復合地層下泥水盾構管片上浮規律及影響因素分析

耿大新，廖煜祺，胡宇琛，蔣亞龍

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌330013）

隨著我國經濟建設的快速發展，城市交通壓力日益增長，大力興建地鐵對于滿足城市交通需求愈發重要。 盾構法因其受地面干擾小、施工效率高、環境友好等顯著優勢[1]而在地鐵隧道施工中受到廣泛應用。 而在盾構掘進過程中，由于盾構殼體大于管片襯砌的外徑，管片在脫出盾尾后與周圍土體之間會形成一個環形間隙，如不及時進行同步注漿及二次補注充填， 將誘發管片發生局部或者整體上浮，進一步導致管片錯臺、裂損甚至掘進軸線嚴重偏離等危害[2-3]。 誘發管片上浮的影響因素較多，主要包括盾構掘進參數、同步注漿效果、地層性質等[4-7]。 通過對管片上浮量進行實時監測并及時調整施工參數，在一定程度上可有效控制管片上浮，從而保證盾構隧道的整體施工質量[8-10]。

國內學者針對管片上浮問題進行了大量研究，并取得了較為豐富的研究成果。林蔚勁等[11]以長春地鐵2 號線的解放大路車站為依托工程， 建立了該地鐵車站的有限元模型， 并且將有限元計算結果與現場實測的施工沉降數據進行對比分析；湯揚屹等[12]以武漢地鐵8 號線黃浦路站—徐家棚站盾構區間段為背景， 建立基于云模型與D-S 證據理論的盾構施工隧道管片上浮風險評價模型；呂乾乾等［13］分析盾構施工過程中管片上浮的誘因，得出軟弱地層中管片的上浮主要是地層應力重分布產生的地基回彈力引起的；葉飛等[14]針對施工期盾構隧道管片襯砌的受力特性及其施工荷載對管片結構造成的影響開展研究。 上述分析多為基于理論建模或者數值模擬， 從力學角度推導上浮量計算公式， 將設定參數代入并將計算值與現場上浮值進行比較， 進而研究預測管片上浮規律。 然而， 目前少有學者對現場監測數據進行系統分析研究。 要解決實際工程問題，僅依靠理論分析往往難以滿足需求， 通過對長期監測數據的分析與總結，能夠更好地指導現場施工。

采用數理統計方法分析實時監測的掘進參數、地層參數與管片上浮量，得到掘進速度、同步注漿壓力、 泥水壓力等盾構掘進參數以及地層參數對管片上浮的影響規律，為控制管片上浮提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

南昌軌道交通4 號線安豐站-東新站盾構區間過江隧道總長約為3.05 km， 隧道頂部覆土厚度9.9～25.8 m，地下穩定水位埋深3.07～11.2 m。 該盾構區間自贛江西岸先后下穿淤泥質黏土、 粉質黏土、砂礫及強風化、中風化泥質粉砂巖，過江段穿越全斷面中風化泥質粉砂巖， 東岸先后下穿中砂、粗砂、砂礫、中風化泥質粉砂巖，工程地質縱斷面圖如圖1 所示。

圖1 工程地質縱斷面圖Fig.1 Vertical section of engineering geology

1.2 工程及水文地質條件

該盾構區間穿越的典型地層為： ①全斷面砂層；②上軟下硬地層（上部砂層、下部中風化泥質粉砂巖）；③全斷面中風化泥質粉砂巖。對應管片里程分別為AK13+177.158～AK13+61.504 （1～78 環）、AK13+60.002～AK12+779.152（79～269 環）及AK12+738.598～AK12+40.168（296～761 環）。其中全斷面砂層自穩性較差、透水性較強、水壓較高，而中風化泥質粉砂巖為典型不透水地層，圍巖強度較高、自穩性好。 當盾構依次穿越上述3 種不同性質的典型地層時，盾構機以及圍巖所表現出的力學行為特征具有較大差異，對于盾構管片拼裝以及盾構同步注漿均有較大影響。

1.3 管片錯臺破損

當管片受力不均勻時，會導致管片某點的集中荷載超過其設計極限值，進而導致管片間產生相對位移。 引起管片出現破損與管片制作誤差、管片拼裝規范程度、 盾構姿態及管片上浮等因素有關[15]。經過現場檢查發現，在290～310 環存在少量幾環管片出現錯臺及開裂的現象（如圖2 所示）。由于該工區管片在拼裝前已經剔除破損管片，并且在管片拼裝過程中嚴格遵守操作規范，故初步推斷造成管片錯臺及破損極有可能與盾構過江管片上浮有關，在施工工程中進行管片上浮量監測，進一步探尋導致管片錯臺破損的原因。

