黃土地層中盾構(gòu)隧道管片上浮機理與影響因素分析

董 昕，于海濤

(長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

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黃土地層中盾構(gòu)隧道管片上浮機理與影響因素分析

董 昕，于海濤

(長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

盾構(gòu)隧道掘進過程中的管片上浮是一種普遍存在且影響施工質(zhì)量的重要問題。結(jié)合工程實例，對黃土地層中盾構(gòu)管片的上浮原因進行了總結(jié)分析，提出為了平衡盾構(gòu)機機體重力差，預先設(shè)置一個千斤頂推力的仰角，并通過有限元數(shù)值模擬，分析了不同埋深下的地層作用、漿液浮力、注漿壓力差以及千斤頂推力對管片上浮量的影響，得出注漿壓力差與千斤頂推力的大小是影響管片上浮的主要原因的結(jié)論，并提出合理控制千斤頂推力的大小可起到減輕管片上浮的作用。

黃土地層；盾構(gòu)隧道；管片上?。粩?shù)值模擬

作為一種修筑隧道的暗挖方法，盾構(gòu)法以其對地面影響小、機械化程度高、土層適用范圍廣、掘進速度快、施工安全性高等優(yōu)點，在城市地下軌道交通的建設(shè)中逐漸占據(jù)了主導地位。然而在很多盾構(gòu)隧道的施工過程中，管片上浮已經(jīng)成為開挖掘進過程中普遍存在的問題，且上浮超限后的補救措施非常復雜，消耗巨大?？刂乒芷细》仁谴_保隧道線形符合設(shè)計要求的關(guān)鍵，也是確保隧道施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

黃土地層具有土質(zhì)疏松、孔隙大，垂直節(jié)理發(fā)育等特點，成分以粉土為主，包含細砂、粉土、黏粒等，并含有碳酸鹽等易溶鹽類，且其含量的區(qū)域性變化較為明顯[1]。在盾構(gòu)隧道的掘進中，施工參數(shù)的控制不當很容易引起較大的地層損失和管片位移[2]，因而有必要對黃土地層中盾構(gòu)隧道施工中的管片上浮機理及規(guī)律進行理論分析和研究。

1 管片上浮機理

1.1 管片上浮的原因分析

盾構(gòu)機的開挖掘進會造成一定程度上的地層損失，使得掌子面附近的地層應(yīng)力發(fā)生變化，土體產(chǎn)生開挖卸荷后的地基回彈，從而致使管片上浮。此外，當管片從盾構(gòu)機盾尾處脫離時，盾構(gòu)機會進行盾尾的自動化同步注漿，并通過管片上預留的注漿孔進行壁后注漿，以填充盾構(gòu)機開挖面邊界與管片外壁之間的建筑間隙[3]。由于注漿漿液在一段時間之內(nèi)會保持流體的狀態(tài)，使得管片在地下水、注漿漿液、泥漿等的綜合作用下發(fā)生上浮[4-5]。

葉飛等[6]對注漿壓力可能產(chǎn)生的動態(tài)上浮力進行了公式推導。假設(shè)管片脫離盾尾后，管片上方及兩側(cè)的土體會在自身重力的作用下迅速填充管片與開挖邊界之間的建筑間隙，致使在管片下方一定角度范圍內(nèi)形成了呈扇環(huán)形分布的注漿壓力，由此計算得到的注漿壓力所產(chǎn)生的動態(tài)上浮力大于漿液包裹管片時產(chǎn)生的靜態(tài)上浮力，從而得出注漿壓力是盾構(gòu)隧道施工中產(chǎn)生管片上浮的主要原因的結(jié)論。

一般來說，為了便于施工排水或適應(yīng)某區(qū)域的地質(zhì)條件，地鐵的設(shè)計線路都會存在一定坡度。這一點通過調(diào)整盾構(gòu)機千斤頂推力與水平方向的夾角來實現(xiàn)，這就導致千斤頂推力的反力對管片產(chǎn)生了一個豎向分力，使管片產(chǎn)生豎直方向上的位移[7]。

