盾構(gòu)隧道管片上浮的機(jī)制研究

張　君，趙　林，周佳媚，劉　歡，張　遷

(1.中鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津　300300；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都　610031)

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盾構(gòu)隧道管片上浮的機(jī)制研究

張君1，趙林1，周佳媚2，劉歡2，張遷2

(1.中鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津300300；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031)

盾構(gòu)法施工時(shí)難以避免地會(huì)對(duì)隧道周圍地層造成擾動(dòng)，引起地表位移，對(duì)盾尾間隙的充填可以有效地控制盾尾地表沉降。但在盾構(gòu)掘進(jìn)、盾尾間隙注漿施工中，隧道管片局部或整體上浮現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。對(duì)管片結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中受力狀態(tài)進(jìn)行分析，將管片的上浮歸為四大類，即管片封閉成環(huán)的上浮、盾構(gòu)掘進(jìn)頂推時(shí)的上浮、脫出盾尾后管片的上浮、漿液初凝后管片的上浮。并提出管片脫出盾尾后至漿液初凝前的上浮計(jì)算方法，此外針對(duì)盾構(gòu)施工期間管片的上浮，提出了管片上浮的控制措施。研究成果可為盾構(gòu)隧道管片抗浮設(shè)計(jì)及施工提供一定的技術(shù)依據(jù)。

盾構(gòu)隧道；管片上??；力學(xué)分析；控制措施

1　概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，為滿足日益增長(zhǎng)的城市交通需求，城市地鐵隧道及地下工程的建設(shè)正迎來(lái)高速發(fā)展期。盾構(gòu)法施工具有地面影響小、機(jī)械化程度高、安全性好、勞動(dòng)強(qiáng)度低、進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)城市地鐵、水下隧道的施工中得到廣泛的應(yīng)用[1]。盾構(gòu)法施工時(shí)難以避免地會(huì)對(duì)隧道周圍地層造成擾動(dòng)，引起地表位移，對(duì)盾尾間隙的充填可以有效地控制盾尾地表沉降的，然而在盾構(gòu)頂推掘進(jìn)、盾尾間隙注漿施工中，隧道管片局部或整體上浮也時(shí)有發(fā)生，主要表現(xiàn)在管片錯(cuò)臺(tái)、張開、裂縫、破損，乃至軸線偏位等現(xiàn)象，對(duì)管片防水和耐久性產(chǎn)生不利影響[2-3]。因此，有必要對(duì)盾構(gòu)隧道管片上浮影響因素進(jìn)行研究，為解決上述問(wèn)題，本文對(duì)管片的上浮原因進(jìn)行相應(yīng)的劃分，并提出管片脫出盾尾后至漿液初凝前的上浮計(jì)算方法和管片抗浮的針對(duì)性措施，為盾構(gòu)隧道的抗浮設(shè)計(jì)及施工提供依據(jù)。

2　管片上浮原因探討

隧道管片上浮的影響因素主要包括管片所處的地質(zhì)條件、注漿浮力、施工擾動(dòng)、建筑間隙、盾構(gòu)姿態(tài)等[4]。本章節(jié)對(duì)管片結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)施工中的受力狀態(tài)進(jìn)行全階段分析，并對(duì)隧道管片的上浮進(jìn)行了相應(yīng)的劃分。

2.1管片封閉成環(huán)受力狀態(tài)

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)開挖土方導(dǎo)致地層卸載，掘進(jìn)開挖的同時(shí)其自重又反作用于地層，但開挖土體的重力大于盾構(gòu)機(jī)的重力，故在地層應(yīng)力重分布的影響下，盾構(gòu)機(jī)會(huì)表現(xiàn)為上浮的現(xiàn)象。由于這種上浮現(xiàn)象是一種平均效果，盾構(gòu)機(jī)重力在隧道軸線方向上分布不均，則盾尾相對(duì)于較重的刀盤會(huì)表現(xiàn)出上揚(yáng)，進(jìn)而支配并帶動(dòng)管片上浮[5-6]。

2.2盾構(gòu)掘進(jìn)頂推時(shí)管片受力狀態(tài)

在盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，管片可能受千斤頂?shù)钠暮奢d作用，使隧道管片在軸線方向上發(fā)生的彎曲變形，如圖1所示。此外，當(dāng)使用泥水盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，其較大的切口水壓也可能引起盾尾上揚(yáng)，進(jìn)而導(dǎo)致附近管片上浮[7-8]。

