趙 頌

（中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000）

1 引言

近年來地鐵建設(shè)發(fā)展迅猛，盾構(gòu)法施工在地鐵隧道應(yīng)用廣泛，在盾構(gòu)施工中普遍遇見盾構(gòu)管片上浮問題。管片上浮會(huì)導(dǎo)致管片錯(cuò)臺(tái)、破損、防水系統(tǒng)破壞，甚至出現(xiàn)成型隧道侵限，因此對(duì)管片上浮的原因進(jìn)行分析并提出良好應(yīng)對(duì)措施非常關(guān)鍵。沈征難[1]從襯砌背注漿工藝及漿液質(zhì)量、盾構(gòu)姿態(tài)以及掘進(jìn)速度等方面研究了上浮的原因和控制措施。葉飛[2]提出襯砌環(huán)出盾尾后注漿壓力產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)上浮力是盾構(gòu)隧道施工中產(chǎn)生上浮的主要原因，提出考慮隧道埋深、周圍土體特性、注漿孔分布對(duì)注漿壓力實(shí)施動(dòng)態(tài)控制。陳仁朋等[3]對(duì)施工階段上浮變形規(guī)律及引起管片上浮變形、螺栓受力進(jìn)行了分析，并探討了漿液初凝點(diǎn)位置、千斤頂推力和螺栓預(yù)緊力等因素的影響。管片上浮影響因素多，施工中因素相互干擾，分析其主導(dǎo)因素困難，專家學(xué)者對(duì)上浮的原因認(rèn)知不一。

文章通過對(duì)西安地鐵5號(hào)線高新四路站—新桃園站區(qū)間（以下簡稱“高新區(qū)間”）盾構(gòu)隧道在黏土地層中管片上浮情況規(guī)律研究，分析土壓力及注漿浮力、坡度、盾構(gòu)姿態(tài)等對(duì)管片上浮的影響，從而揭示管片上浮的主要原因，并提出管片上浮控制措施，為黏土地層施工提供參考。

2 工程概況

高新區(qū)間縱斷面采用單坡設(shè)計(jì)，出高新四路站后依次以2.0‰、11.5‰、5.0‰的坡度下坡進(jìn)入新桃園站。隧道拱頂埋深約9～18 m，盾構(gòu)刀盤直徑6 280 mm，盾尾外徑6 130 mm，管片襯砌外徑為6000 mm，厚度和幅寬分別300 mm、1 500 mm，盾構(gòu)襯砌采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左右轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)類型。管片之間的環(huán)向和縱向均采用22根（環(huán)向12根、縱向10根）M24（8.8級(jí)）彎螺栓連接。

3 水文及地質(zhì)情況

高新區(qū)間地下水埋深8.20～11.10 m，水位高程388.55～391.28 m。工程場(chǎng)地在勘探深度70 m范圍內(nèi)的地層主要為第四系堆積物，即由全新統(tǒng)人工填土、粉質(zhì)黏土、中砂、新黃土、古土壤組成。盾構(gòu)穿越地層主要為粉質(zhì)黏土，局部含有中砂、黃土和古土壤，巖土力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 粉質(zhì)黏土巖土參數(shù)表

4 管片上浮情況

高新區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)后一路下坡（平均坡度7.5‰），盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入粉質(zhì)黏土后上浮現(xiàn)象明顯，上浮量平均達(dá)到82 mm，局部上浮達(dá)到87 mm，環(huán)管片脫出盾尾后出現(xiàn)多處破損現(xiàn)象。其中一段落上浮情況如下：7月19日該區(qū)間右線盾構(gòu)機(jī)完成第98環(huán)，對(duì)附近管片上浮數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 管片上浮統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

根據(jù)分析以上管片上浮變形情況總結(jié)出以下規(guī)律：（1）管片在脫出盾尾后上浮速率較快，36 h內(nèi)管片上浮值就可以達(dá)到60～70 mm，完成上浮終值的75%，在隨后的時(shí)間里管片上浮速率減慢，在48 h后管片上浮量基本達(dá)到穩(wěn)定，其時(shí)間-位移曲線如圖1所示；（2）管片上浮從脫出盾尾第3環(huán)逐步開始，第4～6環(huán)（環(huán)號(hào)脫出盾尾為1環(huán)，逆掘進(jìn)方向編號(hào)）緩慢上升，脫出盾尾第7～12環(huán)上浮速率較大，從13～16環(huán)上浮速率減小，上浮值趨于穩(wěn)定，其環(huán)號(hào)-位移曲線如圖2所示。

