盾構通過礦山法隧道上浮問題分析研究

董澤龍，張慶賀，周 禾

(1.上海第一市政工程有限公司，上海 200092;2.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092;3.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092)

目前，國內(nèi)廣州、深圳等地的地鐵施工過程中都會碰到復雜地層、軟弱不均地層。一條區(qū)間隧道的大部分經(jīng)過軟黏土，粉土等，只有幾十米甚至上百米穿過強度較高的巖層，單獨采用盾構或TBM均遇到不適應地層風險，礦山法難以通過大段軟土地層，此時采用盾構通過礦山法隧道的復合工法能達到事半功倍效果。劉建美等［1］以廣州地鐵四號線大學城專線小新區(qū)間隧道為例，詳細介紹了盾構通過礦山法施工隧道段時的回填、盾尾注漿和分階段壓注漿等工藝;楊書江等［2-3］從解決空推無法對已拼裝管片隧道施加足夠軸向壓力角度出發(fā)，提出了在盾構通過礦山法施工隧道段拼裝管片時，采用焊接聯(lián)結鋼筋、支擋牛腿和復緊螺栓三步走的措施，保證隧道的防水效果。汪茂祥［4］等結合廣州地鐵5號線區(qū)楊盾構區(qū)間盾構隧道，介紹了盾構通過礦山法施工隧道段的導臺施工、盾構“磕頭”、管片錯臺控制和增大盾構總推力壓緊管片等施工關鍵技術。

盾構隧道施工過程中襯砌管片上浮問題是客觀存在的，且一直是較難解決的問題之一。針對這一問題，張慶賀等從盾構開挖面平衡狀態(tài)，推導了土壓平衡盾構開挖工作面水土壓力與密封艙內(nèi)壓力動態(tài)平衡式，得到了盾構施工過程土體及隧道穩(wěn)定所需的最小覆土厚度［5-6］;肖明清等分析了軟土普通盾構施工過程中管片上浮的影響因素，并提出了控制管片上浮對策和措施［7］。

1 盾構通過礦山法隧道施工工藝簡介

1.1 工藝簡介

盾構通過礦山法施工隧道段的通常做法是:①從地表打一豎井下至隧道設計巖層處，先采用礦山法將較堅硬巖土層爆破挖除，施工斷面稍大于盾構外徑的初期襯砌;②在礦山法隧道內(nèi)回填土或者細石子;③盾構在預先做好的礦山法隧道里空推并完成管片拼裝(此階段基本無同步注漿);④補壓漿(見圖1)。

圖1 礦山法襯砌、回填層及盾構管片平面

1.2 盾構通過礦山法隧道管片上浮難題

與軟土地區(qū)的普通盾構施工相比，在已經(jīng)施工完畢的礦山法隧道內(nèi)進行盾構空推施工，存在如下幾大技術難題:

1)管片上部缺少上覆土的作用，導致脫出盾尾后上浮較嚴重;

2)盾構施工掌子面缺少土壓力作用，土壓平衡得不到實現(xiàn)，導致管片環(huán)縫擠壓不密實，管片成環(huán)后整體防水性能較差。

2 盾構通過礦山法隧道管片上浮機理分析

從查閱文獻結果來看，引起隧道上浮主要有以下三個方面的因素:①注漿漿液或泥漿、水等液體包裹管片從而產(chǎn)生了向上的浮力;②注漿產(chǎn)生的靜態(tài)壓力及動態(tài)上浮力;③盾構施工控制不當，產(chǎn)生了“蛇行”現(xiàn)象。

對于普通盾構隧道而言，當因素①產(chǎn)生的浮力小于隧道上覆土重力［4］時，不足以引起隧道上浮。但是，對于盾構通過礦山法隧道而言，隧道上覆土重力主要由礦山法襯砌來承擔，實際作用在盾構管片的壓力很小。于是，對于盾構通過礦山法隧道而言，因素①產(chǎn)生的浮力是導致管片上浮的一大主要因素。

