越江隧道深切槽段上浮機理分析及控制研究

雷賀彩

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安710043）

越江隧道深切槽段上浮機理分析及控制研究

雷賀彩

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安710043）

結(jié)合南京越江隧道深切槽段盾構(gòu)隧道上浮問題，對盾構(gòu)隧道上浮機理和上浮影響因素進行分析，然后通過數(shù)值模擬建立盾構(gòu)隧道梁彈簧模型對施工期隧道上浮進行模擬，最后針對影響因素提出隧道上浮控制措施。研究結(jié)果表明：同步注漿初凝時間越短，掘進速度越快，隧道縱向抗剪剛度越大，后配套自重越大，同步注漿壓力差越大，隧道施工期上浮會越小。此外，提前壓低盾構(gòu)姿態(tài)、使用摩擦系數(shù)更大的橡膠襯墊以及預(yù)應(yīng)力螺栓等也可用來控制隧道上浮。

盾構(gòu)隧道；越江隧道；上浮機理

當前我國城市軌道交通建設(shè)迎來了蓬勃發(fā)展時期，盾構(gòu)法因其對環(huán)境影響較小而得到廣泛應(yīng)用。在常規(guī)地鐵建設(shè)中，盾構(gòu)直徑在6 m左右；然而很多大城市都在江河附近發(fā)展形成，城市地鐵建設(shè)常常需要穿越特大江河。在工程設(shè)計中常常采用大直徑盾構(gòu)穿越特大江河，由于河水較深、隧道上覆土較淺等原因，施工期隧道面臨著上浮風險[1-2]。目前已有部分學者對越江隧道的上浮問題進行了研究：袁文君[3]研究了城市地鐵越江隧道上浮引起的土體變位規(guī)律；朱令[4]壁后注漿引起隧道上浮對結(jié)構(gòu)的影響；王新[5]分析影響隧道上浮的物理環(huán)境和工藝操作，得到了可能產(chǎn)生隧道上浮力的主要因素；杜闖東[6]研究和分析了施工中出現(xiàn)的管片上浮問題的根源；楊方勤[7-8]通過分析了上海長江隧道動態(tài)上浮力，并提出隧道上浮穩(wěn)定機理，給出了超大直徑盾構(gòu)法隧道上浮控制措施；曹文宏[9]研究了隧道襯砌上浮的必然性和力學機理；田華軍[10]總結(jié)了國內(nèi)第一條大直徑泥水盾構(gòu)施工穿越長江隧道管片上浮的原因和應(yīng)對措施等等。已有研究中主要分析隧道上浮影響機理、上浮影響因素和工程中可采用處理措施，但對上浮的量化計算模型較少，對影響因素的敏感程度分析不夠，以及采取措施后對上浮抑制效果評估較少。本文首先分析了南京越江隧道深切槽段所面臨的上浮問題，然后通過數(shù)值模擬建立盾構(gòu)隧道梁彈簧模型，對施工期隧道上浮進行分析。根據(jù)模擬結(jié)果得到各影響因素對上浮量的影響，以及如何控制各因素從而達到較好的隧道上浮控制。

1 工程背景

1.1 工程概況

南京地鐵十號線越江工程采用1臺外徑為11.64 m的泥水平衡盾構(gòu)機掘進，區(qū)間起點位于長江北岸的中間風井，線路出中間風井后，在緯七路過江隧道南側(cè)向東依次穿越長江北岸大堤、城南河、潛洲、長江主航道、梅子洲江防大堤，到達南岸的江心洲站。區(qū)間線路全長3 600.074 m，過江段約2 627 m，平面最小曲線半徑1 500 m，最大縱坡度28‰，最大變坡點為19.12‰（后坡點與前坡點之差）。隧道最大覆土厚度達37 m，最小覆土厚度為9.4 m，江中段覆土埋深一般在14～18 m。沖槽段最淺處僅為11.4 m（約1D，D為盾構(gòu)隧道直徑），在三百年一遇洪水沖刷下，線路設(shè)計埋深僅為5.3 m。深切槽段靠近江南大堤，淺覆土地段（覆土小于1.2倍盾構(gòu)機直徑）長度為77 m，淺覆土地段向南為一水平長度39.3 m的陡坡，標高相差約17.8 m。深槽段穿越地層主要為中粗砂，粉細砂，其工程性質(zhì)與三號線穿越土層相似，透水性好，壓縮性低。江心洲站—濱江大道站區(qū)間縱剖面如圖1所示。

