盾構隧道管片上浮的機制研究

張　君，趙　林，周佳媚，劉　歡，張　遷

(1.中鐵建大橋工程局集團有限公司，天津　300300；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都　610031)

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盾構隧道管片上浮的機制研究

張君1，趙林1，周佳媚2，劉歡2，張遷2

(1.中鐵建大橋工程局集團有限公司，天津300300；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都610031)

盾構法施工時難以避免地會對隧道周圍地層造成擾動，引起地表位移，對盾尾間隙的充填可以有效地控制盾尾地表沉降。但在盾構掘進、盾尾間隙注漿施工中，隧道管片局部或整體上浮現象也時有發生。對管片結構在施工過程中受力狀態進行分析，將管片的上浮歸為四大類，即管片封閉成環的上浮、盾構掘進頂推時的上浮、脫出盾尾后管片的上浮、漿液初凝后管片的上浮。并提出管片脫出盾尾后至漿液初凝前的上浮計算方法，此外針對盾構施工期間管片的上浮，提出了管片上浮的控制措施。研究成果可為盾構隧道管片抗浮設計及施工提供一定的技術依據。

盾構隧道；管片上??；力學分析；控制措施

1　概述

隨著社會經濟不斷發展，為滿足日益增長的城市交通需求，城市地鐵隧道及地下工程的建設正迎來高速發展期。盾構法施工具有地面影響小、機械化程度高、安全性好、勞動強度低、進度快等優點，在我國城市地鐵、水下隧道的施工中得到廣泛的應用[1]。盾構法施工時難以避免地會對隧道周圍地層造成擾動，引起地表位移，對盾尾間隙的充填可以有效地控制盾尾地表沉降的，然而在盾構頂推掘進、盾尾間隙注漿施工中，隧道管片局部或整體上浮也時有發生，主要表現在管片錯臺、張開、裂縫、破損，乃至軸線偏位等現象，對管片防水和耐久性產生不利影響[2-3]。因此，有必要對盾構隧道管片上浮影響因素進行研究，為解決上述問題，本文對管片的上浮原因進行相應的劃分，并提出管片脫出盾尾后至漿液初凝前的上浮計算方法和管片抗浮的針對性措施，為盾構隧道的抗浮設計及施工提供依據。

2　管片上浮原因探討

隧道管片上浮的影響因素主要包括管片所處的地質條件、注漿浮力、施工擾動、建筑間隙、盾構姿態等[4]。本章節對管片結構在盾構施工中的受力狀態進行全階段分析，并對隧道管片的上浮進行了相應的劃分。

2.1管片封閉成環受力狀態

盾構機掘進開挖土方導致地層卸載，掘進開挖的同時其自重又反作用于地層，但開挖土體的重力大于盾構機的重力，故在地層應力重分布的影響下，盾構機會表現為上浮的現象。由于這種上浮現象是一種平均效果，盾構機重力在隧道軸線方向上分布不均，則盾尾相對于較重的刀盤會表現出上揚，進而支配并帶動管片上浮[5-6]。

2.2盾構掘進頂推時管片受力狀態

在盾構掘進施工中，管片可能受千斤頂的偏心荷載作用，使隧道管片在軸線方向上發生的彎曲變形，如圖1所示。此外，當使用泥水盾構機掘進時，其較大的切口水壓也可能引起盾尾上揚，進而導致附近管片上浮[7-8]。

圖1　管片受偏心荷載作用時的彎曲變形

2.3管片脫出盾尾受力狀態

2.3.1軟土地層

盾構隧道處于軟土地層中時，由于軟土流變性較大，盾尾脫離管片后，隧道管片上方軟土應力釋放，在自身重力作用下會向開挖洞室內側移動以至填充盾構間隙的上端區域。此外在隧道軸線方向上，脫出盾尾管片的一側受已凝固漿液管片的約束，另一側則受盾尾的約束。所以在軟土地層中，隧道的盾尾間隙不會被完全填充，而是在一定范圍內存在，如圖2、圖3所示。

