西安地區(qū)盾構(gòu)管片上浮機(jī)理分析及對(duì)策

張世杰

廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司

盾構(gòu)法施工具有地面影響小、機(jī)械化程度高、安全、勞動(dòng)強(qiáng)度低、進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)。但在施工中，隧道管片經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)局部或整體上浮，表現(xiàn)為管片錯(cuò)臺(tái)、裂縫、破損，乃至軸線偏位等現(xiàn)象，尤其是在穿越粘性較高的古土壤、老黃土、飽和軟黃土和粉質(zhì)粘土等淺覆土區(qū)域時(shí)，該問題尤為突出。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，廣州、上海、南京等地鐵盾構(gòu)施工中，都不同程度地出現(xiàn)過管片脫出盾尾后，在注漿過程中上浮的現(xiàn)象。

本文結(jié)合西安地鐵三號(hào)線某區(qū)間隧道工程實(shí)例，就施工期盾構(gòu)隧道上浮機(jī)理及控制進(jìn)行研究探討，并從多方面提出了針對(duì)性措施，為解古土壤、老黃土、飽和軟黃土和粉質(zhì)粘土地區(qū)盾構(gòu)隧道管片上浮問題提供方法借鑒及建議。

l 工程概述

西安地鐵三號(hào)線某標(biāo)區(qū)間隧道工程，全長(zhǎng)：1796.607m，最小平曲線半徑為R=450m，最大縱坡為20.06‰，縱坡走向呈“v”型坡。隧道采用6250土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，采用裝配式單層襯砌結(jié)構(gòu)，隧道外徑為6.0米，內(nèi)徑5.4米，管片襯砌環(huán)寬1.5m，采用錯(cuò)縫拼裝。本區(qū)段隧道覆土厚度為12～22m，穿越土層包括古土壤，老黃土、粉質(zhì)粘土、粉土、中砂等。地下水屬潛水類型，地下水埋深9.5——16.3m.。

通過對(duì)該區(qū)間左線350環(huán)中掘進(jìn)管片姿態(tài)穩(wěn)定后的復(fù)測(cè)和盾構(gòu)掘進(jìn)中的姿態(tài)的對(duì)比，，管片最大上浮位移達(dá)145mm，最小上浮位移達(dá)25mm，上浮平均值為60mm左右。可見隧道管片上浮對(duì)隧道的影響比較大，需在施工中嚴(yán)格加以控制。

2 盾構(gòu)隧道管片上浮機(jī)理

2.1 盾構(gòu)隧道管片上浮產(chǎn)生的原因

① 當(dāng)?shù)叵滤⒆{漿液、泥漿等包裹管片而產(chǎn)生的上浮力大于管片自重及上覆土荷載時(shí)，管片會(huì)局部上浮。

② 因注漿而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)上浮力作用使管片上浮。

③施工中盾構(gòu)頂進(jìn)千斤頂造成的管片縱向偏心荷載，致使管片縱向發(fā)生的彎曲變形。

④隧道開挖卸荷導(dǎo)致的地基回彈作用，也可能造成盾構(gòu)隧道的局部或整體上浮。

⑤已經(jīng)成型的上浮管片對(duì)相鄰的脫出盾尾管片的作用也會(huì)產(chǎn)生較大的力。

鑒于千斤頂偏心荷載及盾尾上抬的偶然性，相鄰管片對(duì)管片產(chǎn)生的力也較難以分析且在施工中可以通過技術(shù)措施控制，本文主要圍繞上述① ②④三個(gè)常態(tài)的上浮原因展開分析。

2.2靜態(tài)上浮力產(chǎn)生機(jī)理

依據(jù)盾構(gòu)工法特性，管片脫離盾尾后，盾尾空隙一般為8—16 cm（本區(qū)間使用的盾構(gòu)為中鐵建長(zhǎng)沙生產(chǎn)的基于海瑞克技術(shù)的6250型盾構(gòu)機(jī)，盾尾空隙為12.5cm，周圍土體暫處于無支護(hù)狀態(tài)，需要進(jìn)行同步注漿填補(bǔ)盾尾空隙，并盡快形成強(qiáng)度，以防引起上部地層下沉或管片上浮。盾尾空隙可能會(huì)被各種液體包裹，從而形成的上浮力主要有：①盾構(gòu)在透水性較好的飽和土層中掘進(jìn)時(shí)，整個(gè)隧道都被水包裹，很容易形成浮力；② 泥漿盾構(gòu)施工尤其是大斷面盾構(gòu)施工，以泥水盾構(gòu)居多，需要用較大的泥水壓力與切口處的水（土）壓力保持平衡，這些泥漿在遇到透水性好的地層、超挖較大或者小曲率拐彎的時(shí)候，可能向后方流竄，充斥整個(gè)盾尾空隙，從而承受產(chǎn)生較大的泥漿浮力；③注漿漿液 當(dāng)管片脫離盾尾時(shí)，若同步注漿的漿液不能達(dá)到初凝和一定的早期強(qiáng)度，隧道被包圍在壁后注漿的漿液中，從而承受漿液形成的浮力。

