初凝時(shí)間和流動(dòng)性指標(biāo)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)。根據(jù)管片的上浮情況，必要時(shí)通過二次注漿孔對(duì)管片外圍適當(dāng)注入雙液漿，加快管片外圍同步漿液固化速度，盡早穩(wěn)定管片。

3.1.2 各注漿孔注漿量及壓力的調(diào)整

一方面提高上部注漿孔的注漿總量，控制在總量的65%左右，從而來抑制管片的上浮力；另一方面降低上部與下部注漿孔的壓力差，從而降低壓力對(duì)管片的擾動(dòng)，降低管片上浮力。

3.2 推進(jìn)速度控制

根據(jù)隧道管片上浮量適當(dāng)調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)速度，降低成環(huán)管片在初凝漿液中的浸泡時(shí)間。如上浮量偏大則適當(dāng)降低推進(jìn)速度，上浮量較小時(shí)可適當(dāng)提高推進(jìn)速度，但在該隧道軟弱地層中以及江底含水率較大的施工環(huán)境下，推進(jìn)速度總體不宜過快。

3.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制

（1）在該隧道所處的軟弱地層中，控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)較為困難，會(huì)出現(xiàn)糾偏現(xiàn)象。在后期盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，想做好對(duì)盾構(gòu)司機(jī)的交底工作，就需要在糾偏過程中勤糾偏，減少單次糾偏幅度。

（2）當(dāng)出現(xiàn)隧道整體上浮情況時(shí)，可在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)適當(dāng)?shù)厝藶閷⒍荏w垂直姿態(tài)調(diào)整到設(shè)計(jì)軸線以下，從而消減掉隧道整體上浮對(duì)隧道軸線偏差的影響。

3.4 泥水后串控制

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)泥水壓力的控制是保證正面土體穩(wěn)定的關(guān)鍵。掘進(jìn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)泥水壓力波動(dòng)現(xiàn)象，如果偏大會(huì)出現(xiàn)泥水后串提高管片上浮力，因此應(yīng)盡可能減少切口水壓的波動(dòng)。技術(shù)上要求有關(guān)操作人員密切關(guān)注切口水壓的波動(dòng)，以人工方式調(diào)整施工參數(shù)，確保泥水壓力值偏差較小。

3.5 其他措施

（1）隧道管片出現(xiàn)上浮現(xiàn)象時(shí)，必要時(shí)可采用壓重措施，隧道內(nèi)采用提前吊運(yùn)管片至預(yù)拼裝管片堆放區(qū)的方式，消減隧道管片的上浮力。需注意的是，堆載重量需要根據(jù)隧道管片上浮情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，避免過重導(dǎo)致隧道下沉。

（2）成環(huán)管片脫出盾尾后應(yīng)及時(shí)對(duì)管片連接螺栓進(jìn)行復(fù)擰，提高隧道管片間的整體性，從而提高管片間抗剪力。

4 效果檢查

本文以隧道內(nèi)0環(huán)～100環(huán)作為研究對(duì)象進(jìn)行分析，在200環(huán)～250環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)中根據(jù)上浮量采取了相應(yīng)措施，上浮量得到了一定的控制。圖10為200環(huán)～250環(huán)的上浮量統(tǒng)計(jì)，該區(qū)段為上浮稍微明顯地段。從圖中可以看出，上浮量已下降，且不均上浮差值較小。在該區(qū)段管片的錯(cuò)臺(tái)均符合規(guī)范要求，且管片未出現(xiàn)連續(xù)破裂現(xiàn)象，偶爾出現(xiàn)角部破裂可歸結(jié)為拼裝原因。

圖10 隧道管片累計(jì)最大上浮量折線圖

從200環(huán)～250環(huán)軸線復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)（如圖10和圖11所示）可得，軸線偏差均在設(shè)計(jì)及規(guī)范要求之內(nèi)。

圖11 隧道軸線平面和高程偏差值折線圖

5 結(jié) 語

軟弱土層超大直徑泥水盾構(gòu)隧道施工期上浮影響因素較多，通過對(duì)影響因素的探討，主要得到以下結(jié)論：

（1）漿液流動(dòng)性較差、漿液的初凝時(shí)間較長(zhǎng)、各注漿孔注漿量及壓力控制存在差別、盾構(gòu)姿態(tài)糾偏頻繁、推進(jìn)速度過快、泥水后串、地質(zhì)情況及上覆土情況為影響要因；

（2）針對(duì)施工期隧道上浮的主要措施為增強(qiáng)漿液流動(dòng)性、調(diào)整初凝時(shí)間、各注漿孔注漿量及壓力的調(diào)整、控制推進(jìn)速度、控制盾構(gòu)姿態(tài)、控制泥水后串等措施；

（3）施工期隧道抗浮措施的選擇需考慮多種方式的組合，并結(jié)合可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性綜合確定。

總之，不同環(huán)境狀態(tài)下隧道上浮是由多項(xiàng)因素共同影響的，某一因素僅在一定范圍內(nèi)對(duì)隧道上浮起主導(dǎo)作用，施工過程中需系統(tǒng)地針對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。