圖1 線路走向示意圖Fig.1 Line alignment map

1.2 深切槽段隧道上浮機理分析

在越江隧道深切槽段施工時，深切槽區(qū)域上覆土厚度很小，從而管片間受到的摩擦力減小，導(dǎo)致隧道抗浮能力的減??；此外，由于大直徑隧道斷面過大受到的浮力也更大，如果施工處置不當，很容易發(fā)生上浮。當隧道結(jié)構(gòu)自身抵抗上浮的能力小于隧道在漿液中的上浮力，管片表現(xiàn)為錯臺量大甚至螺栓被剪斷，影響隧道的安全性與穩(wěn)定性。

如圖2所示，盾構(gòu)脫出盾尾后，作用在剛脫出盾尾的管片和尚停留在盾構(gòu)機內(nèi)的管片之間會有較大的剪力Q，在上浮區(qū)域管片有發(fā)生錯臺趨勢；由正面土倉壓力導(dǎo)致管片間產(chǎn)生正壓力，管片發(fā)生錯動時會產(chǎn)生摩擦力，管片間摩擦力F=μP，P=（q1+q2）A/2=K0γhA（γ為盾構(gòu)正面土的平均重度；A為盾構(gòu)機開挖面的面積；K0為側(cè)向土壓力系數(shù)；μ為管片和管片之間的摩擦系數(shù)）。管片間豎向剪力Q可以通過隧道縱受力剪力圖計算得到，管片豎向剪力Q除了由摩擦力承擔外，剩下部分要由縱向螺栓承擔，縱向螺栓抗剪能力大小S可以通過試驗確定；若襯砌環(huán)間未采取任何構(gòu)造措施，隧道實際發(fā)生的上浮力N=Q-F；若N≤S，隧道抗浮安全；若N≥S，隧道抗浮不足，需采取構(gòu)造措施。

選取南京地鐵十號線下穿長江段區(qū)間沖切槽段進行抗浮檢算，在沖切槽段最淺處覆土厚度僅為僅為11.4 m，檢算結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明在深切槽段進行盾構(gòu)施工易發(fā)生上浮。

圖2 管片脫出盾尾后力學簡圖Fig.2 Mechanical diagram of escaped shield tail segments

2 隧道上浮影響因素分析

2.1 上浮影響因素分析

影響隧道上浮的因素歸納起來主要有同步注漿漿液特性、同步注漿壓力差、隧道掘進速度、隧道縱向剛度、管片間摩擦力和后配套自重等。各因素定性分析如下：

1）同步注漿，當漿液填充管片與土體之間的空隙后，漿液將管片完全包裹住，管片所受的力并不是土體的直接作用力，而是土體通過漿液傳遞作用在管片上的力。隨著盾構(gòu)的推進，管片周圍漿液逐漸固化，強度也隨之增大，液體的土彈簧系數(shù)隨時間逐漸變大，而管片所受浮力隨著時間逐漸減弱；不難得出，在保證漿液的可泵送能力下，同步注漿漿液的強度增長得越快，隧道受到浮力的影響也就越小。

表1 隧道上浮檢算計算表Tab.1 Check calculation of tunnel upward movement

從上式可以看出，上浮合力隨著掘進速度的增大而增大。當上浮合力增大時，對于接頭處的實際上浮力也會增大，管片更容易發(fā)生剪切變形或者錯臺，對于隧道的累加剪切變形會更大，隧道的上浮量也更大。