2.3動(dòng)態(tài)上浮力產(chǎn)生機(jī)理

壁后注漿漿液擴(kuò)散過程是一復(fù)雜過程，與周圍土質(zhì)、施工工藝、漿液性質(zhì)、注漿壓力、地下水等多種因素有關(guān)。考慮到其在一定條件下總是以某種流動(dòng)形式為主，本文將漿液在盾尾管片壁后的擴(kuò)散方式歸納理想化的擴(kuò)散模型。

1）充填階段，漿液充填未被周圍土體擠壓填實(shí)的盾尾間隙。管片脫離盾尾后，周圍土體會(huì)向管片方向移動(dòng)，注漿充填范圍與土體的位移量的大小此消彼長(zhǎng)。同時(shí)，充填范圍還與注漿壓力的大小及漿液的流動(dòng)性有關(guān)，注漿壓力大、漿液流動(dòng)性好，充填范圍就大。

2）滲透階段，主要發(fā)生于顆粒和孔隙率較大的砂性土中。盾尾間隙被漿液充滿以后，隨著漿液的持續(xù)注入，顆粒間的空氣和水將被擠出，而被漿液取代。有注漿管的點(diǎn)源注漿，漿液常呈球面。

3）壓密階段，用較高壓力將濃度較大的漿液注入土層，在注漿管底部附近形成“漿泡”，使注漿點(diǎn)附近的土體擠密，它主要發(fā)生于顆粒和孔隙率較大的砂性土中。

4）劈裂階段，在壓力作用下漿液使地層中原有裂隙或孔隙張開，形成新的裂隙和孔隙，促使?jié){液注入并增加其可注性和擴(kuò)散距離。其特點(diǎn)是將引起土體結(jié)構(gòu)擾動(dòng)和破壞，注漿壓力相對(duì)較高。

動(dòng)態(tài)上浮力主要由注漿過程引起，漿液的種類、配比、注漿壓力、注漿位置等都會(huì)對(duì)管片上浮產(chǎn)生一定影響。事實(shí)上，該力并不一定是真正意義上的浮力，它有可能是一集中力，也可能是分布力，有可能作用在管片環(huán)底部，也可能作用在管片環(huán)注漿孔附近位置。

2.3土體卸載后的回彈上浮產(chǎn)生機(jī)理

土體在盾構(gòu)隧道通過的過程中，其為一個(gè)卸荷后的回彈變形過程，尤其對(duì)具有壓縮性的土體，變形更為明顯，也造成盾構(gòu)管片的上浮，土體受力的過程過程大致分為三個(gè)階段：1、盾構(gòu)通過以前土體在原來的自重荷載下，產(chǎn)生的內(nèi)部受力和變形，此時(shí)，土體處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段，但存在一定的應(yīng)力，應(yīng)力的大小可以通過土力學(xué)的公式計(jì)算出來，主要和土體的埋深、土體的容重等因素有關(guān)，計(jì)算公式簡(jiǎn)化為：δ=γ*h，盾構(gòu)開挖范圍的土體自重為Q=L*γ*πd2/4，盾構(gòu)管片的自重可以通過設(shè)計(jì)文件查找，本區(qū)間管片自重為每米約20噸，遠(yuǎn)小于每米的土體自重荷載變形。

3 盾構(gòu)管片上浮力的計(jì)算

3.1 “靜態(tài)上浮力”計(jì)算方法

當(dāng)管片由地下水、泥漿或注漿漿液包裹時(shí)，由浮力定律，得管片環(huán)受到的上浮力為

F浮=πR0 2 γj-πR（R02 –R2）γc

式中R0、R為管片外徑、內(nèi)徑，γj為漿液或水的密度，

γc為混凝土管片密度。

3.2 “動(dòng)態(tài)上浮力”計(jì)算方法

假設(shè)注漿漿液為不可壓縮流體，在地層中的滲流在盾尾間隙影響厚度范圍內(nèi)，以注漿孔為球心，以半圓球形向四周擴(kuò)散。在對(duì)擴(kuò)散時(shí)產(chǎn)生的壓力進(jìn)行分析后可以看出，壁后注漿漿液的擴(kuò)散半徑及對(duì)管片產(chǎn)生的壓力與注漿壓力、注漿時(shí)間、漿液黏度、土體滲透率、盾尾間隙厚度、注漿管半徑等眾多因素有關(guān)。