此時若Ff>G+W，即管片與上覆土重力之和小于浮力時，管片有上浮趨勢。

圖2　軟土地層中管片脫出盾尾后的盾尾間隙

圖3　管片受力示意

2.3.2硬質土層

盾構隧道處于硬質地層中時，由于管片襯砌不受圍巖壓力的作用，管片脫離盾尾后，其盾尾間隙可能在一定時間內完整存在，如圖4所示。

圖4　硬質土層中管片脫出盾尾后的盾尾間隙

此時若Ff>G，即管片重力小于浮力時，管片有上浮趨勢。

2.4漿液初凝后管片的受力狀態

漿液初凝后，管片、注漿材料、地層相互作用，管片上下產生壓力差，應力重分布。這與土層特性、管片尺寸、覆土深度、注漿材料厚度等因素有關，這部分所引起的“二次上浮”不在本文討論的范圍之內，可以采用相應的數值模擬計算解決。

3　管片上浮計算模型

在理論計算中，僅考慮管片脫出盾尾的受力狀態，且認為管片上浮時間較長且上浮速率很小，可假定管片在上浮過程中處于一個平衡狀態[9]，并認為管片為剛體，只分析管片豎直方向上的剛體位移，管片上浮受力如圖5所示。本章節以下篇幅分別就上浮力、環向阻力、黏滯阻力、管片自重及覆土荷載的理論計算方法做詳細的分析，并依此提出管片上浮的計算公式。

圖5　管片上浮受力示意

假定管片處于平衡狀態，可得

(1)

(2)

式中,Ff為浮力；fn為黏滯阻力；fh為環間摩擦阻力；W為覆土荷載。

3.1上浮力的計算

對于管片受到的浮力，葉飛[10]認為管片所受到的上浮力由漿液或地下水包裹產生的靜態上浮力以及注漿壓力引起的動態上浮力兩部分組成。

靜態上浮力計算中不考慮地下水的影響時，所取液體容重為水泥漿容重；考慮地下水作用時，由于地下水對漿液的稀釋作用，液體容重取二者的平均容重。

則靜態上浮力

(3)

式中,b為管片環寬；R0為管片外徑；γj為液體容重。

對于管片所受的動態上浮力，在不同的土層條件和注漿參數條件下，動態上浮力的計算結果差異較大。所以在具體工程動態上浮力的計算過程中，應依據隧道管片周圍的土層條件及注漿參數來確定漿液的擴散模式。

當漿液擴散方式為壓密注漿時，水泥漿液集聚于管片環底部，如圖6所示。則由注漿壓力所提供的動態上浮力為

圖6　壓密注漿下漿液壓力分布

(4)

(5)

式中,p為注漿壓力；θ為X軸與漿液分布區邊界所成的夾角。

3.2環間阻力的計算

考慮到螺栓與螺栓孔壁間尺寸的偏差，所以相應的抗浮計算應按兩階段進行分析，即環面摩擦階段及螺栓抗剪階段。本文為求管片的最大上浮量，故不考慮螺栓的抗剪，僅計算由螺栓預緊力與千斤頂推力所提供的環間摩擦阻力。

環間摩擦阻力[11]

(6)

式中,μ為環間摩擦系數；Ni為單個縱向螺栓的預緊力；Nj為千斤頂推力傳遞到計算環面上的殘余壓力。

3.3黏滯阻力的計算

假定水泥漿液為牛頓流體，滿足牛頓內摩擦定律，盾尾間隙相對于管片很小，因此其漿液的流速可視為直線分布，如圖7所示。

(7)

切向速度vq與管片上浮速度v滿足以下關系式

(8)

管片上浮所受黏滯阻力為

(9)

牛頓流體黏度時變性規律可表示為

(10)

式中，vq為速度；δ為盾尾間隙；μt為漿液黏度；k1，k2為水泥漿液粘度時變性的參數。

圖7　黏滯阻力計算示意

3.4管片自重與覆土荷載的計算

管片自重

(11)

式中：γc為管片容重；R1為襯砌管片的內徑；h為覆土厚度。

隧道管片上方覆土全荷載為

(12)

式中：γ′為隧道管片上覆土的加權平均重度。

考慮到土體具有流變性質，盾尾脫離管片后，隧道上方的覆土荷載不是以全荷載的形式直接作用在管片上。管片所受的覆土荷載會隨時間的變化而發生相應的改變。故假定管片開始上浮到管片上浮終止的時間段內，覆土荷載與時間呈線性關系。

(13)

式中，Kt土壓力系數；t為施工期間上浮終止時間。

3.5管片上浮計算

現將式(6)、式(9)～式(10)、式(13)代入式(2)中得

(14)