4）隧道縱向剛度，對于盾構(gòu)隧道這一細長拼裝型地下結(jié)構(gòu)，沿著隧道軸線方向(縱向)和垂直于隧道軸線方向(橫向)的管片均由螺栓進行連接，隧道橫向剛度和縱向剛度受到諸多因素的影響。在施工期間隧道上浮研究方面，主要考慮隧道縱向的抗浮能力。顯然可知隧道縱向剛度越大，隧道越不容易發(fā)生上浮。

5）管片間摩擦力，在施工過程中，盾構(gòu)總推力與上覆土厚度有關(guān)?？偼屏χ苯幼饔枚芪补芷鲜顾淼揽v向產(chǎn)生很大的軸力，在隧道上浮時會產(chǎn)生很大的摩擦力。當管片摩擦力不足抵抗上浮剪力的作用時，螺栓將承受額外的剪切力，從而發(fā)生剪切變形。因此，在計算隧道上浮時不但要考慮螺栓的抗剪能力還要考慮管片摩擦力提供的抗剪能力。隧道縱向剪力與上浮量之間關(guān)系可以表達為公式（2）

6）后配套自重，當隧道結(jié)構(gòu)和自重越大，越不容易發(fā)生上浮。Thomas Kasper等國外學者通過研究不同后配套壓重(1 990，3 980，5 970 kN)對隧道上浮的影響，證實了隧道配套壓重的越大隧道抵抗上浮的能力越強的觀點。

2）注漿壓力差，在同步注漿過程中，由于注漿位置不同以及注漿孔壓力不同產(chǎn)生的注漿壓力差也會對隧道上浮產(chǎn)生一定的影響。同步漿液在凝固前，對隧道產(chǎn)生一定壓力，當上方注漿孔和下方注漿孔注漿壓力不一樣時，對于隧道會產(chǎn)生一個由注漿壓力差而帶來的一個作用力。當上方注漿壓力大時，會形成一個向下的作用力而減少隧道的上浮。

3）推進速度，盾構(gòu)推進速度用v表示，時間t后漿液強度達到土體強度，隧道所受浮力q隨著漿液強度變化會發(fā)生相應(yīng)變化。因此，管片上浮力可以表示為q=F（t），隧道所受到的上浮力合力表示為Q，則

3 隧道上浮有限元計算分析

3.1 隧道上浮數(shù)值模擬

根據(jù)上述的定性分析，用有限元計算軟件對南京地鐵十號線越江隧道施工期間上浮進行數(shù)值模擬，分析各因素對隧道上浮的敏感程度。

采用以小泉淳為代表的以軸向、剪切和彎曲彈簧模擬接縫和螺栓、以梁單元模擬襯砌環(huán)的梁一彈簧模型進行數(shù)值模擬。管片外徑11.2 m，內(nèi)徑10.2 m，環(huán)寬2 m，混凝土彈性模量3.65e7 kPa。管片接頭旋轉(zhuǎn)剛度系數(shù)方面的取值常根據(jù)經(jīng)驗和實驗測定，直徑大于10 m的盾構(gòu)隧道，其管片接頭旋轉(zhuǎn)剛度系數(shù)的取值范圍大約為0.8～8×105 kN m·rad-1，由于對上浮影響較大的是剪切剛度并非旋轉(zhuǎn)剛度，本模型中選取8×105kN m·rad-1。剪切剛度Kst大多通過試驗或者類似工程經(jīng)驗取得，本模型中設(shè)置剪切彈簧系數(shù)為5×105，7.5×105，10×105，12.5×105kN·m－1四種情況來模擬不同隧道的縱向剛度對隧道上浮的影響。

在漿液凝固前管片受到浮力的作用，因此模型中梁單元數(shù)量取決于漿液影響范圍的長度，即盾構(gòu)掘進速度。以下通過設(shè)置不同的梁單元數(shù)量來模擬不同的掘進速度對隧道上浮的影響。模型的邊界約束設(shè)置以下兩種，尚停留在盾構(gòu)機內(nèi)的管片可看作鉸支約束，在漿液凝固區(qū)域?qū)芷淖饔每醋鞴潭s束。