圖1 時(shí)間-位移曲線

圖2 環(huán)號(hào)-位移（mm）曲線

5 管片受力分析

5.1 管片受力模型

本研究探討?zhàn)ね恋貙又泄芷细?，黏土土質(zhì)條件差、內(nèi)摩擦角小、成拱效果弱。在黏土地層中管片水平向水土壓力、土體抗力受力對(duì)稱，其合力為零，對(duì)管片上浮無影響；管片上浮主要是管片周圍同步注漿產(chǎn)生的浮力和土壓力的合力大于約束管片上浮抗力。本研究將上浮階段按照上浮特點(diǎn)和受力變化分為2個(gè)階段。

第1階段為漿液初凝前管片處于流體環(huán)境中，該階段管片與圍巖間空隙在逐步填充，圍巖土壓力影響較小，管片與上覆土未完全擠壓，下部土體提供的反力在漿液包裹下未能傳到管片上，本研究認(rèn)為該階段管片四周土壓力為零。管片上浮主要受漿液浮力（Fj）、注漿產(chǎn)生的力（Fs）、推力的分力（Fy）；管片受到的豎向抗力為：管片自重（G）、相鄰管片間摩擦力（f）、螺栓相對(duì)剪力（Q）和漿液黏滯阻力（Fn）。該階段漿液和地下水的浮力可近似運(yùn)用阿基米德原理計(jì)算。管片在脫出盾尾后上浮階段受力如圖3所示。

圖3 第1階段管片上浮受力簡圖

其中：F浮為管片受到向上作用力的合力、Fj為漿液對(duì)管片的浮力、Fy為千斤頂豎向分力、F余為千斤頂殘余推力、ρ為漿液密度、g為重力加速度、V排單位長度管片環(huán)外體積、θ1為盾構(gòu)俯仰角、θ2為管片設(shè)計(jì)坡度。

魏綱等[4]應(yīng)用Maag球面擴(kuò)散理論，在假定漿液為牛頓流體的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出漿液壓力對(duì)管片產(chǎn)生壓力的公式。

式中：pg為注漿壓力；r為漿液擴(kuò)散半徑；β為漿液黏度與水黏度的比值；n為土體孔隙率；K為土體滲透系數(shù)；t'為注漿完成時(shí)間；r'為注漿孔半徑。

式中：ph為管片混凝土密度；N0為縱向管片螺栓預(yù)緊力；μ為相鄰管片間摩阻系數(shù)（近似取0.3）[5]；u為螺栓孔位置兩側(cè)管片的相對(duì)剪切位移；Kq為螺栓的簡化剛度；k0為位移折減系數(shù)。

胡云飛[6]研究中管上浮受到黏滯阻力為：

式中：k1、k2為黏度時(shí)變性參數(shù)；σ為盾尾間隙。

第2階段同步注漿強(qiáng)度上升，浮力作用逐步減小至消失，襯砌環(huán)和注漿環(huán)主要受土壓力影響，注漿環(huán)主要起傳遞力作用。不考慮地下水壓力影響，不計(jì)土拱效應(yīng)，拱頂壓力p1=γh（γ為土的重度、h為覆土厚度），隧底壓力p2=γ（h+2R）（R為隧道半徑）。管片上浮主要受土壓力（FE），管片受到的抗力為管片自重（G）。管片受力如圖4所示。

圖4 第2階段管片受力

通過計(jì)算可得，管片環(huán)受到的豎向土壓力的合力為

式中：γ為周圍巖土重度，黏土取18 kN/m3；ph為混凝土的重度，取28.5 kN/m3（包含鋼筋重量）。

從以上2階段分析管片上浮主要受覆土壓力、地層豎向反力、漿液浮力、管片自重、盾構(gòu)機(jī)推力、相鄰管片摩擦力，以及相鄰管片螺栓的約束力。

5.2 管片上浮原因分析

通過以上對(duì)管片上浮力學(xué)模型研究分析，結(jié)合實(shí)踐中采取的有效上浮控制措施分析，總結(jié)出管片上浮主要受工藝空間、地質(zhì)情況、漿液浮力、注漿產(chǎn)生的力及土壓力、盾構(gòu)機(jī)推力和盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)等因素影響。