圖1　管片受偏心荷載作用時(shí)的彎曲變形

2.3管片脫出盾尾受力狀態(tài)

2.3.1軟土地層

盾構(gòu)隧道處于軟土地層中時(shí)，由于軟土流變性較大，盾尾脫離管片后，隧道管片上方軟土應(yīng)力釋放，在自身重力作用下會(huì)向開挖洞室內(nèi)側(cè)移動(dòng)以至填充盾構(gòu)間隙的上端區(qū)域。此外在隧道軸線方向上，脫出盾尾管片的一側(cè)受已凝固漿液管片的約束，另一側(cè)則受盾尾的約束。所以在軟土地層中，隧道的盾尾間隙不會(huì)被完全填充，而是在一定范圍內(nèi)存在，如圖2、圖3所示。

此時(shí)若Ff>G+W，即管片與上覆土重力之和小于浮力時(shí)，管片有上浮趨勢(shì)。

圖2　軟土地層中管片脫出盾尾后的盾尾間隙

圖3　管片受力示意

2.3.2硬質(zhì)土層

盾構(gòu)隧道處于硬質(zhì)地層中時(shí)，由于管片襯砌不受圍巖壓力的作用，管片脫離盾尾后，其盾尾間隙可能在一定時(shí)間內(nèi)完整存在，如圖4所示。

圖4　硬質(zhì)土層中管片脫出盾尾后的盾尾間隙

此時(shí)若Ff>G，即管片重力小于浮力時(shí)，管片有上浮趨勢(shì)。

2.4漿液初凝后管片的受力狀態(tài)

漿液初凝后，管片、注漿材料、地層相互作用，管片上下產(chǎn)生壓力差，應(yīng)力重分布。這與土層特性、管片尺寸、覆土深度、注漿材料厚度等因素有關(guān)，這部分所引起的“二次上浮”不在本文討論的范圍之內(nèi)，可以采用相應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算解決。

3　管片上浮計(jì)算模型

在理論計(jì)算中，僅考慮管片脫出盾尾的受力狀態(tài)，且認(rèn)為管片上浮時(shí)間較長(zhǎng)且上浮速率很小，可假定管片在上浮過(guò)程中處于一個(gè)平衡狀態(tài)[9]，并認(rèn)為管片為剛體，只分析管片豎直方向上的剛體位移，管片上浮受力如圖5所示。本章節(jié)以下篇幅分別就上浮力、環(huán)向阻力、黏滯阻力、管片自重及覆土荷載的理論計(jì)算方法做詳細(xì)的分析，并依此提出管片上浮的計(jì)算公式。

圖5　管片上浮受力示意

假定管片處于平衡狀態(tài)，可得

(1)

(2)

式中,Ff為浮力；fn為黏滯阻力；fh為環(huán)間摩擦阻力；W為覆土荷載。

3.1上浮力的計(jì)算

對(duì)于管片受到的浮力，葉飛[10]認(rèn)為管片所受到的上浮力由漿液或地下水包裹產(chǎn)生的靜態(tài)上浮力以及注漿壓力引起的動(dòng)態(tài)上浮力兩部分組成。

靜態(tài)上浮力計(jì)算中不考慮地下水的影響時(shí)，所取液體容重為水泥漿容重；考慮地下水作用時(shí)，由于地下水對(duì)漿液的稀釋作用，液體容重取二者的平均容重。

則靜態(tài)上浮力

(3)

式中,b為管片環(huán)寬；R0為管片外徑；γj為液體容重。

對(duì)于管片所受的動(dòng)態(tài)上浮力，在不同的土層條件和注漿參數(shù)條件下，動(dòng)態(tài)上浮力的計(jì)算結(jié)果差異較大。所以在具體工程動(dòng)態(tài)上浮力的計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)依據(jù)隧道管片周圍的土層條件及注漿參數(shù)來(lái)確定漿液的擴(kuò)散模式。

當(dāng)漿液擴(kuò)散方式為壓密注漿時(shí)，水泥漿液集聚于管片環(huán)底部，如圖6所示。則由注漿壓力所提供的動(dòng)態(tài)上浮力為

圖6　壓密注漿下漿液壓力分布

(4)

(5)