在漿液區(qū)的管片進行荷載約束設(shè)置，包括土壓力荷載、漿液浮力荷載、注漿壓力差荷載、自重后配套荷載、推力荷載。漿液的強度隨著時間逐漸增大，漿液浮力荷載也逐漸減小。將漿液浮力隨時間變化轉(zhuǎn)化為隨著盾構(gòu)脫出盾尾距離變化，漿液影響范圍為25環(huán)時漿液浮力荷載施加大小如圖3所示，對模型中不同位置的梁單元施加相對于荷載。同步注漿壓力差荷載通過轉(zhuǎn)換成豎向荷載作用在剛脫出盾尾的兩環(huán)管片上，設(shè)置不同的豎向荷載來考慮不同的同步注漿壓力差的影響。自重和后配套荷載直接通過豎向重力系數(shù)為-1施加在梁單元上。后配套荷載按照單位長度重量分別為2.5，5，7.5，10 t·m－1的情況施加在梁單元上來模擬不同后配套重量對隧道上浮的影響。

如圖4所示，建立25環(huán)有限元模型，可以看出隧道在剛脫離盾尾時受到剪力最大，管片發(fā)生錯臺，但上浮累計最大量為脫出盾尾一段距離，此后漿液逐步凝固，管片位移區(qū)趨于穩(wěn)定。

圖3 漿液浮力加載位置圖Fig.3 Location map of slurry buoyancy loading

圖4 隧道計算模型上浮變形圖Fig.4 Deformation diagram of tunnel calculation model

3.2 隧道上浮模擬結(jié)果分析

3.2.1 盾構(gòu)縱向剛度對隧道上浮的影響

通過設(shè)置不同的彈簧剪切剛度值，得到縱向螺栓剪切力與上浮量的關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯?，縱向連接螺栓的剪切剛度越大，相鄰兩環(huán)管片間錯臺量越小，隧道的最大上浮量越小。在隧道剪力圖一致即隧道縱向螺栓承受的最大剪力一致情況下，隧道縱向螺栓剪切剛度與隧道最大上浮量之間的關(guān)系如圖6所示。可以看出，隧道縱向剪切剛度越大，施工期隧道上浮量越小。通過提高隧道縱向螺栓的剪切剛度可以有效控制施工期間隧道上浮。

圖5 不同剪切剛度下隧道上浮量隨縱向螺栓剪力變化圖Fig.5 Variation diagram of tunnel upward movement with vertical shear force of bolts for different shear stiffness

圖6 隧道上浮量隨縱向螺栓剪切剛度變化圖Fig.6 Variation diagram of upward movement with vertical shear stiffness of bolts

3.2.2 同步注漿壓力差對隧道上浮的影響

運用有限元軟件模擬盾構(gòu)施工過程中同步注漿壓力差所產(chǎn)生的作用于管片上的豎向壓力對隧道上浮的影響，在盾尾后部單環(huán)管片沿環(huán)向施加均布荷載。荷載施加在管片外壁上，方向垂直管片指向圓心，計算結(jié)果見表2，從圖7可以看出，隨著盾尾單環(huán)上施加的同步注漿壓力差的增大，隧道上浮量減小。但隧道上浮對同步注漿壓力差敏感度不高，當注漿壓力達到0.6 MPa時，隧道上浮量只減少1/3，這主要是由于同步注漿壓力差的影響范圍有限，對隧道縱向剪力的影響較小。

表2 同步注漿壓力差對隧道上浮影響Tab.2 Influence table of synchronous grouting pressure difference on tunnel upward movement

3.2.3 盾構(gòu)自重及后配套自重對隧道上浮的影響

據(jù)實際的機械配置情況，盾構(gòu)機自重分析按照150，200，250 t進行考慮。而脫出盾尾后存在的后配套系統(tǒng)，分別按照后配套總重量為100，200，300，400 t進行考慮，即后配套單位長度重量分別為2.5，5，7.5，10 t·m-1進行數(shù)值模擬（見表3），分析后配套自重對脫出盾尾區(qū)段隧道變形的影響。圖7可以得出，隨著后配套系統(tǒng)重量的增大，隧道承受剪力會有所減小，隧道縱向螺栓所承擔得剪力值會有所下降，剪切變形也會相應(yīng)減小，因此上浮量減小，隧道抗浮能力提高。

