李明宇，余劉成，陳健，靳軍偉，歷朋林,3，李春林，田應(yīng)飛

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3.中鐵十四局集團(tuán) 大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211800；4.濟(jì)南城隧建設(shè)工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

大直徑盾構(gòu)隧道近年來大量建設(shè)用于解決城市交通問題[1?2]。由于大直徑隧道通常位于大江大河下方，管片直徑的增大，工程地質(zhì)水文條件及施工控制難度的增加導(dǎo)致管片上浮問題更加突出[3]。同時(shí)，上浮導(dǎo)致的錯臺問題也成為施工期管片損傷的主要因素[4]。南湖路湘江隧道[3]、南京地鐵3號線[5]、武漢地鐵7號線[6]、上海市北橫通道[7]等工程的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，施工期盾構(gòu)隧道管片上浮有著較為統(tǒng)一的發(fā)展規(guī)律，但上述研究所依托工程隧道直徑較小，或?qū)儆诖笾睆蕉軜?gòu)隧道但監(jiān)測頻率較低致使難以捕捉到管片上浮量發(fā)生明顯變化階段相應(yīng)的特征，或于管片脫離盾尾后進(jìn)行監(jiān)測致使監(jiān)測結(jié)果比管片實(shí)際上浮量小的多[8]，即均不能準(zhǔn)確反映大直徑盾構(gòu)隧道管片的全過程上浮發(fā)展特性。同時(shí)，研究表明管片上浮是多種因素共同作用的結(jié)果，與地層性質(zhì)、漿液特性和盾構(gòu)姿態(tài)等因素均有關(guān)聯(lián)[9?11]。黃鐘暉等[12]采用敏感性分析法計(jì)算出了管片上浮各主要影響因素的權(quán)重，認(rèn)為掘進(jìn)速度加快會增大管片上浮量。董賽帥等[5,13]同樣將控制掘進(jìn)速度作為管片上浮控制措施之一，但類似結(jié)論缺乏工程實(shí)測依據(jù)且與季昌等[14]所進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果相悖。盾構(gòu)隧道施工期的不均勻上浮誘發(fā)錯臺進(jìn)一步發(fā)展，對于由上浮導(dǎo)致的管片施工期錯臺的研究，目前集中于以下4個方面：管片錯臺影響因素及分布特征；管片錯臺導(dǎo)致的接縫受力；管片錯臺量值預(yù)測；管片錯臺控制措施。張社榮等[15]采用數(shù)值模擬的方式探討了管片錯臺分布規(guī)律及其影響因素。MO等[16]研究了盾構(gòu)姿態(tài)變化對管片內(nèi)力和錯臺的影響，并提出了相應(yīng)控制措施。WANG等[17]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合方式，分析了錯臺過程中導(dǎo)致的管片破損、接縫受力的分布和演變規(guī)律。CHENG等 提出了隧道縱向受力和變形的解析解，研究結(jié)論能夠很好地預(yù)測管片沉降、錯臺。張強(qiáng)[19]基于現(xiàn)場實(shí)測分析了錯臺發(fā)展規(guī)律，基于力學(xué)分析推導(dǎo)出了預(yù)測公式，但其對于錯臺的監(jiān)測僅在管片脫離盾尾后進(jìn)行，而管片在脫離盾尾前的錯臺是否已經(jīng)發(fā)生較大變化，目前仍未可知。上述關(guān)于管片上浮及錯臺的研究中隧道直徑多在6 m左右，而關(guān)于大直徑泥水盾構(gòu)隧道施工期管片上浮、錯臺全過程演變特性、基于實(shí)測數(shù)據(jù)對大直徑隧道管片上浮及錯臺影響因素的研究鮮有涉及。與一般城市地鐵隧道相比，大直徑盾構(gòu)隧道管片面臨的上浮問題愈加突出：隨著盾構(gòu)隧道直徑的增大，管片所受的浮力將成倍增加，同時(shí)上浮及錯臺發(fā)展特性必然與中小型盾構(gòu)隧道不同。依托濟(jì)南黃河隧道工程，對大直徑泥水盾構(gòu)隧道管片施工期上浮、錯臺以及收斂變形進(jìn)行同步監(jiān)測?；诒O(jiān)測結(jié)果及施工參數(shù)，分析了管片上浮、錯臺、收斂變形發(fā)展規(guī)律，橫、縱向上浮分布特征，并對上浮與錯臺、施工參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。最后，指出了管片上浮及錯臺的關(guān)鍵控制區(qū)域并提出了相應(yīng)控制措施。