陳仁朋等[8]通過建立施工期管片上浮分析模型，分析了漿液初凝點位置對管片施工期上浮的影響，認為縮短漿液的初凝時間可以有效地控制管片上浮。

除此之外，盾構(gòu)機的土艙壓力、管片環(huán)間的螺栓預緊力、盾構(gòu)機運行時產(chǎn)生的振動對周圍土體的擾動、盾構(gòu)機內(nèi)部構(gòu)造的誤差等因素都會在一定程度上影響管片的上浮。

通過一些監(jiān)測數(shù)據(jù)[9]，可大致判斷出管片上浮量會在管片脫出盾尾后的20～40 h內(nèi)達到穩(wěn)定。在脫出盾尾的初期，管片上浮增長迅速，而在24 h后，就幾乎完成了最終上浮量的一半左右。這是由于在管片脫出盾尾初期，壁后的注漿漿液處于黏滯力相對較小的流體狀態(tài)，而且管片下部土體因卸荷回彈，會使管片產(chǎn)生上浮。管片在脫出盾尾約48 h后，管片上浮的各種因素作用減弱，上浮趨于停止。

1.2 黃土地層的特點

在無水情況下，黃土地層表現(xiàn)出強度高、成拱性較好的特點。然而在一定壓力下受水浸濕后，黃土的結(jié)構(gòu)迅速發(fā)生破壞且產(chǎn)生顯著附加下沉，這種現(xiàn)象稱為黃土的濕陷性。當黃土呈飽和狀態(tài)時(即飽和度達80%以上)，濕陷性消失。但由于黃土中的可溶鹽浸水溶解，致使其內(nèi)聚力降低，加之飽和孔隙水所產(chǎn)生的潤滑作用，飽和黃土的抗剪強度一般較低。

飽和黃土一般分為兩類，一類常稱為飽和軟黃土，指的是以往的濕陷性黃土在近期浸水飽和之后，土的濕陷性消失并轉(zhuǎn)化為高壓縮性。但在含水量降低之后，這類黃土的濕陷性會不同程度地恢復。飽和軟黃土的壓縮性高、變形量大、承載力低、工程性差，因此不宜作為持力層；另一類是較早形成的飽和黃土，在較大上覆壓力的長期作用下，已處于超壓密狀態(tài)，黃土的高孔隙度和高壓縮性已完全改變，這種飽和黃土的承載力相對較高，土的工程性能相對較好，可以作為持力層[10]。

豎向節(jié)理發(fā)育的結(jié)構(gòu)特點使黃土在豎直及水平方向上的滲透系數(shù)存在很大的差異，且這種差異具有一定的區(qū)域性。鑒于理論計算所求得的漿液擴散半徑與工程實測值常存在很大出入，可根據(jù)黃土地區(qū)部分現(xiàn)場試驗值來確定漿液在黃土中的擴散半徑[11]。

1.3 管片上浮力分析

剛脫出盾尾時所發(fā)生的管片上浮可視為平面應(yīng)變問題，當管片從盾尾處脫離時，會受到由于卸荷引起的向上的地層應(yīng)力、包裹管片的漿液對其所產(chǎn)生的向上的浮力、注漿對管片所產(chǎn)生的向上的注漿壓力、千斤頂推力反力的豎向分力等，下面分別對上述因素所產(chǎn)生的上浮力進行分析。

盾尾注漿具有自動化程度高、注漿及時、漿液分布均勻的特點[12]，在黃土地層中，同步注漿可有效地填補盾尾間隙[13]，因而盾尾同步注漿在管片與開挖邊界之間的間隙形成了包裹管片的注漿層。充滿了開挖邊界與管片外壁之間理論間隙的漿液對管片產(chǎn)生上浮力，其大小Ff為：

式中：γj為漿液的重度；R為盾構(gòu)開挖半徑；R0為管片外徑(半徑)；θ為管片上一點和管片圓心的連線與水平方向的夾角。

由于盾尾注漿管的注漿壓力對管片上浮量的影響不大，這里不作考慮，僅對壁后注漿孔注漿時所產(chǎn)生的注漿壓力進行分析計算。通常，考慮到水土壓力和防止管片大幅度下沉與浮起的需要，會在上下注漿孔的注漿壓力間保持合適的壓差。使得注漿壓力的壓差在管片下方產(chǎn)生呈扇環(huán)形均勻分布的壓力，由此產(chǎn)生的上浮力為[6]：