圖7 同步注漿壓力差與隧道上浮量關(guān)系圖Fig.7 Relationship between pressure difference of synchronous grouting and tunnel upward movement

表3 后配套系統(tǒng)重量對隧道上浮影響Tab.3 Influence of rear supporting system weight on tunnel upward movement

3.2.4 掘進速度對隧道上浮的影響

在漿液初凝時間不變的情況下，同步注漿漿液浮力的影響范圍在隧道縱向與隧道掘進速度成正比。掘進速度越大，浮力影響區(qū)域越大，剛脫出盾尾的管片螺栓受到的剪力值也越大，隧道錯臺量也越大，更容易發(fā)生剪切破壞。因此，設(shè)置不同長度的影響區(qū)來代替掘進速度，分別建立漿液浮力影響區(qū)域為10環(huán)、16環(huán)、20環(huán)、25環(huán)的計算模型，得出在不同的掘進速度下隧道的上浮量。根據(jù)公式（1）當掘進速度越大，漿液浮力影響范圍越大，由計算結(jié)果圖8可以看出，隧道上浮量也越大。因此，適控制掘進速度，降低漿液浮力影響范圍，能夠有效控制隧道上浮。

3.3.5 盾構(gòu)管片間摩擦力對隧道上浮的影響

在深切槽盾構(gòu)施工過程中，覆土厚度的變化會直接影響到掌子面水土合力的大小，從而影響管片間摩擦力的大小。在覆土厚度最淺的地方，管片間摩擦力最小，從而縱向螺栓承受的剪切力增大，當螺栓的抗剪能力小于其承受的剪切力時，發(fā)生剪切破壞或者管片錯臺。根據(jù)公式（2），看出隧道的抗浮能力與摩擦力之間的關(guān)系，然后通過不同的抗浮能力計算對應(yīng)的隧道上浮量。因此，對南京地鐵十號線越江區(qū)間選取特殊節(jié)點進行模擬，模擬結(jié)果見表4。由圖9可知隧道管片間軸力越大，盾構(gòu)管片間摩擦力越大，隧道抗浮能力越強。在淺覆土施工過程中，由于水土合力的減小導(dǎo)致盾構(gòu)推力的減小，從而導(dǎo)致管片間摩擦力的減小，很容易發(fā)生上浮。此外，摩擦系數(shù)更大的橡膠襯墊以及預(yù)應(yīng)力螺栓可以提高隧道管片間摩擦力，從而提高隧道抗浮能力。

圖8 后配套系統(tǒng)重量與隧道上浮量關(guān)系圖Fig.8 Relationship between supporting system weight and tunnel upward movement

圖9 漿液浮力影響范圍與上浮量之間關(guān)系圖Fig.9 Relationship between influence range of slurry size and tunnel upward movement

表4 不同摩擦力對隧道上浮影響計算結(jié)果Tab.4 Influence of different friction forces on tunnel upward movement

4 管片上浮力控制措施

在深切槽盾構(gòu)施工中，由于覆土厚度較淺，管片在漿液浮力的作用下易出現(xiàn)上浮超限的風險，甚至可能造成管片不均勻變形，隧道上浮過大，管片螺栓剪斷止水條失效漏水，覆土頂裂。針對以上問題可以采取以下措施：

1）選擇適當?shù)淖{漿液及方法。比較理想的注漿方法讓注漿漿液完全充填施工間隙并快速凝固形成早期強度，使隧道與周圍土體形成整體構(gòu)造物從而達到穩(wěn)定。故本工程在同步注漿中采用惰性漿液，在深切槽段時加大同步漿液的水泥含量，使?jié){液包裹管片后盡快凝固。

