西安地區(qū)盾構(gòu)管片上浮機理分析及對策

張世杰

廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司

盾構(gòu)法施工具有地面影響小、機械化程度高、安全、勞動強度低、進度快等優(yōu)點。但在施工中，隧道管片經(jīng)常會出現(xiàn)局部或整體上浮，表現(xiàn)為管片錯臺、裂縫、破損，乃至軸線偏位等現(xiàn)象，尤其是在穿越粘性較高的古土壤、老黃土、飽和軟黃土和粉質(zhì)粘土等淺覆土區(qū)域時，該問題尤為突出。根據(jù)有關(guān)文獻，廣州、上海、南京等地鐵盾構(gòu)施工中，都不同程度地出現(xiàn)過管片脫出盾尾后，在注漿過程中上浮的現(xiàn)象。

本文結(jié)合西安地鐵三號線某區(qū)間隧道工程實例，就施工期盾構(gòu)隧道上浮機理及控制進行研究探討，并從多方面提出了針對性措施，為解古土壤、老黃土、飽和軟黃土和粉質(zhì)粘土地區(qū)盾構(gòu)隧道管片上浮問題提供方法借鑒及建議。

l 工程概述

西安地鐵三號線某標區(qū)間隧道工程，全長：1796.607m，最小平曲線半徑為R=450m，最大縱坡為20.06‰，縱坡走向呈“v”型坡。隧道采用6250土壓平衡盾構(gòu)機，采用裝配式單層襯砌結(jié)構(gòu)，隧道外徑為6.0米，內(nèi)徑5.4米，管片襯砌環(huán)寬1.5m，采用錯縫拼裝。本區(qū)段隧道覆土厚度為12～22m，穿越土層包括古土壤，老黃土、粉質(zhì)粘土、粉土、中砂等。地下水屬潛水類型，地下水埋深9.5——16.3m.。

通過對該區(qū)間左線350環(huán)中掘進管片姿態(tài)穩(wěn)定后的復測和盾構(gòu)掘進中的姿態(tài)的對比，，管片最大上浮位移達145mm，最小上浮位移達25mm，上浮平均值為60mm左右?？梢娝淼拦芷细λ淼赖挠绊懕容^大，需在施工中嚴格加以控制。

2 盾構(gòu)隧道管片上浮機理

2.1 盾構(gòu)隧道管片上浮產(chǎn)生的原因

① 當?shù)叵滤?、注漿漿液、泥漿等包裹管片而產(chǎn)生的上浮力大于管片自重及上覆土荷載時，管片會局部上浮。

② 因注漿而產(chǎn)生的動態(tài)上浮力作用使管片上浮。

③施工中盾構(gòu)頂進千斤頂造成的管片縱向偏心荷載，致使管片縱向發(fā)生的彎曲變形。

④隧道開挖卸荷導致的地基回彈作用，也可能造成盾構(gòu)隧道的局部或整體上浮。

⑤已經(jīng)成型的上浮管片對相鄰的脫出盾尾管片的作用也會產(chǎn)生較大的力。

鑒于千斤頂偏心荷載及盾尾上抬的偶然性，相鄰管片對管片產(chǎn)生的力也較難以分析且在施工中可以通過技術(shù)措施控制，本文主要圍繞上述① ②④三個常態(tài)的上浮原因展開分析。

2.2靜態(tài)上浮力產(chǎn)生機理

依據(jù)盾構(gòu)工法特性，管片脫離盾尾后，盾尾空隙一般為8—16 cm（本區(qū)間使用的盾構(gòu)為中鐵建長沙生產(chǎn)的基于海瑞克技術(shù)的6250型盾構(gòu)機，盾尾空隙為12.5cm，周圍土體暫處于無支護狀態(tài)，需要進行同步注漿填補盾尾空隙，并盡快形成強度，以防引起上部地層下沉或管片上浮。盾尾空隙可能會被各種液體包裹，從而形成的上浮力主要有：①盾構(gòu)在透水性較好的飽和土層中掘進時，整個隧道都被水包裹，很容易形成浮力；② 泥漿盾構(gòu)施工尤其是大斷面盾構(gòu)施工，以泥水盾構(gòu)居多，需要用較大的泥水壓力與切口處的水（土）壓力保持平衡，這些泥漿在遇到透水性好的地層、超挖較大或者小曲率拐彎的時候，可能向后方流竄，充斥整個盾尾空隙，從而承受產(chǎn)生較大的泥漿浮力；③注漿漿液 當管片脫離盾尾時，若同步注漿的漿液不能達到初凝和一定的早期強度，隧道被包圍在壁后注漿的漿液中，從而承受漿液形成的浮力。