盾構通過礦山法施工隧道時，基本無同步注漿;補壓漿亦只是為了控制隧道上浮。因此注漿因素［5］將不在本文的分析范圍之內(nèi)。本文將從回填材料屬性、回填層厚度、回填層回填密實程度、隧道建筑間隙內(nèi)充水程度和覆土厚度等因素進行分析。

3 盾構通過礦山法隧道施工數(shù)值模擬

3.1 工程概況

深圳地鐵2號線東港路站—招商東路站區(qū)間隧道從東港路站出發(fā)，下穿新建澳城花園，地質(zhì)條件復雜，隧道下部將遇到高強度微風化巖層。隧道斷面內(nèi)為最不利的第四系中更新統(tǒng)殘積層、拱頂上部為具有高滲透性(滲透系數(shù)達到15 m/d)的礫砂(含淤泥)層。

區(qū)間隧道整體設計為土壓平衡盾構施工。采用預先礦山法暗挖，然后盾構通過礦山法隧道的施工方法通過其間的高強微風化巖層段。左右線礦山法段分別長147.5 m和287.0 m，埋深約10.0 m。

礦山法隧道襯砌為 C25、S6噴射混凝土，內(nèi)徑6 600 mm，外徑7 300 mm，厚 350 mm;盾構管片為 C50、S10預制管片，內(nèi)徑5 400 mm，外徑6 000 mm，厚300 mm。

3.2 計算模型

采用等效剛度(剛度折減系數(shù)取為0.9)的方法，將管片視為均質(zhì)彈性梁結構。有限元計算模型如圖2所示。其中噴射混凝土和管片均采用梁單元(beam3單元)，土體及回填層采用實體(plane42)單元，且服從 D-P屈服準則。各材料的物理、力學特征參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值計算模型

表1 基本計算參數(shù)

3.3 數(shù)值模型計算步介紹

根據(jù)深圳地鐵2號線東港路站—招商東路站區(qū)間盾構通過礦山法隧道施工過程，分五個計算步進行數(shù)值模擬:第一計算步，計算自重應力;第二計算步，開挖土體，并考慮開挖時的應力釋放(釋放率取為50%);第三計算步，施作噴射混凝土;第四計算步，回填(實際工程中回填至礦山法隧道初襯一半深度);第五計算步，盾構空推通過礦山法施工隧道段。

考慮到隧道拱頂上部為具有高滲透性的礫砂(含淤泥)層，第四計算步中，回填后，假設礦山法施工隧道內(nèi)充滿地下水。

3.4 計算結果及分析

第五計算步的位移場減去第四計算步的位移場［5］，得到盾構空推通過礦山法施工隧道段時的地層位移變化情況，如圖3。盾構空推通過礦山法施工隧道段時，管片上浮9 mm。

圖3 空推引起的地層位移變化(單位:m)

4 管片上浮影響因素分析

4.1 回填材料性質(zhì)

國內(nèi)已有的成功案例選擇回填材料大體分為二種，一種是回填土，另一種是回填中細石子。本文為了考察回填材料的物理力學性質(zhì)對管片上浮的影響，分別取表2所列的幾種材料進行計算?；靥畈牧系男再|(zhì)對管片位移有較大影響:回填材料強度越高，管片上浮值越小，因此回填中細石子時管片上浮最小。

表2 回填材料參數(shù)

4.2 回填層厚度

從工程的具體實際來說，在地鐵隧道的建筑限界一定的情況下，回填層厚度應盡可能地小。因為回填層直接影響到礦山法的開挖量。從經(jīng)濟角度考慮，應盡可能地減小回填層厚度。但從盾構施工角度來說，回填層厚度亦不能太小，否則會影響盾構機的正常工作。本文單純從探尋回填層厚度與管片上浮量之間關系出發(fā)，在合理范圍內(nèi)，選取了幾種不同的回填層厚度進行計算。隨著回填層厚度的增加，管片上浮值有增加趨勢，但影響較小。