1 試驗(yàn)場地工程概況

本試驗(yàn)依托濟(jì)南黃河隧道工程，該隧道為公軌合建式盾構(gòu)隧道，采用泥水平衡盾構(gòu)法施工，隧道分東西兩線由北向南穿越黃河，為雙管雙層形式。盾構(gòu)刀盤直徑15.74 m，管片為單層裝配式襯砌(見圖1)，管片外徑(D)15.2 m，管片內(nèi)徑13.9 m，管片厚度為650 mm，環(huán)寬2 m，錯縫拼裝。試驗(yàn)段位于黃河河槽下方的西線WK1+632.8～WK1+672.8里程段，區(qū)間軸線近似水平，河水深2～3 m，拱頂覆土埋深在30～32 m之間。期間隧道穿越地層主要為粉質(zhì)黏土，隧道斷面上部發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)結(jié)核，下部局部伴有細(xì)砂，該區(qū)段土體分層情況如圖1和表1所示。

表1 物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties

圖1 試驗(yàn)段地質(zhì)條件及管片測點(diǎn)布置Fig.1 Geological conditions of test section and measuring point location

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選擇連續(xù)20環(huán)分別對管片上浮、錯臺、豎向收斂進(jìn)行平行監(jiān)測。于管片拱頂、兩側(cè)拱腰、拱底、拱腰和拱底之間區(qū)域布置上浮測點(diǎn)。于拱頂布置錯臺自動監(jiān)測裝置，同時(shí)測量管片拱頂和拱底拼裝錯臺量及錯臺終值，監(jiān)測布點(diǎn)見圖1和圖2。

圖2 管片測點(diǎn)分布及錯臺采集Fig.2 Tunnel measuring point distribution and dislocation measurement

結(jié)合現(xiàn)場條件，上浮監(jiān)測儀器選用全站儀、小棱鏡、反射片，于隧道后方拱頂、拱底穩(wěn)定區(qū)域分別設(shè)立基準(zhǔn)點(diǎn)。管片拼裝完畢后(管片拼裝區(qū)域與盾尾空間位置見圖3(a))，于拱腰和拱底區(qū)域黏貼反射片，拱頂區(qū)域布置小棱鏡，監(jiān)測各測點(diǎn)初始高程，隨后測量后方管片測點(diǎn)(拱底區(qū)域主要為圖1中的C和E 2點(diǎn))上浮量。其中，距盾尾前5環(huán)的拱頂區(qū)域測點(diǎn)測量間隔小于3 h/次，距盾尾5～15環(huán)拱頂、拱底測點(diǎn)測量頻率保持12～24 h/次，直至管片穩(wěn)定。管片在某時(shí)上浮量等于該時(shí)刻高程減去初始高程，隧道頂部和底部上浮量的差值即為豎向收斂值。此外，規(guī)定從開挖面向箱涵方向，環(huán)縫兩側(cè)管片高程依次相減得環(huán)間錯臺量，正值表示更接近開挖面的管片高程大于相鄰管片，相反則為負(fù)值(見圖3(b))。

圖3 盾構(gòu)施工簡圖及錯臺正負(fù)規(guī)定Fig.3 Sketch of shield tunnel construction

管片拼裝完畢后，測量管片拱頂和拱底區(qū)域拼裝錯臺量，并對拱頂區(qū)域的環(huán)縫錯臺進(jìn)行自動化采集，監(jiān)測頻率為20～30 min/次。在試驗(yàn)正式開展之前，首先對位于濟(jì)南黃河隧道工程東線隧道黃河下方的部分管片上浮、錯臺進(jìn)行了測試，其中上浮測點(diǎn)位于拱頂一側(cè)、錯臺測點(diǎn)位于拱頂環(huán)縫，監(jiān)測結(jié)果見圖4。由圖4可知，東線隧道管片在脫離1號臺車后上浮、錯臺已然趨于穩(wěn)定，因此本試驗(yàn)段中當(dāng)管片脫離1號臺車后，即可視現(xiàn)場條件陸續(xù)采集管片所有測點(diǎn)的上浮量終值，以及拱頂和拱底的錯臺量終值。