圖2 管片破裂及管片錯臺圖Fig.2 Broken tube segment and misaligned tube segment

2 管片上浮現場監測

基于上述管片出現錯臺破損現象，借助人工方法以一定的監測頻率對管片上浮情況進行實時監測。 通過統計分析的方法對所得監測數據進行分析，針對管片上浮問題展開規律性研究，為后續掘進工作提供參數指導，從而提升工程質量。

管片上浮監測內容主要包括管片中心平面和高程測量， 通過高程變化反映管片上浮的動態變化。 具體監測方案：管片拼裝后需測量其中心三維、旋轉及俯仰度、法面、正圓度(俗稱橫豎鴨蛋)等數值。 襯砌環片必須每工班測量1 次，測量時每環都需測量，并測定待測環的大里程。 相鄰襯砌環測量時重合測定2～3 環環片。 環片平面和高程測量允許誤差為±10 mm。 通過在襯砌當中架標尺的方法，可測出其實際存在偏差，通過選取左右特征位置觀測高差可測出旋轉，用吊重線球法可測其法面，利用伸縮尺可測量管片正圓度上下左右偏差。 觀測的偏差值應在技術規定允許范圍內， 測量數據應準確、完整，記錄規范。

3 上浮量隨地層參數演化規律分析

針對盾構在3 種典型地層掘進時管片襯砌上浮量的演化規律展開研究，所選用的典型地層依次為：全斷面砂層（1～78 環）、上軟下硬地層（79～269 環）、全斷面中風化泥質粉砂巖地層（296～761 環），其中從518 環開始盾構進入贛江。 對所研究的地層進行分析，在3 種典型地層條件下掘進時管片上浮量如圖3 所示。

圖3 管片上浮量Fig.3 Segment uplift

由圖3 可知， 當盾構在全斷面砂層掘進時，管片上浮量在-7～+31 mm 間浮動，經計算平均上浮量為+10.6 mm。 在盾構掘進穿過全斷面砂層并進入上軟下硬地層后，在此地層中掘進時管片上浮量在-7～+69 mm 間浮動，經計算此階段管片平均上浮量為+35.4 mm。 當盾構穿過上軟下硬地層進入全斷面中風化泥質粉砂巖時， 管片上浮量數值普遍偏大， 其中565～607 環間管片上浮量最大值達到+176 mm，根據現場檢查發現泥水盾構在該區間內掘進時隧道鋼管片發生漏氣，進而導致該區段內管片發生嚴重上浮；因此在分析時不考慮該區間內的上浮數據，經數據處理后，在中風化泥質粉砂巖中掘進時管片有效上浮量在-19～+146 mm 間浮動，經計算平均管片上浮量為+77.0 mm， 其中當掘進進入518 環后，盾構掘進至贛江水位線以下，此時經計算平均管片上浮量為+80.3 mm。

根據上述數據分析可得：管片上浮量與地層參數密切相關，當盾構在全斷面砂層中掘進時，管片上浮量最小且上浮量相對更穩定；而在中風化泥質粉砂巖中掘進時，管片上浮量最大，其平均上浮量為全斷面砂層中的7 倍，最大上浮量為全斷面砂層中的4 倍；尤其在盾構進入贛江后，管片均出現上浮情況，且存在較大的增幅。 當從上軟下硬地層過渡到中風化泥質粉砂巖時上浮量差值會發生+15～+25 mm 的突增。

對上述現象產生的主要原因分析如下：

1） 盾尾間隙中存在的地下水、同步注漿漿液等多種液體會形成一定的浮力，對泥水盾構施工會產生影響[16-17]。 在透水性較好的飽和土層或者富水地層中掘進時，隧道整體結構均被水和注入的漿液包裹， 管片處在液體環境中因而產生向上的浮力，會對管片上浮產生加劇作用。

2） 盾構機在掘進過程中，整機質量集中于刀盤和前盾上，當盾構在不同地層交界處推進時易發生“載頭現象”，因而當盾構掘進到上軟下硬過渡地層時，管片上浮量差值會出現+15～+25 mm 的突增。