3.3 土體卸載后的回彈上浮計(jì)算方法

土體卸載后的回彈計(jì)算可參照前述對(duì)回彈機(jī)理進(jìn)行分析的公式進(jìn)行計(jì)算，核心的問題是土體在一定壓力下卸荷后的回彈模量，對(duì)該回彈模量雖未進(jìn)行試驗(yàn)，但分析認(rèn)為該模量與土體的埋深、土體結(jié)構(gòu)等有較大的關(guān)系，也可以通過原狀土室內(nèi)試驗(yàn)的方法進(jìn)行測(cè)試。

3.4實(shí)例計(jì)算

以西安地鐵三號(hào)線X標(biāo)隧道為例計(jì)算（計(jì)算過程略）。

靜態(tài)上浮力：

F浮：281kn

運(yùn)用上式可以反算淺埋地段覆土厚度能否滿足抗浮要求。即當(dāng)上浮力與隧道上覆土重量相等時(shí)的覆土厚度就是臨界覆土厚度。

動(dòng)態(tài)上浮力：F浮：1 580kn

也可利用上式計(jì)算在不同上浮力時(shí)應(yīng)采用的注漿壓力值，以便于施工中對(duì)注漿壓力進(jìn)行控制。

地層回彈造成產(chǎn)生的上浮力F浮：378kn

4 盾構(gòu)隧道上浮的控制措施

4.1 選擇適當(dāng)?shù)淖{漿液

注漿材料主要有單液型漿液和雙液型漿液。單液型又可分為惰性漿液和硬性漿液。惰性漿液漿液中沒有摻加水泥等膠凝物質(zhì)，早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均很低。硬性漿液在漿液中摻加了水泥等膠凝物質(zhì)，具備一定早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度。雙液型漿液的膠凝時(shí)間通常較短，按凝結(jié)時(shí)間來分，又可分為緩凝型、可塑型、瞬凝型三種類型。

解決管片上浮問題實(shí)質(zhì)上是同步注漿穩(wěn)定管片，理想的情況是注漿漿液完全充填施工間隙并快速凝固形成早期強(qiáng)度，隧道與周圍土體形成整體構(gòu)造物從而達(dá)到穩(wěn)定。在漿液性能上唯有選擇雙液瞬凝性漿液能解決管片上浮問題，因其時(shí)效特點(diǎn)在隧道位移控制上具有優(yōu)勢(shì)；但雙液漿隨著溫度變化，同種配比化學(xué)凝膠時(shí)間因時(shí)而異，且堵管極易發(fā)生，故在西安地鐵的施工中仍然采用水泥砂漿漿液為多，目前南京、上海等地區(qū)普遍采用惰性漿液。

4.2 選擇適當(dāng)?shù)淖{方法

注漿有盾尾注漿和管片注漿兩種方法。盾尾注漿能夠及時(shí)、均勻注漿，自動(dòng)化程度高，施工控制相對(duì)容易，漿液在盾尾間隙的分布相對(duì)均勻。但堵管時(shí)清洗困難；一般只適于單液注漿，若選雙液漿，需配置專門清洗裝置。管片注漿操作靈活，容易清理，既可選單液漿，也可選雙液漿；可對(duì)局部地段進(jìn)行二次補(bǔ)漿，適合對(duì)隧道偏移、地表建筑物變形控制等特殊情況的處理。但易造成注漿不均勻，注漿孔是潛在的滲漏點(diǎn)；易有時(shí)差，很難做到真正的同步注漿。實(shí)踐證明，盾尾注漿對(duì)管片產(chǎn)生的注漿壓力小于管片注漿對(duì)管片產(chǎn)生的壓力。所以應(yīng)首先進(jìn)行盾尾注漿，在漿液凝固達(dá)到一定強(qiáng)度后，再根據(jù)注漿情況進(jìn)行管片二次注漿。

4.3 選擇適當(dāng)?shù)淖{參數(shù)

1）控制注槳壓力。注漿過程中，靠增加注漿壓力來改善注漿加固效果應(yīng)慎重，因?yàn)樵龃笞{壓力的同時(shí)也大大增加了對(duì)管片的壓力，極易引起上浮，壓力一般控制在0.2—0.4 MPa。

2）控制注漿時(shí)間。在相同注漿壓力下，漿液擴(kuò)散半徑及對(duì)管片的壓力均隨注漿時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，相比之下，對(duì)管片的壓力增長(zhǎng)更快。在施工中為防止注漿時(shí)間過長(zhǎng)對(duì)管片產(chǎn)生不利影響，往往待漿液初凝后再繼續(xù)注漿。