圖4 東線隧道管片拱頂上浮、錯臺變化曲線Fig.4 Upward moving and dislocation variation curves of vault of shield tunnel on the east line

3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

3.1 管片上浮實(shí)測分析

3.1.1 管片上浮演變特性

黃河底部試驗(yàn)段管片環(huán)號為923～942環(huán)，圖5為927～934環(huán)拱頂I點(diǎn)、拱底E點(diǎn)的上浮發(fā)展規(guī)律。分析可知，管片自拼裝完畢至上浮穩(wěn)定的過程大致可分為以下4個階段：初始變形階段(拼裝完畢～脫離盾尾)、快速上浮階段(脫離盾尾0～7 h)、平緩上浮階段(脫離盾尾7～20 h)和緩慢沉降階段。

由圖5可知，管片在初始變形階段，拱頂和拱底區(qū)域高程變化趨勢并不是一直統(tǒng)一的：在管片拼裝完畢～開始脫離盾尾時(shí)，管片拱底高程或不變或已然上升，而拱頂區(qū)域則大多沉降。但監(jiān)測結(jié)果顯示管片開始脫離盾尾～完全脫離盾尾的過程中(該過程也是對管片注漿的過程)，拱頂和拱底區(qū)域的高程均已上升，即管片在完全脫離盾尾前已經(jīng)具備一定的上浮速率。若以某階段上浮增量和最終上浮量的比值作為該階段上浮占比，則在初始變形階段拱底平均上浮占比35%，拱頂平均上浮占比20%。

圖5 管片上浮時(shí)程曲線Fig.5 Uplift-time curves of tunnel

在快速上浮階段，被漿液完全包裹后的管片所受浮力達(dá)到極值，管片上浮近似線性增長，該階段管片拱底平均上浮占比40%，拱頂平均上浮占比75%。當(dāng)管片脫離盾尾7～20 h時(shí)，拱底、拱頂上浮增量占比分別為30%和20%，此時(shí)漿液已經(jīng)具備一定強(qiáng)度，漿液浮力已然衰減，而由拱頂覆土荷載、環(huán)間螺栓剪力組成的抗浮力逐漸增大[20]，進(jìn)而表現(xiàn)為上浮速率逐漸減緩。

與管片脫離盾尾后的快速上浮、平緩上浮階段的變形特性有所不同，管片脫離盾尾20 h直至測量結(jié)束，隧道襯砌有著整體下沉趨勢：如928環(huán)于脫離盾尾20～70 h之間拱頂產(chǎn)生了5 mm沉降，929環(huán)脫離盾尾23～30 h之間拱頂產(chǎn)生了7 mm沉降，各環(huán)拱底區(qū)域沉降量則較小，平均沉降僅2 mm左右。由于測試段土層軟弱，此階段管片漿液也已經(jīng)凝固，隧道管片將和周圍土層一同沉降[21]，同時(shí)由于土體的流變特性，覆土荷載隨著時(shí)間的增長持續(xù)增加[22]，致使拱頂區(qū)域沉降量大于拱底。對各環(huán)脫離盾尾20 h直至測量結(jié)束過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明期間拱頂區(qū)域沉降量占最終上浮量的15%左右，拱底區(qū)域沉降占比僅為5%。鑒于這一過程中拱頂、底區(qū)域的變形量及變形速率均較小，因此，本文將管片自脫離盾尾20 h以后統(tǒng)稱為緩慢沉降階段。

對試驗(yàn)段所有管片上浮測點(diǎn)的上浮量終值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以測點(diǎn)與拱底的豎向距離為自變量，對應(yīng)的各環(huán)上浮量平均值為因變量，進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見圖6(a)。觀察可知，管片自拱底到拱頂上浮量線性遞減。擬合結(jié)果表明各測點(diǎn)上浮與其距拱底的豎向距離近似滿足一次函數(shù)關(guān)系。