對式(14)采用分離變量法積分可得

(15)

引入邊界條件：t=0，s=0，求得常系數c為

(16)

故管片上浮量為

(17)

4　工程實例分析

4.1基本參數

以成都地鐵為例，其隧道內徑為5.4 m，外徑為6 m，環寬1.5 m，盾尾間隙取10 cm。管片容重25 kN/m3，漿液容重12.5 kN/m3，注漿壓力0.25 MPa，埋深15 m，環間摩擦系數取0.3，螺栓預緊力100 kN，環面上殘余頂推力6 500 kN，每環縱向螺栓10根，漿液水灰比為0.9，其黏度時變性系數k1為9 MPa·s、k2為0.02 min，t=60 h，其余土層參數見表1。

表1　土層參數

4.2管片上浮量影響因素探討

在管片上浮量理論推導中得到了管片脫出盾尾后至漿液初凝前管片上浮量與上浮時間、隧道埋深、管片所受靜態上浮力、注漿壓力、漿液水灰比、土壓力系數、盾構間隙等因素的關系。本節僅分析不同的土壓力系數及漿液水灰比因素對管片上浮量大小的影響規律。

4.2.1土壓力系數Kt

依據表1所給各項參數及土性指標，可算出土壓力系數最大值為14 N/s，為研究土壓力系數與管片上浮量的影響關系，分別取土壓力系數Kt為0、8、14 N/s共3種工況分別進行計算?？衫L出不同土壓力系數Kt下，管片上浮量隨時間的變化曲線，如圖8所示。

圖8　不同Kt下管片上浮量與時間關系

從圖8中可以看出，管片的上浮量隨時間的增長而逐漸增大，最終趨于穩定。但在Kt=14時，管片的上浮量隨時間的變化曲線表現出先增大后減小，最后趨于平穩的現象。這是因為在管片上浮計算模型中未考慮隧道拱底地基反力的影響。

教學評價是指依據一定的客觀標準，對教學活動及其結果進行測量、分析和評定的過程。教學評價的功能主要表現在：診斷教學問題、提供反饋信息、調控教學方向、檢驗教學效果。廣義的教學評價包括對教師教學工作的評價和對學生學習結果的評價。本文中筆者討論的教學評價，是指對學生學習結果的評價。

在Kt=0時，即隧道管片處于硬質頂層中，盾構頂推掘進及盾尾脫出管片后，盾尾間隙完整存在，此時無上覆土所施加的作用力。注漿后，隧道不受上覆土的限制，管片位移會比軟質土中的位移大，所以對硬質含水地層，通過控制注漿材料的凝結時間，可以有效的抑制管片上浮。

4.2.2水灰比

在Kt=8 N/s，其他參數不變的情況下，分別取水灰比為0.8、0.9、1.0共3種工況分別進行計算。不同水灰比下黏度時變性參數見表2。

表2　不同水灰比下黏度時變性參數

依據表2所給各項參數及土性指標，可繪出不同水灰比下管片上浮與時間的變化曲線，如圖9所示。

圖9　不同水灰比下管片上浮量與時間關系

從圖9可以看出，管片的上浮量隨著水灰比的增大而增大。這是因為隨著水灰比的降低，水泥的相對摻量增大，漿液黏度也隨之增大、漿液的初凝時間縮短，管片上浮得到很好的抑制。

此外，在不同水灰比的情況下上浮量最大值所對應的時間點大致相近。

5　依托成都地鐵的管片上浮控制

本文在前面的論述中已對盾構隧道管片上浮原因進行了詳細的分析，并以此提出管片脫出盾尾后至漿液初凝前的上浮量的計算。本節依據上述理論分析及計算成果，以期提出管片上浮的控制方法。

由成都地鐵7號線“神仙樹站—火車南站”工程實踐可知，區間右線段(YDK21+600～YDK21+755)通過控制盾構姿態，且選用雙液注漿材料、0.2 MPa的注漿壓力后，管片上浮量的大小得到有效的抑制。

5.1控制盾構機姿態

盾構機在掘進頂推過程中不是沿著理想的隧道軸線運動的，而是有一定的允許偏差，當偏差過大時，需要調整各分區千斤頂油缸的推力來進行糾偏，但是糾偏會造成管片的環面受力不均，此時被頂推的管片有向下或者向上運動的趨勢，其向上運動的趨勢會造成管片的上浮。所以在盾構掘進頂推過程中應盡可能好地調整盾構機的姿態，以防管片錯臺現象發生。

