淺覆土段超大直徑泥水平衡盾構管片抗浮技術研究

張旭

（南京市公共工程建設中心，南京210019）

1 引言

隨著我國經濟社會的發展，超大直徑泥水盾構隧道在長江中下游的大型越江隧道中得到了大量應用。目前，長江南京段建成的有應天大街長江隧道（外徑14.5 m）、定淮門長江隧道（外徑14.5 m）、江心洲大橋夾江隧道（外徑15 m），在建的有和燕路過江隧道（外徑14.5 m），這些隧道在淺覆土段盾構始發后都不同程度地出現過管片脫出盾尾后上浮的現象。由于相鄰管片間采取螺栓、剪力銷等半剛性連接形式，管片上浮引起的變形、滲漏、甚至連接螺栓剪斷，都將對盾構結構的質量、安全和壽命產生不利影響。

目前，國內眾多專家針對盾構區間淺覆土段管片抗浮技術進行分析研究。莊國清[1]等學者針對在淺覆土（最小覆土約3 m）泥水盾構掘進的情況下的風險和困難，通過對抗浮方式研究增加配重管片抗浮、優化切口水壓設定、加強注漿質量等措施實施，成功完成了風險極大的淺覆土段泥水盾構施工；朱寶石[2]通過管片抗浮方式研究，采用大配筋率管片，盾構過程中輔助以低滲透高質泥漿進行施工，確保了泥水盾構淺覆土掘進順利施工。李旸[3]等學者通過進一步對管片受力情況，同步注漿，盾構姿態等上浮原因分析與排查，采取了控制盾構掘進出土量，調整同步注漿漿液配合比，對盾構機姿態進行控制等措施，取得了良好的效果。

綜上，國內專家已多次針對盾構區間淺覆土段管片抗浮技術進行分析研究，可見其關鍵性。本文根據南京已建或在建越江隧道的管片抗浮經驗，通過分析管片上浮的原因，研究建寧西路過江通道淺覆土段盾構抗浮技術，為今后的超大直徑盾構隧道建設提供了參考。

2 工程概況

在建的南京建寧西路過江通道（外徑14.5 m）位于長江大橋和揚子江隧道之間，距離上游的揚子江隧道約1.8 km，距離下游的長江大橋約2.4 km。目前左線盾構已從江北工作井出發開始掘進，右線盾構即將始發。以左線隧道為例，盾構段平面長度為2 349.066 m，盾構隧道共設置管片環1 174環，其中江北始發淺覆土段64 m，覆土厚度最淺處11.57 m，江中淺覆土段232 m，覆土厚度最淺處10.76 m，均屬于飽和軟土地質中超大直徑盾構掘進，極容易發生管片上浮問題。

3 管片上浮原因分析

盾構隧道在掘進過程中，盾構機開挖直徑大于管片外徑，管片在脫出盾尾后存在盾尾間隙，需通過注漿孔對盾尾間隙進行同步注漿。注漿漿液需要一定的時間才能達到足夠強度以約束固定管片，若注漿漿液不能初凝和達到一定的早期強度，則剛脫出盾尾的管片將包裹在由泥漿、流塑態的注漿漿液和地下水組成的液體環境中，從而受到較大浮力，導致管片上浮。同時當盾構在淺覆土段掘進時，在長江南京段軟土地層中，由于地下水豐富而上方淺覆土的約束壓力不夠，上浮問題更難控制。管片上浮示意見圖1。

圖1 管片上浮示意圖

隨著隧道直徑的增大，隧道管片受到的浮力成倍增加，超大直徑盾構在淺覆土段掘進時的抗浮技術的研究對于盾構隧道的應用發展具有重要意義。

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。隨著盾構向前掘進，時間逐步推移，注漿漿液逐漸凝固，管片受到的浮力將逐漸降低，因此剛脫出盾尾的管片受到的浮力更大。