式中,p為注漿壓力；θ為X軸與漿液分布區(qū)邊界所成的夾角。

3.2環(huán)間阻力的計(jì)算

考慮到螺栓與螺栓孔壁間尺寸的偏差，所以相應(yīng)的抗浮計(jì)算應(yīng)按兩階段進(jìn)行分析，即環(huán)面摩擦階段及螺栓抗剪階段。本文為求管片的最大上浮量，故不考慮螺栓的抗剪，僅計(jì)算由螺栓預(yù)緊力與千斤頂推力所提供的環(huán)間摩擦阻力。

環(huán)間摩擦阻力[11]

(6)

式中,μ為環(huán)間摩擦系數(shù)；Ni為單個(gè)縱向螺栓的預(yù)緊力；Nj為千斤頂推力傳遞到計(jì)算環(huán)面上的殘余壓力。

3.3黏滯阻力的計(jì)算

假定水泥漿液為牛頓流體，滿足牛頓內(nèi)摩擦定律，盾尾間隙相對(duì)于管片很小，因此其漿液的流速可視為直線分布，如圖7所示。

(7)

切向速度vq與管片上浮速度v滿足以下關(guān)系式

(8)

管片上浮所受黏滯阻力為

(9)

牛頓流體黏度時(shí)變性規(guī)律可表示為

(10)

式中，vq為速度；δ為盾尾間隙；μt為漿液黏度；k1，k2為水泥漿液粘度時(shí)變性的參數(shù)。

圖7　黏滯阻力計(jì)算示意

3.4管片自重與覆土荷載的計(jì)算

管片自重

(11)

式中：γc為管片容重；R1為襯砌管片的內(nèi)徑；h為覆土厚度。

隧道管片上方覆土全荷載為

(12)

式中：γ′為隧道管片上覆土的加權(quán)平均重度。

考慮到土體具有流變性質(zhì)，盾尾脫離管片后，隧道上方的覆土荷載不是以全荷載的形式直接作用在管片上。管片所受的覆土荷載會(huì)隨時(shí)間的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變。故假定管片開始上浮到管片上浮終止的時(shí)間段內(nèi)，覆土荷載與時(shí)間呈線性關(guān)系。

(13)

式中，Kt土壓力系數(shù)；t為施工期間上浮終止時(shí)間。

3.5管片上浮計(jì)算

現(xiàn)將式(6)、式(9)～式(10)、式(13)代入式(2)中得

(14)

對(duì)式(14)采用分離變量法積分可得

(15)

引入邊界條件：t=0，s=0，求得常系數(shù)c為

(16)

故管片上浮量為

(17)

4　工程實(shí)例分析

4.1基本參數(shù)

以成都地鐵為例，其隧道內(nèi)徑為5.4 m，外徑為6 m，環(huán)寬1.5 m，盾尾間隙取10 cm。管片容重25 kN/m3，漿液容重12.5 kN/m3，注漿壓力0.25 MPa，埋深15 m，環(huán)間摩擦系數(shù)取0.3，螺栓預(yù)緊力100 kN，環(huán)面上殘余頂推力6 500 kN，每環(huán)縱向螺栓10根，漿液水灰比為0.9，其黏度時(shí)變性系數(shù)k1為9 MPa·s、k2為0.02 min，t=60 h，其余土層參數(shù)見表1。

表1　土層參數(shù)

4.2管片上浮量影響因素探討

在管片上浮量理論推導(dǎo)中得到了管片脫出盾尾后至漿液初凝前管片上浮量與上浮時(shí)間、隧道埋深、管片所受靜態(tài)上浮力、注漿壓力、漿液水灰比、土壓力系數(shù)、盾構(gòu)間隙等因素的關(guān)系。本節(jié)僅分析不同的土壓力系數(shù)及漿液水灰比因素對(duì)管片上浮量大小的影響規(guī)律。

4.2.1土壓力系數(shù)Kt

依據(jù)表1所給各項(xiàng)參數(shù)及土性指標(biāo)，可算出土壓力系數(shù)最大值為14 N/s，為研究土壓力系數(shù)與管片上浮量的影響關(guān)系，分別取土壓力系數(shù)Kt為0、8、14 N/s共3種工況分別進(jìn)行計(jì)算。可繪出不同土壓力系數(shù)Kt下，管片上浮量隨時(shí)間的變化曲線，如圖8所示。