2.3動態(tài)上浮力產(chǎn)生機理

壁后注漿漿液擴散過程是一復雜過程，與周圍土質(zhì)、施工工藝、漿液性質(zhì)、注漿壓力、地下水等多種因素有關(guān)?？紤]到其在一定條件下總是以某種流動形式為主，本文將漿液在盾尾管片壁后的擴散方式歸納理想化的擴散模型。

1）充填階段，漿液充填未被周圍土體擠壓填實的盾尾間隙。管片脫離盾尾后，周圍土體會向管片方向移動，注漿充填范圍與土體的位移量的大小此消彼長。同時，充填范圍還與注漿壓力的大小及漿液的流動性有關(guān)，注漿壓力大、漿液流動性好，充填范圍就大。

2）滲透階段，主要發(fā)生于顆粒和孔隙率較大的砂性土中。盾尾間隙被漿液充滿以后，隨著漿液的持續(xù)注入，顆粒間的空氣和水將被擠出，而被漿液取代。有注漿管的點源注漿，漿液常呈球面。

3）壓密階段，用較高壓力將濃度較大的漿液注入土層，在注漿管底部附近形成“漿泡”，使注漿點附近的土體擠密，它主要發(fā)生于顆粒和孔隙率較大的砂性土中。

4）劈裂階段，在壓力作用下漿液使地層中原有裂隙或孔隙張開，形成新的裂隙和孔隙，促使?jié){液注入并增加其可注性和擴散距離。其特點是將引起土體結(jié)構(gòu)擾動和破壞，注漿壓力相對較高。

動態(tài)上浮力主要由注漿過程引起，漿液的種類、配比、注漿壓力、注漿位置等都會對管片上浮產(chǎn)生一定影響。事實上，該力并不一定是真正意義上的浮力，它有可能是一集中力，也可能是分布力，有可能作用在管片環(huán)底部，也可能作用在管片環(huán)注漿孔附近位置。

2.3土體卸載后的回彈上浮產(chǎn)生機理

土體在盾構(gòu)隧道通過的過程中，其為一個卸荷后的回彈變形過程，尤其對具有壓縮性的土體，變形更為明顯，也造成盾構(gòu)管片的上浮，土體受力的過程過程大致分為三個階段：1、盾構(gòu)通過以前土體在原來的自重荷載下，產(chǎn)生的內(nèi)部受力和變形，此時，土體處于一個相對穩(wěn)定的階段，但存在一定的應(yīng)力，應(yīng)力的大小可以通過土力學的公式計算出來，主要和土體的埋深、土體的容重等因素有關(guān)，計算公式簡化為：δ=γ*h，盾構(gòu)開挖范圍的土體自重為Q=L*γ*πd2/4，盾構(gòu)管片的自重可以通過設(shè)計文件查找，本區(qū)間管片自重為每米約20噸，遠小于每米的土體自重荷載變形。

3 盾構(gòu)管片上浮力的計算

3.1 “靜態(tài)上浮力”計算方法

當管片由地下水、泥漿或注漿漿液包裹時，由浮力定律，得管片環(huán)受到的上浮力為

F浮=πR0 2 γj-πR（R02 –R2）γc

式中R0、R為管片外徑、內(nèi)徑，γj為漿液或水的密度，

γc為混凝土管片密度。

3.2 “動態(tài)上浮力”計算方法

假設(shè)注漿漿液為不可壓縮流體，在地層中的滲流在盾尾間隙影響厚度范圍內(nèi)，以注漿孔為球心，以半圓球形向四周擴散。在對擴散時產(chǎn)生的壓力進行分析后可以看出，壁后注漿漿液的擴散半徑及對管片產(chǎn)生的壓力與注漿壓力、注漿時間、漿液黏度、土體滲透率、盾尾間隙厚度、注漿管半徑等眾多因素有關(guān)。