4.3 回填層回填密實程度

盾構正常安全施工要求回填材料全部均填礦山法隧道內(nèi);但實際施工中，在礦山法隧道內(nèi)全部均填回填材料需要花費巨大的人力和物力。選擇一個既能滿足盾構施工要求亦能最低程度地減少工程量的填充密實程度，是盾構空推通過礦山法施工隧道段的一個重要問題?；靥顚踊靥蠲軐嵆潭确謩e為回填1/2以及回填3/4。隨著回填深度的增加，管片上浮值有減小的趨勢，但減小不明顯。

4.4 建筑間隙內(nèi)充水程度

建筑間隙內(nèi)充水程度對管片上浮影響顯著，當建筑間隙內(nèi)只有一半地下水時，管片上浮量為3.6 mm;而當?shù)叵滤砍錆M建筑間隙時，管片上浮量為9.0 mm。

上述現(xiàn)象的原因在于:建筑間隙內(nèi)只有一半地下水與建筑間隙內(nèi)全部充滿地下水相比，前者受到的地下水的浮力只有后者的一半。因此，建筑間隙內(nèi)充水程度越高，管片上浮量越大。

4.5 覆土厚度

盾構通過礦山法隧道時，盾構管片是在一個已成形的礦山法隧道內(nèi)，其受到上覆土的作用遠比普通盾構下管片所受到上覆土的作用小。在其它條件不變的情況下分別取覆土厚度 h為10、15、20、25 m和30 m共5種工況進行計算。根據(jù)計算結果，覆土厚度h對管片上浮的影響如圖4。從圖4可知，盾構通過礦山法隧道時，上覆土厚度h對管片的上浮基本無影響。

圖4 覆土厚度與管片上浮關系

5 結論

以圖4中管片的上浮量為參照，對比定量分析各因素對管片上浮的影響大小。根據(jù)以上分析可以得出如下主要結論:

1)回填材料的性質(zhì)對管片的上浮影響顯著?；靥畈牧蠌椥阅Ａ吭酱?，管片上浮值越小?；靥钴涴ね習r的管片上浮量是回填中細石子的1.63倍。因此，建議實際回填材料選彈性模量較大的中細石子或者砂土。

2)隨著回填層厚度的增加，管片上浮值有增加趨勢，影響幅度在20%以內(nèi)。

3)回填層回填密實程度對管片上浮的影響幅度亦在20%以內(nèi)。

4)隧道建筑間隙內(nèi)充水程度對管片的上浮影響較大。礦山法隧道內(nèi)充滿一半地下水時管片上浮量是全部充滿時的40%。因此，在工程實際中，控制礦山法隧道內(nèi)的地下水對控制管片上浮極其重要，建議采取礦山法嚴格控制隧道內(nèi)的地下水。

5)盾構通過礦山法隧道時，隧道上覆土厚度對管片的上浮基本無影響。

［1］劉健美.“盾構法+礦山法”施工在廣州地鐵四號線大學城專線段的應用［J］.廣東土木與建筑，2005(6):14-15，25.

［2］楊書江.盾構在硬巖及軟硬不均地層施工技術研究［D］.上海:上海交通大學，2006.

［3］張志偉，賈艷敏，趙艷娟.地鐵盾構法施工事故預防及處理措施［J］.鐵道建筑，2010(11):50-53.

［4］汪茂祥.盾構通過礦山法施工隧道段關鍵技術［J］.現(xiàn)代隧道技術，2008，45(1):67-70.

［5］張慶賀，王慎堂，嚴長征，等.盾構隧道穿越水底淺覆土施工技術對策［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(5):857-861.

［6］魏綱，劉加灣.盾構法隧道統(tǒng)一土體移動模型參數(shù)取值研究［J］.鐵道建筑，2009(2):48-51.

［7］肖明清，孫文昊，韓向陽.盾構隧道管片上浮問題研究［J］.巖土力學，2009，30(4):1041-1045.