2）控制盾構(gòu)機姿態(tài)。深切槽段施工時考慮管片的上浮風險，將盾構(gòu)姿態(tài)控制在水平±40 mm，豎直-30～0 mm。由于預(yù)留一定空間，當隧道發(fā)生上浮時管片姿態(tài)仍然在可以接受范圍內(nèi)。

3）控制掘進速度。如果在同步注漿過程中，漿液不能及時達到有效地固結(jié)和穩(wěn)定管片的條件時，應(yīng)適當控制盾構(gòu)掘進速度。在深切槽段，控制掘進速度在每天8環(huán)以內(nèi)。

4）在盾構(gòu)設(shè)計中管片環(huán)向螺桿6.8級，縱向螺桿5.8級，在深切槽段統(tǒng)一增加為8.8級同時使用摩擦系數(shù)更大的橡膠襯墊，使管片更加穩(wěn)定。

5）在淺覆土段管片拼裝時全部增加剪力銷安裝，增加管片的抗剪抗浮力。

6）加強隧道縱向變形的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果進行針對性的注漿糾正。如調(diào)整注漿部位及注漿量，配制快凝及提高早期強度的漿液。

圖9 管片間摩擦力與上浮量關(guān)系圖Fig.9 Relationship between friction and tunnel upward movement between segments

5 結(jié)論

本文通過對南京大直徑越江隧道深切槽段上浮問題機理分析，探討了影響大直徑盾構(gòu)隧道上浮的因素并進行數(shù)值模擬分析各因素敏感性，然后給出預(yù)防隧道上浮的處理措施。研究表明：

1）通過設(shè)置不同的彈簧剪切剛度值，縱向連接螺栓的剪切剛度越大，相鄰兩環(huán)管片間錯臺量越小，隧道的最大上浮量越小。通過提高隧道縱向螺栓的剪切剛度可以有效控制施工期間隧道上?。?/p>

2）隨著盾尾單環(huán)上同步注漿壓力差的增大，隧道上浮量減小。但隧道上浮對同步注漿壓力差敏感度不高，當注漿壓力達到0.6 MPa時，隧道上浮量只減少1/3，這主要是同步注漿壓力差的影響范圍有限，對隧道縱向剪力的影響較??；

3）隨著后配套系統(tǒng)重量的增大，隧道縱向螺栓承擔剪力值會有所下降，隧道抗浮能力提高。適當控制掘進速度，降低漿液浮力影響范圍，能夠有效控制隧道上浮；

4）隧道覆土越厚，掌子面水土壓力越大，隧道管片間軸力越大，因此，隧道抗浮能力越強。在淺覆土施工過程中，由于盾構(gòu)推力的減小很容易發(fā)生上浮。摩擦系數(shù)更大的橡膠襯墊以及預(yù)應(yīng)力螺栓可以提高隧道管片間摩擦力，從而提高隧道抗浮能力。

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Mechanism Analysis and Control Study on Upward Movement in Deep Groove of Cross-River Tunnel

Lei Hecai
（China Railway First Survey&Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043，China）

Combined with the study on upward movement of shield tunnel in deep groove of Nanjing Cross-river Tunnel,this paper analyzes the upward movement mechanism and influencing factors of shield tunnel,then creates a shield tunnel beam-spring model by numerical simulation to simulate the upward movement of tunnel under construction and finally puts forward control measures against influencing factors.Research results show that the shorter the initial setting time of synchronous grouting is,the faster the driving speed is,and the greater the vertical shear stiffness,the self-weight of rear supporting system and pressure difference between synchronous grouting,which could make the upward movement period smaller in the tunnel construction.Besides,lowering shield posture ahead of time,utilizing rubber gaskets with larger friction coefficient and pre-stressed bolts can also control tunnel upward movement.

shield tunnel；cross-river tunnel；upward movement mechanism

U25

A

1005-0523（2016）06-0050-08

（責任編輯 王建華）

2016－05－17

雷賀彩（1982—），男，工程師，研究方向為鐵路、地鐵。