3） 當盾構在中風化泥質粉砂巖中掘進時，中風化泥質粉砂巖較砂土和上軟下硬土層強度更高，在中風化泥質粉砂巖中掘進時周圍土層短時間內不易發生變形，故管片脫出盾尾后，其盾尾間隙可能在一定時間內仍然完整存在，此時圍巖收斂包裹管片速度較慢， 圍巖與襯砌間易形成滲流跑漿通道，不利于注漿漿液的凝固填充。

4 上浮量隨掘進參數演化規律分析

當管片受到的抗浮力不足以抵抗其所受的上浮力時，合力方向向上，進而發生管片上浮，當管片受到的上浮力小于其所受的抗浮力時，則發生管片下沉現象。 管片上浮力的成因一方面主要是地下水包裹作用及注漿漿液包裹引起，此類作用在施工階段難以避免，另一方面施工擾動也是影響管片上浮力的重要因素。主要盾構施工參數包括掘進速度v、泥水壓力δ、盾構總推力N 和注漿壓力T 等。 機器參數在一定程度上會為管片提供一個豎向分力，通過調節機器參數可以改變管片所受豎向合力；因此機器參數與管片上浮之間存在一定的聯系，合理的機器參數有助于改善管片上浮現象，有必要探究機器參數與管片上浮之間的影響規律。

4.1 掘進速度與管片上浮量關系

基于167～196 環的現場監測數據，考慮盾構掘進速率對盾構管片上浮的影響并進行規律分析。 當盾構在167～196 管片環號之間掘進時，除掘進速度外其它主要掘進參數較為穩定，經計算各參數平均值如表1 所示。

掘進速度變化對管片上浮量影響情況如圖4（藍色散點）所示，此時的掘進速度在13～38 mm/min范圍內變化，可見在盾構掘進施工過程中，管片上浮量與掘進速度線性關系差，掘進速度單因素對施工期間管片上浮量沒有顯著的影響規律。

表1 167～196 環間主要掘進參數平均值Tab.1 Average values of main driving parameters between Ring 167 to 196

圖4 盾構掘進速度變化對管片上浮的影響Fig.4 The influence of shield tunneling speed change on the rise of segment

4.2 同步注漿壓力與管片上浮量關系

盾構在718～761 環掘進時，注漿采用四點注漿模式， 即一環管片上對應有編號為1～4 的4 根注漿孔，每根注漿管均保持0.27～0.30 MPa 等值注漿壓力，盾構周圍同處于中風化泥質粉砂巖地層，控制泥水壓力、 掘進速度和盾構推力等機器參數基本不變，通過調節注漿壓力盾構掘進參數，對管片上浮情況進行實時監測。 在該區間段盾構掘進中，除同步注漿壓力外其它主要掘進參數較為穩定，經計算各參數平均值如表2 所示。

注漿壓力對管片上浮量影響情況如圖5（藍色散點） 所示， 該區段內的注漿壓力在0.25～0.27 MPa變化，其中管片上浮量u 與注漿壓力T 的擬合關系為

由式 （1） 可知注漿壓力與管片上浮量存在正相關性，即當注漿壓力單因素增大時，管片上浮量增大。主要原因為：一方面隨著注漿壓力增大，管片周圍土層將受到更大的擾動而造成后期地層沉降，容易發生跑漿，不利于保障管片周圍環形空間內被漿液充分填充；另一方面注漿壓力過大也會增加對管片的壓力，會造成管片動態上浮，進而導致管片上浮加劇。

4.3 泥水壓力與管片上浮量關系

在337～359 環區間內掘進時，盾構處于中風化泥質粉砂巖之中，掘進速度、注漿壓力和盾構推力等機器參數保持穩定， 而泥水壓力處于變化狀態，故可探究泥水壓力參數變化對管片上浮的影響規律。 在該盾構區間掘進時，除泥水壓力外的其它主要掘進參數較為穩定， 經計算各參數平均值如表3所示。

337～359 環的泥水壓力在0.15～0.156 MPa 浮動，所得注漿壓力變化對管片上浮量影響情況如圖6（藍色散點）所示，其中管片上浮量u 與泥水壓力δ的關系可擬合為

