泥水盾構隧道管片上浮機理及抗浮梁作用研究

張 磊

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司 江蘇南京 211899)

1 概述

近年來，在我國廣州、上海和深圳等地區的城市地鐵建設中，常常會遇到盾構隧道管片上浮和錯臺等工程問題[1－3]。

針對盾構隧道管片上浮的問題，國內外專家學者做出了諸多研究。張強[4]結合上海地鐵二號線分析了盾構隧道襯砌背后注漿和推進頂力等因素造成管片上浮和錯臺的機理；郭李剛、楊梅等[5－6]針對全斷面硬巖地層盾構管片上浮問題，提出了質量控制措施；袁文軍[7]研究了上浮力作用模型及土體移動模型，推導了滿足越江盾構隧道抗浮的最小覆土厚度計算式，發現在漿液上浮力作用下管片上浮引起的土體變形規律；肖明清[8]應用有限元法，針對大直徑盾構隧道襯砌結構在施工過程中受力狀態，對地層的物理力學性質、注漿材料性質等影響盾構襯砌環上浮的因素進行了分析；季昌[9]針對軟土地層地鐵隧道施工期分析了總推力反力的豎向分力、同步注漿壓力、同步注漿配比、盾構及后配套臺車自重等諸多因素對管片上浮的影響，并根據影響因素權重進行排序；葉俊能[10]研究了管片上浮變形發展規律及環接頭變形模式，提出管片施工期上浮變形可以分為線性發展段、圓弧發展段、變形穩定段，得出管片結構形式對施工期容許上浮量影響很大的結論；王其炎[11]得出了管片上浮、管底處下臥土層回彈和管頂處上覆土層沉降隨注漿壓力、漿液彈性模量、土艙壓力、千斤頂壓力等因素變化發展的規律；葉飛[12]認為靜態浮力通常不足以使隧道上浮，注漿壓力才是引起盾構上浮的主要原因，進而提出了盾構隧道管片上浮的最小覆土厚度及最大注漿壓力計算式；A.Bezuijen等[13－14]通過分析漿液流動過程，建立了漿液所能抵抗的隧道最大浮力與漿液屈服強度之間的關系，以及要維持隧道穩定漿液所需要的最小剪切強度。

本文依托湖南常德沅江越江隧道，分析注漿壓力、泥水壓力、地下水位及隧道埋深對盾構隧道管片上浮的影響，并根據現場提供的抗浮梁位置及施工參數研究其作用機理。

2 工程概況

常德沅江越江隧道全長為2 240 m，盾構段長1 680 m，下穿沅江河床為813 m。隧道位于沅江下游，隧址位置多年平均水位為29.69 m，歷史最高水位為40.83 m，最低水位26.99 m，盾構隧道頂板高程為6.05～5.65 m。越江隧道下穿圓礫石地層占70%，粒徑跨度較大，含部分細顆粒。盾構隧道管片內徑10.3 m、外徑11.3 m，厚度為0.5 m，幅寬2 m。采用通用雙面楔形管片環，楔形量為48 mm。管片分塊采用“5＋2＋1”模式，即5B(標準塊)＋2L(鄰接塊)＋F(封頂塊)，其中標準塊和鄰接塊中心角49.76°，封頂塊中心角15.03°。管片拼裝方式為錯縫拼裝。每環管片縱向采用22個A級M36螺栓連接，環向采用24個A級M36螺栓連接。管片結構構造見圖1。

圖1 隧道管片結構分塊示意

3 數值分析模型

3.1 模型構建

本文利用FLAC3D軟件建立考慮盾構施工過程的沅江盾構隧道三維數值模型。一般認為數值模型邊界與隧道邊界的距離取其洞徑的3倍以上時可不考慮模型邊界效應影響，因此建模時為了消除模型的邊界效應，取隧道中心與模型四周邊界的距離均為50 m。在模型縱向上考慮盾構開挖及管片襯砌施作的施工過程影響取縱向距離為80 m(40環)，即計算模型的尺寸為120 m(X)×80 m(Z)×78 m(Y)。模型四周及底面采用法向位移約束條件，并考慮隧道埋深和懸河的影響，在模型上表面和模型內部單元施加相應的構造應力以模擬地層真實的自重應力場及滲流場。建立數值分析模型見圖2。

圖2 數值計算分析整體模型

3.2 模型相關參數

數值模型中隧道圍巖采用正六面體實體單元模擬，巖體為理想彈塑性體，遵循Mohr-Coulomb屈服準則。計算模型中圍巖力學參數見表1，盾殼部分力學參數見表2[15]。

表1 隧道圍巖計算力學參數

表2 盾構部分結構組件力學參數

數值模擬計算步驟如下:

Step1:按照應力和位移邊界條件計算地層初始應力。

Step2:一次開挖一環，每一環利用liner單元模擬盾殼施作，開挖一次計算一次，直至開挖5環將盾殼全部置于土體。

Step3:進行盾構隧道循環開挖模擬，其中每步首先模擬開挖一環管片長度，然后模擬盾殼、超挖間隙、管片襯砌、壁后間隙施工，求解當前步并判斷隧道是否開挖完成。

Step4:重復第3步直到隧道模擬開挖完成。

4 數值分析結果

4.1 注漿壓力

在分析注漿壓力對盾構隧道管片上浮的影響時，采用均布荷載模擬注漿壓力，在移除注漿壓力后用等代層[15]代替凝固之后的注漿體。計算工況見表3。

表3 不同注漿壓力計算工況

管片底部內側上浮量曲線和管片頂部內側上浮量曲線見圖3。由圖3可知:(1)隨著注漿壓力的增大，管片頂部和底部的上浮量逐漸增大，且增幅明顯；(2)剛安裝的管片因受到注漿壓力作用，與土體之間會產生相應的壓力，土體受到擠壓向外擴散，下方土體因擠土作用會向上微微隆起，從而造成底部管片上浮量略增的現象；(3)管片頂部土體因注漿力的作用，坍塌量減小，對管片的擠壓變小，使其相對上浮量也增大。