3.3 土體卸載后的回彈上浮計算方法

土體卸載后的回彈計算可參照前述對回彈機理進行分析的公式進行計算，核心的問題是土體在一定壓力下卸荷后的回彈模量，對該回彈模量雖未進行試驗，但分析認為該模量與土體的埋深、土體結(jié)構(gòu)等有較大的關(guān)系，也可以通過原狀土室內(nèi)試驗的方法進行測試。

3.4實例計算

以西安地鐵三號線X標隧道為例計算（計算過程略）。

靜態(tài)上浮力：

F?。?81kn

運用上式可以反算淺埋地段覆土厚度能否滿足抗浮要求。即當上浮力與隧道上覆土重量相等時的覆土厚度就是臨界覆土厚度。

動態(tài)上浮力：F?。? 580kn

也可利用上式計算在不同上浮力時應(yīng)采用的注漿壓力值，以便于施工中對注漿壓力進行控制。

地層回彈造成產(chǎn)生的上浮力F浮：378kn

4 盾構(gòu)隧道上浮的控制措施

4.1 選擇適當?shù)淖{漿液

注漿材料主要有單液型漿液和雙液型漿液。單液型又可分為惰性漿液和硬性漿液。惰性漿液漿液中沒有摻加水泥等膠凝物質(zhì)，早期強度和后期強度均很低。硬性漿液在漿液中摻加了水泥等膠凝物質(zhì)，具備一定早期強度和后期強度。雙液型漿液的膠凝時間通常較短，按凝結(jié)時間來分，又可分為緩凝型、可塑型、瞬凝型三種類型。

解決管片上浮問題實質(zhì)上是同步注漿穩(wěn)定管片，理想的情況是注漿漿液完全充填施工間隙并快速凝固形成早期強度，隧道與周圍土體形成整體構(gòu)造物從而達到穩(wěn)定。在漿液性能上唯有選擇雙液瞬凝性漿液能解決管片上浮問題，因其時效特點在隧道位移控制上具有優(yōu)勢；但雙液漿隨著溫度變化，同種配比化學凝膠時間因時而異，且堵管極易發(fā)生，故在西安地鐵的施工中仍然采用水泥砂漿漿液為多，目前南京、上海等地區(qū)普遍采用惰性漿液。

4.2 選擇適當?shù)淖{方法

注漿有盾尾注漿和管片注漿兩種方法。盾尾注漿能夠及時、均勻注漿，自動化程度高，施工控制相對容易，漿液在盾尾間隙的分布相對均勻。但堵管時清洗困難；一般只適于單液注漿，若選雙液漿，需配置專門清洗裝置。管片注漿操作靈活，容易清理，既可選單液漿，也可選雙液漿；可對局部地段進行二次補漿，適合對隧道偏移、地表建筑物變形控制等特殊情況的處理。但易造成注漿不均勻，注漿孔是潛在的滲漏點；易有時差，很難做到真正的同步注漿。實踐證明，盾尾注漿對管片產(chǎn)生的注漿壓力小于管片注漿對管片產(chǎn)生的壓力。所以應(yīng)首先進行盾尾注漿，在漿液凝固達到一定強度后，再根據(jù)注漿情況進行管片二次注漿。

4.3 選擇適當?shù)淖{參數(shù)

1）控制注槳壓力。注漿過程中，靠增加注漿壓力來改善注漿加固效果應(yīng)慎重，因為增大注漿壓力的同時也大大增加了對管片的壓力，極易引起上浮，壓力一般控制在0.2—0.4 MPa。

2）控制注漿時間。在相同注漿壓力下，漿液擴散半徑及對管片的壓力均隨注漿時間的增長而增加，相比之下，對管片的壓力增長更快。在施工中為防止注漿時間過長對管片產(chǎn)生不利影響，往往待漿液初凝后再繼續(xù)注漿。