由式（2）可知泥水壓力與管片上浮量存在較好的正相關性，即當泥水壓力增大時，管片上浮量增大。 出現這一變化規律的主要原因在于：在泥水平衡盾構掘進過程中， 通過泥水倉的泥水壓力與切口處的水土壓力形成平衡， 從而保證盾構掌子面前方與上部土體穩定；當泥水壓力增大時，泥水極易沿著與圍巖間的間隙向盾構后方流竄， 一方面由于沖刷作用影響同步注漿效果， 另一方面泥水充填盾尾下部間隙，進而產生較大的浮力作用，造成管片上浮。

表2 718～761 環間主要掘進參數平均值Tab.2 Average values of main driving parameters between Ring 718 to 761

表3 337～359 環間主要掘進參數平均值Tab.3 Average values of main driving parameters between Ring 337 to 359

圖5 注漿壓力變化對管片上浮的影響Fig.5 Influence of the grouting pressure changes on the rise of the segment

圖6 泥水壓力變化對管片上浮的影響Fig.6 Influence of muddy water pressure changes on the uplift of pipe segments

4.4 盾構推力與管片上浮量關系

對238～292 環間的監測數據展開分析，該區間內盾構掘進經過上軟下硬地層和強風化泥質粉砂巖地層，考慮到掘進速度、泥水壓力和注漿壓力維持穩定狀態，因而該區間段僅考慮盾構推力對管片上浮的影響。 除盾構推力外其它主要掘進參數平均值如表4 所示。

盾構在該區段內的掘進時，盾構推力在1 500～1 850 t 變化，所得盾構推力對管片上浮量影響情況如圖7（藍色散點）所示，其中管片上浮量u 與盾構推力N 的擬合關系式為

由式（3）可知盾構推力與管片上浮量存在一定的正相關性，即當盾構推力增大時，管片上浮量也會增大。 主要原因在于：盾構推進系統采用30 個缸徑為220 mm 的千斤頂油缸， 千斤頂油缸布置形式為上下兩端均分布8 個油缸， 左右兩側均分布7 個油缸，盾構推力等于推進油缸提供的推力總和，區間隧道在設計時一般設計為“V”字型，隧道在豎向存在一定的縱向坡度， 壁后注入的漿液達到初凝后千斤頂反力的殘余應力仍會提供給管片一定的豎向分力， 較大的盾構推力會對管片帶來更大的擾動，進而加劇管片上浮。

表4 238～292 環間主要掘進參數平均值Tab.4 Average values of main driving parameters between Ring 238 to 292

圖7 盾構推力變化對管片上浮的影響Fig.7 The influence of shield thrust changes on the floating of segment

5 結論

以南昌軌道交通4 號線過江隧道工程為依托，基于管片上浮這一典型問題， 對施工過程中管片上浮量進行監測，并對管片上浮量與地層性質、主要掘進參數之間的相互關系展開研究，得到結論如下：

1） 管片上浮量與所處地層有關。盾構穿越巖質地層時，由于圍巖強度較高，周圍土層在短時間內不易發生變形且盾尾間隙在一定時間內仍完整存在，不利于注漿漿液的凝固填充，當盾構在中風化泥質粉砂巖中掘進時，管片上浮量最大，最大值達到+146 mm；而當盾構在全斷面砂層中掘進時，管片上浮量最小，此時最大值僅為+31 mm；盾構掘進過程中穿越不同地層交界處時易發生“載頭現象”，當從上軟下硬地層過渡到中風化泥質粉砂巖時，上浮量差值會發生+15～+25 mm 突增。 盾構在相同地層中掘進時， 管片上浮情況受盾構所處液體環境影響，當盾構掘進至贛江水位線以下后管片的平均上浮量相比于水位線之上時高3.3 mm。

2） 管片上浮量與盾構掘進參數有關。在各項掘進參數中，注漿壓力、泥水壓力和盾構推力均對管片上浮存在加劇作用，即隨著注漿壓力、泥水壓力和盾構推力的增大，管片上浮量均會增大，而掘進速度單因素對管片上浮不具明顯規律。

3） 在盾構掘進過程中，管片上浮問題是由多種因素綜合影響造成，而地層參數、盾構掘進參數為主要影響因素。 尤其在長距離過江盾構隧道工程中，地質條件往往復雜多變；在掘進過程中需要結合地層特性對管片上浮的影響，并且對主要掘進參數進行實時調整，在一定程度上可以實現對管片上浮的有效控制。