圖3 不同注漿壓力下管片上浮量

4.2 泥水壓力

分析泥水壓力對管片襯砌上浮的影響機理，所設工況見表4。

表4 不同泥水壓力計算工況

管片底部內側上浮量曲線和管片頂部內側上浮量曲線見圖4。由圖4可知:(1)隨著開挖步數的增加，即離開監測環的距離越長，管片上浮量逐漸增大至穩定，對于所設定的泥水壓力，其變化規律一致；(2)隨著泥水壓力值增加，管片頂部和底部的上浮量都隨之增加，但由于隧道開挖對隧道上部土體和下部土體擾動具有一定的差異性，故管片下部的上浮量大于管片上部的上浮量。

圖4 不同泥水壓力下管片上浮量

4.3 地下水位

分析地下水位對管片襯砌上浮的影響機理，所設工況見表5。

越江盾構隧道開挖過程中滲流現象不可避免，水位高低對管片上浮有一定的影響。為研究水位對管片上浮的影響，選取的水位見表5。

表5 不同地下水位計算工況

管片底部內側上浮量曲線和管片頂部內側上浮量曲線見圖5。由圖5可知:管片頂部和底部內側的上浮量隨水位的上升而增大，在盾構隧道掘進過程開挖面處的水壓基本為零，而四周因存在水頭差而產生滲流。滲流過程中水流會對土體產生應力作用，所以土體會產生局部上浮的趨勢。

圖5 不同地下水位下管片上浮量

4.4 隧道埋深

管片埋深即拱頂上方覆土厚度，在沅江隧道工程中，埋深最小5～8 m，最大約為20 m。為研究埋深對管片上浮的影響，選取埋深為7、12、17和22 m共四種工況，參數見表6。

表6 不同隧道埋深計算工況

管片底部內側上浮量曲線和管片頂部內側上浮量曲線見圖6。由圖6可知:(1)管片底部和頂部內側上浮量隨埋深的增加而減小，但頂部對埋深的敏感性小于底部對埋深的敏感性；(2)管片頂部和底部的上浮量變化規律相似，在離開監測斷面大概30 m位置上浮趨于穩定。

圖6 不同隧道埋深下管片上浮量

5 抗浮梁的作用機理與效果

由圖7有無抗浮梁條件下管片頂部和底部位移對比可知:(1)兩種情況下管片底部和頂部變化規律一致，在離開監測斷面約50 m后，管片上浮趨于穩定；(2)在抗浮梁作用下，管片的頂部和底部的上浮量都明顯減少，且抗浮梁對管片頂部上浮的抑制更加明顯。

圖7 有無抗浮梁條件下管片上浮量

圖8為在開挖5、15、25步及開挖完成后，抗浮梁與抗拔樁豎向位移云圖；圖9為開挖完成后抗拔樁的水平位移對比曲線。由圖可知:(1)隧道未穿過抗浮梁時，抗浮梁發生微小隆起，當隧道穿過抗浮梁時，由于其對隧道上浮的抑制作用，會隨著管片的上浮而上浮；(2)由抗拔樁的水平位移曲線可知，當隧道穿過樁時，會對鄰近的樁產生擠壓力，使其產生遠離隧道的位移，抗拔樁的頂部幾乎不受影響，類似懸臂梁的作用；(3)由抗拔樁的豎向位移云圖可知，樁隨著隧道的上浮產生相應向上的位移，這是由于在隧道下穿抗浮梁時，抗浮梁會對隧道的上浮趨勢產生抑制作用，反過來說隧道的上浮會使整個抗浮結構產生相應的隆起，由于隧道在穿越抗拔樁時，會對其產生擠壓力，增大樁與土體的摩擦力，從而更好地抑制隧道整體的上浮趨勢。

圖8 抗浮梁及抗拔樁豎向位移云圖

圖9 開挖完成后樁水平位移對比曲線

6 結論

本文通過數值模擬的方法分析了影響管片上浮的因素，并通過建立具有相同土層有無抗浮梁模型研究了抗浮梁的作用機理和效果，得到如下結論:

(1)在越江隧道中，注漿壓力、泥水壓力、地下水位及隧道埋深對管片的上浮都有所影響，當注漿壓力、泥水壓力、地下水位越大時，管片上浮量越大，越容易發生錯臺、裂縫、破損，乃至軸線偏位、管段滲漏等。

(2)在開挖至具有以上特征斷面應及時采取相應的抗浮措施，如及時監測盾構姿態、滿足最小覆土要求、改善管片接頭性能、控制注漿壓力及漿液性質、合理調節泥水壓力等手段抗浮。

(3)抗浮梁的施作對隧道抗浮有明顯的效果。在抗浮梁和抗拔樁的聯合作用下，當隧道通過此抗浮結構時，抗浮梁對其上浮起到有效抑制作用，而抗拔樁在隧道通過時會產生遠離隧道的位移，增大了其與土體的豎向摩擦力，從而更好地抑制隧道在此斷面的上浮量。