管片拼裝完畢時(shí)，以后方各環(huán)管片和盾尾距離l為橫坐標(biāo)、各管片在該時(shí)的拱底上浮量占其最終上浮量的百分比為縱坐標(biāo)，得出管片拼裝完畢后的縱向上浮規(guī)律，見圖6(b)。由圖6(b)可知，隨著管片與盾尾距離的增加，管片縱向上浮曲線首先上升隨后呈下沉趨勢，其中當(dāng)939環(huán)拼裝完畢時(shí)，距盾尾1.6D的925環(huán)已經(jīng)達(dá)到上浮終值，該位置接近于盾構(gòu)1號臺車(或管片輸送機(jī))尾部。進(jìn)一步分析可知，由于在盾尾后方4環(huán)以后的管片的上浮量普遍達(dá)到上浮終值的80%以上，且管片一旦上浮將難以糾正，故應(yīng)在盾尾后方1～4環(huán)著重控制上浮。

大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是在大直徑公軌合建式盾構(gòu)隧道施工中，監(jiān)測單位往往僅能在拱頂布置上浮測點(diǎn)，所測結(jié)果不僅不能準(zhǔn)確反映管片真實(shí)上浮特性，反而對隧道精準(zhǔn)施工帶來困擾。實(shí)際上，拱底上浮量即為現(xiàn)場所測拱頂上浮量與管片豎向收斂量之和，結(jié)合所測管片拱頂上浮及相應(yīng)的施工期豎向收斂演變規(guī)律(圖6(c))，仍能反推拱底上浮量變化情況。由圖6(c)可知，試驗(yàn)段內(nèi)絕大多數(shù)管片自脫離盾尾前已發(fā)生豎向收斂，且在距離盾尾后方0.5D之內(nèi)收斂變形速率較大。隨著管片與盾尾距離的增加，豎向收斂變形演變規(guī)律同樣呈指數(shù)函數(shù)形式，且收斂增長速率逐漸降低，并在距盾尾1.6D時(shí)趨于穩(wěn)定，該區(qū)域同樣為管片高程變化速率較小區(qū)域。

圖6 管片橫、縱向上浮規(guī)律及收斂變形特征Fig.6 Uplift distribution of single segment and continuous ring segment and the development of tunnel convergence

3.1.2 管片上浮影響因素分析

選取923～935環(huán)管片拱頂及拱底各測點(diǎn)上浮穩(wěn)定值與施工參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析(因936～942環(huán)更改了漿液配比，故在分析時(shí)并未將該區(qū)間包括在內(nèi))，分析結(jié)果見圖7。

由圖7(a)可知，管片上浮與上部盾尾間隙(管片拼裝完畢后測得的管片外弧面與盾殼內(nèi)弧面的垂直間隙)線性相關(guān)。由于管片拼裝時(shí)該間隙存在較大波動，因此在防止管片上浮的相關(guān)措施中可著眼于減小盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的超挖量。由圖7(b)可知，掘進(jìn)速度與管片上浮具有線性關(guān)系，一般來講，盾構(gòu)推進(jìn)速度較大時(shí)，漿液可能無法及時(shí)凝固，導(dǎo)致管片受到漿液上浮力的作用范圍增大，進(jìn)而使得管片上浮風(fēng)險(xiǎn)增加[12]。結(jié)合匹配結(jié)果進(jìn)一步分析可知，于黃河底部大直徑盾構(gòu)隧道掘進(jìn)速度低于15 mm/min時(shí)，隧道上浮量將低于50 mm。

由圖7(c)～7(d)所示，管片上浮受注漿量的影響并不明顯，拱頂千斤頂推力與拱頂區(qū)域的上浮線性相關(guān)。根據(jù)盾構(gòu)開挖直徑、管片外徑計(jì)算可得每環(huán)管片理論建筑間隙為26 m3，由于試驗(yàn)段內(nèi)管片注漿量均在50 m3以上，漿液能夠較好地填充建筑間隙，故其進(jìn)一步增大時(shí)對管片上浮影響不大。

3.2 管片錯臺監(jiān)測結(jié)果分析

管片上浮可能會導(dǎo)致管片錯臺進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而極大地影響隧道安全。本節(jié)分析了大直徑盾構(gòu)隧道施工期上浮及錯臺平行監(jiān)測結(jié)果，以探求管片錯臺全過程發(fā)展規(guī)律及與管片上浮的相關(guān)性，結(jié)果見圖7。

圖7 管片上浮與施工參數(shù)的相關(guān)性Fig.7 Influence of tunnelling parameters on the segment uplift