3）控制漿液黏度。在相同的注漿壓力與注漿時間條件下，隨著漿液黏度的增大，漿液的擴散半徑與對管片的壓力均隨之減小。在施工中通過控制漿液黏度和注漿壓力，來控制漿液擴散半徑。漿液黏度不能過大。

4）注意滲透系數(shù)影響。土體滲透系數(shù)越大，漿液擴散半徑越大，對管片產(chǎn)生的壓力也越大。說明在盾

構(gòu)隧道掘進中，應(yīng)該隨土性的變化調(diào)整注漿施工參數(shù)和漿液參數(shù)，在大斷面盾構(gòu)隧道施工中，同一橫斷面不同注漿點處的土性參數(shù)也會不同，也應(yīng)區(qū)別對待。

4.4 考慮上覆土的抗浮效應(yīng)

上覆土對隧道有很好的抗浮作用，應(yīng)充分發(fā)揮。特別是淺埋隧道或隧道穿越江河，必要時應(yīng)改良上覆土體的性能，對隧道頂部土體進行注漿加固，或者增加覆土厚度。隧道注漿時還應(yīng)依據(jù)上覆土特性，驗算漿液擴散范圍，使?jié){液不通過土體間隙流出地表或流入水中，并避免造成上覆土的隆起。

4.5 控制盾梅機姿態(tài)及參數(shù)

盾構(gòu)機過量的蛇形運動必然造成頻繁糾偏，糾偏過程就會使管片環(huán)面受力不均。所以必須控制好盾構(gòu)機姿態(tài)，發(fā)現(xiàn)偏差時應(yīng)逐步糾正，避免突然糾偏而造成管片環(huán)面受力嚴重不均。要合理調(diào)整各區(qū)域千斤頂油壓，使油壓差不宜過大，與盾構(gòu)中心線相對稱區(qū)域的千斤頂油壓差應(yīng)小于5 MPa，其伸出長度差應(yīng)小于12cm。同時要跟蹤測量管片法面的變化，及時利用環(huán)面黏貼石棉橡膠板糾偏，黏貼時上下呈階梯狀分布。同步注漿過程中，為使?jié){液及時有效地固結(jié)，應(yīng)適當控制盾構(gòu)掘進速度，一般以緩推為宜，推進速度不大于3 cm/min。在盾構(gòu)隧道推進中，根據(jù)管片拼裝后上浮經(jīng)驗值，將盾構(gòu)機推進軸線高程降至設(shè)計軸線下一定數(shù)值，以此來抵消管片襯砌后期的上浮量。

5 結(jié)語

1）通過對隧道管片上浮機理的分析，總結(jié)出具有實用性的隧道上浮力計算方法，同時根據(jù)對影響隧道上浮各因素的分析，在工程中采取了控制隧道上浮的一系列措施和方法，取得良好效果。經(jīng)過最后對隧道上浮情況進行統(tǒng)計，隧道上浮平均值由原來的5.9 cm減少到3.2 cm，且達到線形美觀，接縫平順平整，保證了隧道的質(zhì)量。

2）分析注漿對管片產(chǎn)生的壓力時，將漿液假設(shè)為牛頓流體，對于非牛頓流體情況下，尚需進一步研究；壁后注漿漿液在管片后的擴散過程是一復雜的過程，半球面擴散以及壓密注漿中的漿液分布模式的適用條件值得進一步研究。

3）文中抗浮計算未考慮整環(huán)管片接頭端面摩擦及縱向連接螺栓對上浮力的影響；同時也未考慮已拼裝成型的管片縱向整體對上浮力的影響。

4）通過對在不同地層中各種推進狀態(tài)的研究和比對，管片上浮在透水性較好，漿液擴散較為容易的地層上浮量很小。同時在盾構(gòu)掘進過程中，掘進后的間歇時間對管片上浮量也有較大的影響，分析原因主要是漿液的凝固、后部的管片和盾構(gòu)機對新成型管片的挾制共同作用的結(jié)果。

5）完全消除盾構(gòu)管片的上浮，是不可能也是不經(jīng)濟的，在盾構(gòu)掘進的過程中，堅持對管片姿態(tài)的復測，結(jié)合地質(zhì)情況，合理降低推進的標高基線，可以實現(xiàn)較好的盾構(gòu)隧道線型。