圖8　不同Kt下管片上浮量與時(shí)間關(guān)系

從圖8中可以看出，管片的上浮量隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。但在Kt=14時(shí)，管片的上浮量隨時(shí)間的變化曲線表現(xiàn)出先增大后減小，最后趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诠芷细∮?jì)算模型中未考慮隧道拱底地基反力的影響。

教學(xué)評(píng)價(jià)是指依據(jù)一定的客觀標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)教學(xué)活動(dòng)及其結(jié)果進(jìn)行測(cè)量、分析和評(píng)定的過(guò)程。教學(xué)評(píng)價(jià)的功能主要表現(xiàn)在：診斷教學(xué)問(wèn)題、提供反饋信息、調(diào)控教學(xué)方向、檢驗(yàn)教學(xué)效果。廣義的教學(xué)評(píng)價(jià)包括對(duì)教師教學(xué)工作的評(píng)價(jià)和對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的評(píng)價(jià)。本文中筆者討論的教學(xué)評(píng)價(jià)，是指對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的評(píng)價(jià)。

在Kt=0時(shí)，即隧道管片處于硬質(zhì)頂層中，盾構(gòu)頂推掘進(jìn)及盾尾脫出管片后，盾尾間隙完整存在，此時(shí)無(wú)上覆土所施加的作用力。注漿后，隧道不受上覆土的限制，管片位移會(huì)比軟質(zhì)土中的位移大，所以對(duì)硬質(zhì)含水地層，通過(guò)控制注漿材料的凝結(jié)時(shí)間，可以有效的抑制管片上浮。

4.2.2水灰比

在Kt=8 N/s，其他參數(shù)不變的情況下，分別取水灰比為0.8、0.9、1.0共3種工況分別進(jìn)行計(jì)算。不同水灰比下黏度時(shí)變性參數(shù)見表2。

表2　不同水灰比下黏度時(shí)變性參數(shù)

依據(jù)表2所給各項(xiàng)參數(shù)及土性指標(biāo)，可繪出不同水灰比下管片上浮與時(shí)間的變化曲線，如圖9所示。

圖9　不同水灰比下管片上浮量與時(shí)間關(guān)系

從圖9可以看出，管片的上浮量隨著水灰比的增大而增大。這是因?yàn)殡S著水灰比的降低，水泥的相對(duì)摻量增大，漿液黏度也隨之增大、漿液的初凝時(shí)間縮短，管片上浮得到很好的抑制。

此外，在不同水灰比的情況下上浮量最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)大致相近。

5　依托成都地鐵的管片上浮控制

本文在前面的論述中已對(duì)盾構(gòu)隧道管片上浮原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并以此提出管片脫出盾尾后至漿液初凝前的上浮量的計(jì)算。本節(jié)依據(jù)上述理論分析及計(jì)算成果，以期提出管片上浮的控制方法。

由成都地鐵7號(hào)線“神仙樹站—火車南站”工程實(shí)踐可知，區(qū)間右線段(YDK21+600～YDK21+755)通過(guò)控制盾構(gòu)姿態(tài)，且選用雙液注漿材料、0.2 MPa的注漿壓力后，管片上浮量的大小得到有效的抑制。

5.1控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)頂推過(guò)程中不是沿著理想的隧道軸線運(yùn)動(dòng)的，而是有一定的允許偏差，當(dāng)偏差過(guò)大時(shí)，需要調(diào)整各分區(qū)千斤頂油缸的推力來(lái)進(jìn)行糾偏，但是糾偏會(huì)造成管片的環(huán)面受力不均，此時(shí)被頂推的管片有向下或者向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，其向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)會(huì)造成管片的上浮。所以在盾構(gòu)掘進(jìn)頂推過(guò)程中應(yīng)盡可能好地調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，以防管片錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象發(fā)生。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在土質(zhì)較好的下坡段掘進(jìn)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得知已脫出盾尾管片上浮量過(guò)大時(shí)，可以通過(guò)控制盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，使盾構(gòu)機(jī)保持“仰頭”(一般規(guī)定俯仰角≤±0.29°)掘進(jìn)的方式[12]，以此來(lái)減小管片的上浮。

此外發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)偏差時(shí)應(yīng)逐步糾正，以免過(guò)急地糾偏導(dǎo)致管片環(huán)面受力不均[13]。