當盾構在軟土地層中掘進時，尚未脫出盾尾、未發生上浮的管片，與剛脫出盾尾、受到較大浮力的管片之間的環縫面上，在不考慮同步注漿的動態壓力的情況下，主要存在浮力（F）、上方覆土壓力（E）、管片自重（G）、管片之間連接的剪力（Q）以及初凝的注漿漿液斷面上產生的剪力（Q′）。見圖2。當受力平衡時，Q+Q′=F-E-G。

圖2 管片環縫面受力示意圖

當剪力Q+Q′處于管片連接以及初凝漿液抗剪能力范圍內（Qmax+Q′max），即F-E-G≤Qmax+Q′max時，可以認為管片連接是安全的，因此，控制管片上浮應當主要解決管片環縫面上的受力情況。

4 管片抗浮措施

4.1 提高管片連接抗剪能力

建寧西路過江通道的管片環縫面上除了連接螺栓外，還增設了剪力銷，增大了管片之間連接的剛性。

4.2 提高同步注漿漿液的抗剪能力

調整同步注漿漿液的配合比，在保證漿液流動性的情況下，提高漿液早期剪切強度。

4.3 降低管片受到的浮力

1）縮短管片處在液態或流塑態環境中的時間。可以在盾構始發井端頭加固區后適當擴大地下水降水范圍，提前降低淺埋段的地下水位，盡量減少盾尾間隙中的地下水。也可以調整同步注漿漿液的配合比以縮短初凝時間。

2）降低漿液的密度，根據不同地層調整同步注漿漿液的配合比，從而降低浮力。

3）控制盾構掘進速度，為同步注漿漿液凝固留更多的時間。建寧西路過江通道根據在不同的地質中掘進情況，配制了不同配合比的漿液。同步注漿配合比見表1。

表1 建寧西路過江通道左線盾構同步注漿配合比

管片成環后在上部安裝測量棱鏡，通過盾構機VMT導向系統自動測量，每20~30 min，給出棱鏡的絕對高程變化。根據觀測數據，若發生管片上浮現象，應及時處理。

4）盾尾完全脫出始發加固區范圍（20 m，即10環）后容易發生上浮。通過降低推進速度（每天掘進1-2環），并在一號臺車前段頂部設置二次注漿平臺，管片脫出盾尾后通過頂部的二次注漿孔進行二次注漿，管片穩定后再恢復掘進。二次注漿配合比見表2。第11~20環上浮及二次注漿量統計見表3。

表2 建寧西路過江通道左線盾構二次注漿配合比

表3 建寧西路過江通道左線盾構11~20環上浮及二次注漿量統計

4.4 增大上方覆土壓力

和燕路過江隧道采取了在淺覆土段盾構上方采取了堆土的方式增加負重。在掘進線路上方，從11環開始至65環，中心線兩側各9 m范圍內，堆放3 m高渣土，覆土增加至12 m，通過增加覆土高度與降水固結，壓實土體，進而增加土體對于同步注漿漿液、管片及盾尾的約束力。

4.5 增加管片自重

在盾構機尾部增加配重，來增加管片自重，降低上浮影響。

和燕路過江隧道在每環推進時，將重為80 t的拼裝機后退至1號臺車前端，以增加剛脫出盾尾的管片的受力，盡可能地減小上浮。

建寧西路過江通道左線盾構在1號臺車前端下部設置了約200 t的壓重及行走機構（見圖3）。

圖3 1號臺車下方壓重

5 結語

1）盾構區間淺覆土段管片抗浮要綜合考慮各項盾構掘進要素，不能僅依靠控制同步注漿作為主要因素。

2）優化管片設計，增加管片自重也是盾構區間淺覆土段管片抗浮的重要措施之一，可與同步注漿各項參數的控制相結合，大大減小管片上浮量。

3）加強淺覆土盾構施工的信息化管理，根據具體實施過程中的問題及測量信息，及時地進行盾構機掘進參數的調整。