當盾構機在土質較好的下坡段掘進，并通過現場實測得知已脫出盾尾管片上浮量過大時，可以通過控制盾構機的姿態，使盾構機保持“仰頭”(一般規定俯仰角≤±0.29°)掘進的方式[12]，以此來減小管片的上浮。

此外發現盾構姿態偏差時應逐步糾正，以免過急地糾偏導致管片環面受力不均[13]。

5.2注漿材料的選擇

眾所周知，襯砌背后注漿可以有效控制地層變形、使管片受力均勻、增強隧道的抗滲性。注漿材料在填充了盾尾間隙的同時，管片也隨之會產生上浮力。所以注漿是一場與隧道位移變形的時間競賽，只有保證注漿的充填性、凝固強度和限定范圍(防止流失)的有機結合，才能達到其既定目的[14]。

本文在4.2.2節中分析了注漿材料水灰比對管片上浮量的影響，并得出水灰比較小的注漿材料，管片上浮量得到相應的抑制的結論。所以在盾構壁后注漿材料的選擇上可以選用初凝時間短的雙液瞬凝性漿液，但雙液漿在同步注漿過程中易發生堵管的現象。但配備與雙液瞬凝性漿液能相對應的注漿系統也是解決辦法之一。

5.3注漿壓力

注漿壓力會對管片產生動態上浮力，其對整環管片合力方向可能向上、也可能向下。對單塊管片而言，盲目增大注漿壓力，雖能保證填充效果，但與此同時也會使管片承受過大的漿液壓力而發生錯臺的現象。目前，在盾構壁后注漿施工中注漿壓力的取值通常為地層阻力加上0.1～0.2 MPa的富余量[15]。

6　結　語

(1)本文通過對管片結構在施工階段上浮全過程中進行分析，將管片的上浮歸為四大類，即管片封閉成環的上浮、盾構掘進頂推時的上浮、脫出盾尾后管片的上浮、漿液初凝后管片的上浮。并對管片脫出盾尾后至漿液初凝前管片的受力狀態進行分析，提出管片的上浮量的計算方法，得出管片的上浮量隨時間的增長而逐漸增大，最終趨于穩定的結論。

(2)管片的上浮量隨著水灰比的增大而增大。對軟弱地層而言，隧道上有覆土層的作用，其上浮量較硬質地層小，所以對硬質含水地層，控制注漿材料的凝結時間，選擇水灰比較小的雙液漿，可以有效地抑制管片上浮。

(3)抗浮計算未考慮縱向連接螺栓的約束作用，理論計算得到的結果相對于實際管片上浮有所偏差。

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Research on Upward Moving Mechanism for Segment of Shield Tunnel

ZHANG Jun1，ZHAO Lin1，ZHOU Jia-mei2，LIU Huan2，ZHANG Qian2

(1.China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China; 2.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

During the process of shield tunneling，it is inevitable to disturb the surrounding stratum and cause surface displacement.The key to control surface subsidence is to effectively fill the gap of the shield tail.But the lining segment is prone to partial or wholly upward moving in shield driving and shield tail gap grouting.In this paper，the upward moving of segment structure is classified into four categories in terms of stress state in the construction process，including the upward moving when the segment is closed to form a ring，the upward moving when shield is advancing，the upward when segment is off the shield tail and the upward moving after grout is initially set.And the calculation method for segment upward moving is proposed from the time when segment is off the shield tail to the time when grout is initially set.In addition，measures to control upward moving of segment are put forward.The research results may provide technical

against segment upward moving in design and construction of shield tunnel.

Shield tunnel; Segment upward moving; Mechanical analysis; Control measures

2016-01-27；

2016-04-13

中鐵建大橋工程局科研委托項目(2015H01374)

張君(1982—)，男，工程師，2005年于西南交通大學機械自動化專業，工學學士，主要從事橋隧建設管理工作，E-mail：cheung-cdmetro@163.com。

劉歡(1991—)，男，碩士研究生，E-mail:xnjdlhlh@163.com。

1004-2954(2016)10-0088-06

U455.43

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.020