5.2.1 盾構(gòu)隧道工藝空間

該區(qū)間盾構(gòu)機(jī)開挖刀盤直徑6 280 mm，盾尾外徑6 230 mm，隧道管片外徑6 000 mm。刀盤比管片半徑大140 mm，管片環(huán)與土體四周形成140 mm厚的環(huán)形空間，該空間為管片提供了上浮條件。推進(jìn)過程中同步注漿填充該間隙環(huán)，該間隙空間仍處于流體環(huán)境中為管片上浮創(chuàng)造條件。

5.2.2 地質(zhì)原因

盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中在硬巖、軟巖、上軟下硬等地層中都出現(xiàn)上浮，上浮的程度不一樣。該區(qū)間盾構(gòu)管片在黏土地層中管片上浮最大，在古土壤、中砂地層上浮較小。隧道覆土厚度也與管片上浮有關(guān)，一般地覆土厚度增加，地表隆起和隧道上浮位移逐漸下降。

5.2.3 漿液浮力及土壓力

襯砌管片成環(huán)后脫出盾尾，管片位于地層間的環(huán)形空隙，用同步注漿漿液填充，將管片環(huán)受力情況按照2個(gè)階段分別計(jì)算。

（1）第1階段管片受力

同步注漿漿液一般采用惰性漿液，漿液初凝時(shí)間為6～10 h，管片脫出盾尾后處于液體環(huán)境。隧道管片兩端受到盾尾和已固結(jié)穩(wěn)定的管片約束不能上浮，該兩端中間約有16環(huán)管片，其中前10 m處于同步注漿流體環(huán)境中，管片懸浮在未初凝和一定計(jì)算值強(qiáng)度的同步注漿漿液中，通過計(jì)算該階段分力，計(jì)算值見表3。

表3 第1階段分力計(jì)算值（kN）

從上述計(jì)算可以得知，管片受到向上作用力為其抗力的2.7倍，在合力的作用下螺栓發(fā)生屈服變形，不能完全抑止管片上浮。其中影響管片上浮最大因素為注漿產(chǎn)生的力和漿液浮力，因此在該階段控制注漿工藝和同步注漿配比是控制上浮的關(guān)鍵。

（2）第2階段管片受力

襯砌環(huán)主要受土壓力合力和管片自重影響，其作用力分別為：

由此可見該階段襯砌環(huán)脫出盾尾后受到地層向上作用的合力大于襯砌環(huán)的自重，受地層土壓力影響盾構(gòu)管片呈上浮趨勢(shì)。

5.2.4 盾構(gòu)機(jī)推力影響

高新區(qū)間盾構(gòu)隧道出高新四路站后以一路下坡進(jìn)入新桃園站。盾構(gòu)機(jī)底部油缸推力的增大將在設(shè)計(jì)軸線法線上產(chǎn)生一個(gè)向上的分力，這個(gè)分力（Fy）對(duì)管片的上浮產(chǎn)生較大影響。以10‰的坡度為例，油缸千斤頂殘余推力為平均為600 t時(shí)。

豎向的分力為Fy=F余×sin（θ1+θ2）=515 kN

該分力方向是垂直于隧道軸線，施工時(shí)該力反復(fù)作用在管片上，也使管片有個(gè)上浮的趨勢(shì)?？偼屏υ龃?、坡度增大及盾構(gòu)俯仰角增大均能導(dǎo)致豎向分力增加，導(dǎo)致管片上浮的概率也隨之增大。

5.2.5 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)影響

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)重量沿縱向分布不均勻，在軟土地層中刀盤和前盾部分一般會(huì)出現(xiàn)下沉，盾尾表現(xiàn)為上揚(yáng)，即出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象。為防止以上現(xiàn)象，一般增大下部千斤頂?shù)耐屏Γ瑢?dǎo)致上部與下部千斤頂形成推力差，管片受到偏心壓力，在已安裝的襯砌環(huán)面上產(chǎn)生一個(gè)力矩作用，該力矩增大了管片的上浮。