3）控制漿液黏度。在相同的注漿壓力與注漿時(shí)間條件下，隨著漿液黏度的增大，漿液的擴(kuò)散半徑與對(duì)管片的壓力均隨之減小。在施工中通過控制漿液黏度和注漿壓力，來控制漿液擴(kuò)散半徑。漿液黏度不能過大。

4）注意滲透系數(shù)影響。土體滲透系數(shù)越大，漿液擴(kuò)散半徑越大，對(duì)管片產(chǎn)生的壓力也越大。說明在盾

構(gòu)隧道掘進(jìn)中，應(yīng)該隨土性的變化調(diào)整注漿施工參數(shù)和漿液參數(shù)，在大斷面盾構(gòu)隧道施工中，同一橫斷面不同注漿點(diǎn)處的土性參數(shù)也會(huì)不同，也應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

4.4 考慮上覆土的抗浮效應(yīng)

上覆土對(duì)隧道有很好的抗浮作用，應(yīng)充分發(fā)揮。特別是淺埋隧道或隧道穿越江河，必要時(shí)應(yīng)改良上覆土體的性能，對(duì)隧道頂部土體進(jìn)行注漿加固，或者增加覆土厚度。隧道注漿時(shí)還應(yīng)依據(jù)上覆土特性，驗(yàn)算漿液擴(kuò)散范圍，使?jié){液不通過土體間隙流出地表或流入水中，并避免造成上覆土的隆起。

4.5 控制盾梅機(jī)姿態(tài)及參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)過量的蛇形運(yùn)動(dòng)必然造成頻繁糾偏，糾偏過程就會(huì)使管片環(huán)面受力不均。所以必須控制好盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，發(fā)現(xiàn)偏差時(shí)應(yīng)逐步糾正，避免突然糾偏而造成管片環(huán)面受力嚴(yán)重不均。要合理調(diào)整各區(qū)域千斤頂油壓，使油壓差不宜過大，與盾構(gòu)中心線相對(duì)稱區(qū)域的千斤頂油壓差應(yīng)小于5 MPa，其伸出長(zhǎng)度差應(yīng)小于12cm。同時(shí)要跟蹤測(cè)量管片法面的變化，及時(shí)利用環(huán)面黏貼石棉橡膠板糾偏，黏貼時(shí)上下呈階梯狀分布。同步注漿過程中，為使?jié){液及時(shí)有效地固結(jié)，應(yīng)適當(dāng)控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度，一般以緩?fù)茷橐耍七M(jìn)速度不大于3 cm/min。在盾構(gòu)隧道推進(jìn)中，根據(jù)管片拼裝后上浮經(jīng)驗(yàn)值，將盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)軸線高程降至設(shè)計(jì)軸線下一定數(shù)值，以此來抵消管片襯砌后期的上浮量。

5 結(jié)語

1）通過對(duì)隧道管片上浮機(jī)理的分析，總結(jié)出具有實(shí)用性的隧道上浮力計(jì)算方法，同時(shí)根據(jù)對(duì)影響隧道上浮各因素的分析，在工程中采取了控制隧道上浮的一系列措施和方法，取得良好效果。經(jīng)過最后對(duì)隧道上浮情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，隧道上浮平均值由原來的5.9 cm減少到3.2 cm，且達(dá)到線形美觀，接縫平順平整，保證了隧道的質(zhì)量。

2）分析注漿對(duì)管片產(chǎn)生的壓力時(shí)，將漿液假設(shè)為牛頓流體，對(duì)于非牛頓流體情況下，尚需進(jìn)一步研究；壁后注漿漿液在管片后的擴(kuò)散過程是一復(fù)雜的過程，半球面擴(kuò)散以及壓密注漿中的漿液分布模式的適用條件值得進(jìn)一步研究。

3）文中抗浮計(jì)算未考慮整環(huán)管片接頭端面摩擦及縱向連接螺栓對(duì)上浮力的影響；同時(shí)也未考慮已拼裝成型的管片縱向整體對(duì)上浮力的影響。

4）通過對(duì)在不同地層中各種推進(jìn)狀態(tài)的研究和比對(duì)，管片上浮在透水性較好，漿液擴(kuò)散較為容易的地層上浮量很小。同時(shí)在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)后的間歇時(shí)間對(duì)管片上浮量也有較大的影響，分析原因主要是漿液的凝固、后部的管片和盾構(gòu)機(jī)對(duì)新成型管片的挾制共同作用的結(jié)果。

5）完全消除盾構(gòu)管片的上浮，是不可能也是不經(jīng)濟(jì)的，在盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中，堅(jiān)持對(duì)管片姿態(tài)的復(fù)測(cè)，結(jié)合地質(zhì)情況，合理降低推進(jìn)的標(biāo)高基線，可以實(shí)現(xiàn)較好的盾構(gòu)隧道線型。