從圖8(a)觀察可知，大直徑盾構(gòu)隧道管片環(huán)縫錯臺發(fā)展規(guī)律總體分為以下3個階段：

圖8 管片錯臺典型發(fā)展規(guī)律及與上浮相關(guān)性Fig.8 Typical development of segment dislocation and the correlation between uplift and dislocation

1)快速減小階段(階段Ⅰ：管片拼裝完畢～環(huán)縫脫離盾尾1.5 h，距盾尾-2～1 m)，該階段管片錯臺線性遞減。結(jié)合現(xiàn)場盾構(gòu)施工步驟(圖3(a))及3.1節(jié)的上浮監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，第N環(huán)拼裝完畢后盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)，此階段第N環(huán)管片拱頂區(qū)域或出現(xiàn)沉降或上浮速率較低，而第N-1環(huán)逐漸脫離盾尾且上浮速率加快，致使環(huán)縫錯臺量持續(xù)減小。

2)增長階段(階段Ⅱ：環(huán)縫脫離盾尾1.5～25 h，距盾尾1～14 m)，總體來看該階段管片錯臺發(fā)展規(guī)律類似于管片脫離盾尾后的上浮增長規(guī)律，環(huán)縫脫離盾尾后首先呈線性增加，當(dāng)環(huán)縫脫離盾尾6～10 h后，錯臺增長速率逐漸減緩。

3)穩(wěn)定階段(階段Ⅲ：環(huán)縫脫離盾尾25 h以后，距盾尾14 m以后)。管片錯臺穩(wěn)定的位置距盾尾約為14 m，在此之后，當(dāng)環(huán)縫脫離1號臺車(管片喂片機(jī)尾部)、進(jìn)入箱涵區(qū)域均不會對管片錯臺造成影響。

由上述分析可知，管片錯臺與上浮的發(fā)展規(guī)律具有一定的相似性，選取927環(huán)的拱頂上浮及錯臺平行監(jiān)測結(jié)果，所有管片的拱頂、底測點(diǎn)I和C的上浮量終值及相應(yīng)的錯臺量終值做進(jìn)一步分析，結(jié)果分別見圖8(b)～8(c)。由圖8(b)～8(c)可知，管片錯臺與上浮線性相關(guān)，當(dāng)928環(huán)逐漸脫離盾尾并加速上浮時(shí)，錯臺量開始回升，此時(shí)錯臺和上浮百分比的增長速率幾近相同。

4 結(jié)論

1)大直徑泥水盾構(gòu)在以粉質(zhì)黏土為主的地層中掘進(jìn)時(shí)，管片上浮過程可分為：初始變形(管片拼裝完畢～脫離盾尾，拱底上浮占比為35%)、快速上浮(脫離盾尾0～7 h，拱底上浮占比為40%)、平緩上浮(脫離盾尾7～20 h，拱底上浮占比為30%)和緩慢沉降(拱底沉降占最終上浮量5%)4個階段。管片自拱頂至拱底上浮量線性遞增，單環(huán)管片豎向收斂及連續(xù)環(huán)管片拱底縱向上浮則呈指數(shù)型發(fā)展，且豎向收斂在距離盾尾1.6D處趨于穩(wěn)定。

2)大直徑泥水盾構(gòu)在以粉質(zhì)黏土為主的地層中掘進(jìn)時(shí)，管片錯臺發(fā)展規(guī)律可分為：快速減小(拼裝完畢～環(huán)縫脫離盾尾1.5 h，距盾尾-2～1 m)、增長(環(huán)縫脫離盾尾1.5～25 h，距盾尾1～14 m)和穩(wěn)定3個階段。管片脫離盾尾前，環(huán)縫錯臺量將會發(fā)生持續(xù)性減小，隨后便快速增加。隨著漿液強(qiáng)度的增大，錯臺緩慢增長，并在距離盾尾7環(huán)處趨于穩(wěn)定。

3)大直徑泥水盾構(gòu)隧道管片上浮與錯臺、掘進(jìn)速度、上部盾尾間隙線性相關(guān)。為減小管片上浮量，盾構(gòu)隧道施工期應(yīng)盡量避免超挖，并適當(dāng)降低盾構(gòu)掘進(jìn)速度，建議在易上浮地層條件下盾構(gòu)掘進(jìn)速度降至15 mm/min以內(nèi)。此外，管片上浮和錯臺的最佳控制區(qū)域位于盾尾后方的1～4環(huán)。