根據(jù)上述分析，盾構(gòu)管片上浮影響因素中地質(zhì)原因、坡度、埋深主要在設(shè)計(jì)階段確定，施工中無法調(diào)整。施工階段上浮影響因素中漿液浮力、注漿產(chǎn)生的力以及土壓力對(duì)管片上浮影響較大，盾構(gòu)機(jī)推力和盾構(gòu)姿態(tài)影響次之。

6 盾構(gòu)管片上浮控制措施

根據(jù)以上述分析減少漿液浮力和注漿產(chǎn)生的力是消除減小的關(guān)鍵，在黏土地層中為減小管片上浮可采用以下措施。

6.1 選擇適當(dāng)?shù)淖{漿液

解決管片上浮的有效方法是填充管片周圍并形成一定強(qiáng)度約束使其上浮，為更好地控制上浮施工中采用惰性漿液為主，輔以瞬凝型漿液約束管片上浮。瞬凝型漿液通常適用于以下情況：（1）對(duì)局部上浮嚴(yán)重地段可進(jìn)行二次補(bǔ)漿，該漿液從管片螺栓孔注入；（2）在管片脫出盾尾后上浮的速率大于35 mm/d，通過管片注漿孔及時(shí)補(bǔ)充瞬凝型漿液，管片上浮空間和上浮量同步減小。

6.2 選擇適當(dāng)?shù)淖{參數(shù)

同步注漿漿液浮力為管片上浮的重要因素，同步注漿漿液稠度低、初凝時(shí)間過長管片上浮概率和上浮量增大。常用方法為：優(yōu)化漿液配合比調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，控制漿液黏度減小浮力，調(diào)整注漿位置減小管片下部壓力。

6.3 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制

根據(jù)掌握的地層情況及盾構(gòu)檢測(cè)裝置反映的數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整推進(jìn)參數(shù)，及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)整盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向趨勢(shì)，盾構(gòu)掘進(jìn)垂直趨勢(shì)與水平趨勢(shì)要盡可能擬合設(shè)計(jì)軸線趨勢(shì)。糾偏應(yīng)按照“勤糾緩糾”的原則操作。在隧道推進(jìn)中根據(jù)管片上浮值，將盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)軸線高程降至設(shè)計(jì)軸線下20～40 mm，以此來抵消管片襯砌后期的上浮量，使隧道中心軸線盡可能地接近設(shè)計(jì)軸線。

6.4 管片螺栓復(fù)緊

當(dāng)盾構(gòu)管片脫出盾殼后，管片處于注漿漿液浮力和土壓力的復(fù)合力學(xué)作用之中，管片結(jié)構(gòu)各處可能由于應(yīng)力集中效應(yīng)而出現(xiàn)變形破壞，如螺栓與螺栓孔壁、管片環(huán)峰處、縱向接縫處，都會(huì)由于相互擠壓而破損。同時(shí)，局部螺栓也可能由于材料的變形屈服而出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。針對(duì)以上問題，西安地鐵隧道施工過程中，采用及時(shí)緊固螺栓、提高縱向剛度的方法，有效降低了管片上的垂直分力對(duì)管片上浮量的影響。

7 結(jié)語

本研究從黏土地層盾構(gòu)管片上浮的力學(xué)行為角度出發(fā)，分別研究了第1階段漿液浮力、注漿產(chǎn)生的力，以及第2階段土壓力合力的影響，分析管片上浮量的主要影響因素包括土壓力、漿液浮力和同步注漿壓力，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力為次要因素。并針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)中管片上浮規(guī)律，提出控制管片上浮行為的相關(guān)措施，從實(shí)際運(yùn)行情況來看，隧道上浮情況平均值由原來的8.2 cm減少到4.5 cm，線型美觀，隧道管片接縫平順，局部破損現(xiàn)象減少，施工缺陷率降低，可見黏土地基盾構(gòu)管片上浮控制措施取得了良好效果。