式中：P為上下注漿壓力的壓差(一般取0.05～0.1 MPa)；θ為注漿漿液分布區(qū)域邊界與豎向的夾角。

圖1 千斤頂推力預仰角示意圖

基于盾構(gòu)機的構(gòu)造原理，機體前盾、中盾、尾盾的重量各不相同。一般前盾、中盾的重量會大出尾盾很多，導致盾構(gòu)機在掘進的過程中出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象[14-15]。在開挖掘進過程中，為了使盾構(gòu)機平穩(wěn)運行，平衡盾頭與盾尾重力差，會設(shè)置一個千斤頂推力預仰角α，如圖1所示。故當盾構(gòu)機需要按照設(shè)計軌跡爬坡或者下坡時，只需適當調(diào)整這個預仰角即可。千斤頂推力反力的豎向分力以向上為正，向下為負，則：

式中：G1、G2、G3分別為盾構(gòu)機前盾、中盾、尾盾的重量；F為千斤頂總推力的反力，與千斤頂總推力大小相等，方向相反；θ1為盾構(gòu)俯仰角，一般規(guī)定的俯仰角為≤±0.29°[16]；θ2為設(shè)計路線中的最大線路坡度，規(guī)定爬坡時為負，下坡時為正。

2 施工過程模擬計算

2.1 工程實例

本文結(jié)合關(guān)中地區(qū)黃土地段某地鐵隧道盾構(gòu)區(qū)段進行施工過程的有限元模擬計算，該區(qū)段所處地段土層從上往下依次為素填土、新黃土、古土壤、粉質(zhì)黏土。隧道埋深9～14 m，地下水屬潛水類型，穩(wěn)定水位埋深6.5～8.8 m，沿線路走向呈南高北低狀。水位年變幅2 m左右。盾構(gòu)機全長約83 m，總重450 t，其中盾構(gòu)機盾體重約225 t，千斤頂最大推力為39 914 kN，最大線路坡度(爬坡能力)為35‰。盾構(gòu)開挖直徑為6.28 m，管片外徑6 m，厚度0.3 m，采用C60鋼筋混凝土。注漿采用單液漿。

圖2 有限元計算模型

2.2 數(shù)值模擬

采用Midas/GTS，基于平面應(yīng)變的假設(shè)，建立盾構(gòu)隧道施工過程的二維有限元分析模型，隧道左右側(cè)各取3倍洞徑，底部取5倍洞徑，分別針對隧道拱頂埋深為9～15 m的幾種情況進行計算。然后采用控制變量的方法，分析注漿壓力及千斤頂推力的變化對管片上浮的影響。模型中土體與漿液均采用實體單元，服從莫爾-庫侖準則，管片、盾構(gòu)機部分采用梁單元(計算模型如圖2)。

由于該工程地下水位偏高，土體大部分處于飽和狀態(tài)，因而不考慮黃土的拱效應(yīng)和濕陷性。根據(jù)部分實測資料可知，關(guān)中地區(qū)黃土的注漿擴散半徑在0.4～0.7 m的范圍內(nèi)[11]，考慮最不利影響，本文中漿液的擴散半徑取0.4 m。計算中將通過改變注漿擴散層的單元屬性來實現(xiàn)漿液的擴散，并通過提高圍巖參數(shù)的10%來模擬管片脫出盾尾初期漿液對圍巖的加固作用。根據(jù)管片各上浮力分析的計算公式，可在有限元建模中將各上浮力的函數(shù)按照對應(yīng)的施工階段均布地施加于管片環(huán)之上?？紤]到工程施工的實際情況，在有限元計算中，控制注漿壓力差在0.5～1.0 MPa內(nèi)變化，千斤頂推力在10 000～40 000 kN范圍內(nèi)變化。通過計算，分析不同深度下地層作用、漿液浮力、注漿壓力差及千斤頂推力的變化對管片上浮量的影響情況。