5.2注漿材料的選擇

眾所周知，襯砌背后注漿可以有效控制地層變形、使管片受力均勻、增強(qiáng)隧道的抗?jié)B性。注漿材料在填充了盾尾間隙的同時(shí)，管片也隨之會(huì)產(chǎn)生上浮力。所以注漿是一場(chǎng)與隧道位移變形的時(shí)間競(jìng)賽，只有保證注漿的充填性、凝固強(qiáng)度和限定范圍(防止流失)的有機(jī)結(jié)合，才能達(dá)到其既定目的[14]。

本文在4.2.2節(jié)中分析了注漿材料水灰比對(duì)管片上浮量的影響，并得出水灰比較小的注漿材料，管片上浮量得到相應(yīng)的抑制的結(jié)論。所以在盾構(gòu)壁后注漿材料的選擇上可以選用初凝時(shí)間短的雙液瞬凝性漿液，但雙液漿在同步注漿過(guò)程中易發(fā)生堵管的現(xiàn)象。但配備與雙液瞬凝性漿液能相對(duì)應(yīng)的注漿系統(tǒng)也是解決辦法之一。

5.3注漿壓力

注漿壓力會(huì)對(duì)管片產(chǎn)生動(dòng)態(tài)上浮力，其對(duì)整環(huán)管片合力方向可能向上、也可能向下。對(duì)單塊管片而言，盲目增大注漿壓力，雖能保證填充效果，但與此同時(shí)也會(huì)使管片承受過(guò)大的漿液壓力而發(fā)生錯(cuò)臺(tái)的現(xiàn)象。目前，在盾構(gòu)壁后注漿施工中注漿壓力的取值通常為地層阻力加上0.1～0.2 MPa的富余量[15]。

6　結(jié)　語(yǔ)

(1)本文通過(guò)對(duì)管片結(jié)構(gòu)在施工階段上浮全過(guò)程中進(jìn)行分析，將管片的上浮歸為四大類，即管片封閉成環(huán)的上浮、盾構(gòu)掘進(jìn)頂推時(shí)的上浮、脫出盾尾后管片的上浮、漿液初凝后管片的上浮。并對(duì)管片脫出盾尾后至漿液初凝前管片的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，提出管片的上浮量的計(jì)算方法，得出管片的上浮量隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定的結(jié)論。

(2)管片的上浮量隨著水灰比的增大而增大。對(duì)軟弱地層而言，隧道上有覆土層的作用，其上浮量較硬質(zhì)地層小，所以對(duì)硬質(zhì)含水地層，控制注漿材料的凝結(jié)時(shí)間，選擇水灰比較小的雙液漿，可以有效地抑制管片上浮。

(3)抗浮計(jì)算未考慮縱向連接螺栓的約束作用，理論計(jì)算得到的結(jié)果相對(duì)于實(shí)際管片上浮有所偏差。

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Research on Upward Moving Mechanism for Segment of Shield Tunnel

ZHANG Jun1，ZHAO Lin1，ZHOU Jia-mei2，LIU Huan2，ZHANG Qian2

(1.China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China; 2.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

During the process of shield tunneling，it is inevitable to disturb the surrounding stratum and cause surface displacement.The key to control surface subsidence is to effectively fill the gap of the shield tail.But the lining segment is prone to partial or wholly upward moving in shield driving and shield tail gap grouting.In this paper，the upward moving of segment structure is classified into four categories in terms of stress state in the construction process，including the upward moving when the segment is closed to form a ring，the upward moving when shield is advancing，the upward when segment is off the shield tail and the upward moving after grout is initially set.And the calculation method for segment upward moving is proposed from the time when segment is off the shield tail to the time when grout is initially set.In addition，measures to control upward moving of segment are put forward.The research results may provide technical

against segment upward moving in design and construction of shield tunnel.

Shield tunnel; Segment upward moving; Mechanical analysis; Control measures

2016-01-27；

2016-04-13

中鐵建大橋工程局科研委托項(xiàng)目(2015H01374)

張君(1982—)，男，工程師，2005年于西南交通大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，主要從事橋隧建設(shè)管理工作，E-mail：cheung-cdmetro@163.com。

劉歡(1991—)，男，碩士研究生，E-mail:xnjdlhlh@163.com。

1004-2954(2016)10-0088-06

U455.43

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.020