分析中未詳細考慮漿液凝固過程對土體性質(zhì)及強度的影響、千斤頂對螺栓預緊力的影響以及地下水的滲流作用。模型中各材料的物理力學參數(shù)如表1所示。

根據(jù)盾構(gòu)掘進施工的進程，將計算施工階段劃分為4個階段：①初始地應(yīng)力計算；②盾構(gòu)掘進，開挖土體，同時施加盾尾的荷載作用(將開挖土體的荷載釋放系數(shù)分別考慮為0.5，0.3，0.2)；③鈍化盾尾荷載，施加襯砌環(huán)以及注漿環(huán)，同時在襯砌環(huán)上施加漿液浮力以及千斤頂推力反力的豎向分力；④施加注漿壓力荷載，修改擴散層的單元屬性。

表1 物理力學參數(shù)表

2.3 計算結(jié)果分析

圖3 不同埋深下的管片上浮量

從計算結(jié)果來看，隨著隧道埋深的增加，管片上浮量逐漸減小，并趨于穩(wěn)定(見圖3)。

地層作用與漿液浮力對管片上浮量的影響也隨著深度的增加而逐漸減小(見圖4、圖5)。其中地層作用對管片上浮量影響所占比重較大，在Z0/D<2時，地層作用影響下的管片上浮量隨埋深下降較快，之后隨著埋深的增加，管片上浮量的下降趨于平緩。由此可以認為，通過增加上覆土層來改善開挖卸荷對管片上浮量的影響僅在超淺埋土層中有較明顯的效果，當隧道埋深持續(xù)增大，地層作用的影響會逐漸減弱并趨于穩(wěn)定。

圖4 不同埋深下地層作用所影響的上浮量變化曲線

圖5 不同埋深下漿液浮力所影響的上浮量變化曲線

注漿壓力壓差與千斤頂推力的變化對于管片上浮量的影響非常顯著(見圖6、圖7)，其中注漿壓力差和千斤頂推力的影響亦隨隧道埋深的增加而減小，最終趨于穩(wěn)定。

圖6 不同注漿壓力差下管片上浮量的變化曲線

圖7 不同千斤頂推力下管片上浮量的變化曲線

3 結(jié)論

(1)開挖卸荷所引起的地層作用對管片上浮的影響僅在較淺埋隧道中表現(xiàn)明顯；隨著隧道埋深的增加，地層作用對管片上浮的影響會逐漸減弱并趨于穩(wěn)定。

(2)漿液浮力對管片上浮量的影響隨著隧道埋深的增加而減小，并最終趨于平穩(wěn)。

(3)注漿壓力的變化對管片上浮量的影響非常顯著，二者呈線性變化。

(4)預仰角的存在會使千斤頂推力在一定程度上減小管片的上浮量，隨著千斤頂推力的不斷增大，其對管片上浮的影響所占比重與作用方向都會發(fā)生變化，所以合理控制千斤頂推力的大小將對減小管片上浮產(chǎn)生較為明顯的效果。

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Reaction mechanism and impact factors of upward moving of shield tunnel in loess strata

DONG Xin, YU Hai-tao

(SchoolofHighwayofChang’anUniversity,Xi’an710064,China)

The upward moving of shield tunnel lining is a common issue which will affect the quality of construction. Combining with engineering examples, the reasons for the upward moving of lining in the loess strata has been summarized. In order to balance the body gravity difference of shield machine, a elevation of jack thrust will be preset. The factors affecting the upward moving of lining is analyzed by finite element method, such as the effect of formation, the slurry buoyancy, grouting pressure difference and the effect of jack thrust. A conclusion is reached that grouting pressure difference and the effect of jack thrust are the main factors that influent the upward moving of lining, and a reasonable control of the size of the jack thrust will reduce the upward moving of lining.

loess strata; shield tunnel; upward moving of lining; numerical simulation

2015-02-04

董 昕(1989-)，女，陜西渭南人，碩士研究生。

1674-7046(2015)02-0007-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.02.002

TU984.12

A