曲線盾構施工期管片上浮機理及控制措施研究

張 璐

(中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030024)

1 引言

盾構隧道管片上浮是導致盾構隧道施工期管片裂損的重要原因，在曲線盾構隧道施工過程中，該問題尤為嚴重。錢七虎[1]指出管片上浮變形的70%發生在管片安裝后的48 h內，是大直徑盾構隧道掘進施工主要風險源。袁威等[2]通過現場實測發現:在黏性土較多的軟土地層中，漿液初凝后管片上浮量占管片總上浮量的20%～30%。謝遠堃[2]、黃忠輝等[3]、袁威等[4]也進行了類似測試。李明宇等[5]依托武漢地鐵7號線提出施工期管片上浮經歷加速上浮、平緩、穩定三個階段，管片主要在加速上浮階段發生顯著上浮。胡勇[6]通過半無限長梁理論分析了盾構隧道管片的縱向上浮，隨著管片脫出盾尾距離增大，上浮量減小。趙永明等[7]根據現場實測發現:管片在脫出盾尾20 h內上浮速度較快，之后上浮速度減慢，在管片拼裝44 h后基本趨于穩定。

本文依托某小半徑曲線盾構隧道，分析盾構隧道管片上浮主要影響因素并進行管片上浮現場實測，分析該類隧道管片上浮特征，總結管片上浮變形控制措施，為控制盾構隧道管片上浮、減少施工期管片破損、提高盾構隧道建設質量奠定基礎。

2 盾構隧道管片上浮機理及影響因素

盾構隧道施工期管片上浮影響因素涉及地質條件、隧道線形和結構設計、盾構隧道施工工法和盾構隧道施工過程控制等多個方面[8]，本節針對盾構隧道施工期管片上浮各主要影響因素進行分析。

2.1 水文地質條件

水文地質條件是盾構隧道設計和施工的基礎，隧道周邊地質應力、含水量、軟硬程度等均在一定程度上影響上浮。通常隧道管片在淤泥質等軟土地層中上浮量較大，硬質地層中管片上浮量相對較小。此外，隧道穿越地層地質條件的變化程度也影響隧道管片的上浮量，當隧道穿越各斷面較均勻、地質變化幅度較小時，管片上浮量較??；而當隧道穿越地層地質變化幅度較大時，管片上浮量較大。針對水文、地質條件引起的盾構隧道管片上浮問題，隧道上覆土厚度設計是盾構隧道上浮控制的基礎[9-10]。

2.2 隧道線形和結構設計

盾構隧道線形受施工場地周邊既有建筑物以及線路指標的影響，而隧道線形將進一步影響盾構隧道掘進過程中管片受力，如盾構隧道沿曲線段掘進施工時，由于不同位置千斤頂的推力存在差異，隧道結構除受縱向壓力作用外，還受到彎矩的作用，導致盾構隧道發生翹曲，曲線段盾構隧道的不均勻受力導致盾構隧道上浮現象加劇。

盾構隧道管片結構涉及結構選型、管片排版。盾構隧道管片結構包括平面接頭和凹凸榫接頭，如圖1所示。管片凹凸榫接頭的設計可增加盾構隧道管片間的抗剪能力，大量工程實際經驗表明，凹凸榫接頭可有效減小盾構隧道管片間的變形，進而減小盾構隧道上浮。但凹凸榫的采用導致管片間剪切破損現象增加，如圖2所示。

2.3 盾構姿態糾偏和千斤頂壓力分布

周邊地質條件和襯砌結構是盾構隧道上浮變形的基礎，而盾構隧道千斤頂壓力分布不均是引起盾構隧道上浮的直接原因。導致盾構隧道所受千斤頂壓力分布不均的因素包括隧道線形、掘進糾偏等。盾構隧道曲線掘進和上、下坡掘進均會導致盾構隧道管片所受千斤頂壓力分布不均，進而導致盾構隧道出現盾頭上翹、下沉現象。盾構掘進對盾構機進行糾偏時，由于管片環所受縱向壓力分布不均，也會導致一定程度的管片上浮。

2.4 盾構隧道同步注漿

盾構隧道同步注漿漿液浮力是盾構隧道襯砌結構在橫向上所受的主要荷載，是導致盾構隧道管片上浮的另一直接因素。通常盾構隧道同步注漿漿液需滿足一定要求，為滿足在注入前的攪拌、運輸等操作，要求漿液注入地層前具有良好的流動性，同時為滿足漿液快速填充地層、固定管片位置等要求，要求漿液在注入地層后迅速凝固。由于盾構掘進速度影響管片脫出盾尾的速度，進而影響漿液在地層中的凝結時間，當盾構掘進速度加快，管片盾尾間隙漿液擴散速度提高，未凝固漿液在盾尾間隙中的長度增加，將導致盾構隧道管片上浮量增加。因此盾構隧道同步注漿漿液性能及盾構掘進速度控制是控制管片所受橫向荷載的重要方法。

計算不同直徑管片置于漿液中，所受漿液浮力。C55混凝土密度為2 400 kg/m3，漿液密度為1 765 kg/m3，管片厚度為0.4 m，對比不同直徑管片所受浮力和重力如表1所示。根據表1可知，依托工程管片襯砌受漿液豎向作用力(漿液浮力與管片重力的差值)約為742.11 kN/m，而且隨著管片直徑的增加，管片襯砌所受豎向作用力顯著增大，同步注漿漿液浮力對管片結構上浮影響顯著增大。

表1 隧道外徑與管片襯砌所受浮力

3 盾構隧道施工期管片變形現場測試

3.1 測試方法

通常管片上浮主要發生在與盾尾一定距離內(約10～20環內)，位于盾構機與后配套設備的連接處。該區域空間狹小，難以進行盾構隧道管片變形監測，采用百分表對管片錯臺進行監測是該區域管片變形監測的重要方法，并可根據管片錯臺量反映管片上浮過程。設備由鐵質吸附基座、萬向強磁基座、數顯式百分表組成，安裝如圖3所示。

3.2 數據處理

若不考慮管片環自身變形，管片錯臺量即為管片環間的相對變形量(見圖4)?？紤]管片環錯臺變形沿隧道縱向具有連續性，管片出現上浮后錯臺量均大于0，管片錯臺量沿隧道縱向呈上凸形曲線；管片發生沉降時，錯臺量均為負值，管片錯臺量沿隧道縱向呈下凹形曲線。據此，可根據管片間錯臺變形量反映盾構隧道管片上浮及沉降變形。

3.3 測試結果分析

盾構隧道管片錯臺測點布置在264～265環管片之間，測點位于隧道拱頂處，觀測結果如圖5所示。為了進一步說明盾構掘進過程對管片上浮的影響，將盾構實際推進過程在圖中進行了標注:圖5中“265環”表示265環管片推進開始及推進完成的時刻，圖中藍色線表示推進開始時刻，紅色線表示推進完成時刻，依此類推。

拱頂測點錯臺數據表明:在266環開始推進前，264環管片脫出盾尾，265環管片在盾尾內，管片環之間發生顯著錯臺變形；在266環開始推進至268環開始推進前，相鄰管片環處于相對錯臺量最大位置；在268環開始推進至270環推進完成，相鄰管片環錯臺量逐漸減??；在270環推進完成后，管片環相鄰錯臺量基本保持不變，即270環推進完成后，管片環錯臺量已趨于穩定狀態。

根據測試原理，結合拱頂測點數據，拱頂測點相對錯臺量變化曲線呈上凸形，表明拱頂測點主要發生上浮變形。根據盾構推進期間和拼裝期間管片錯臺量發展過程，在266環管片推進前，即相鄰管片環一側管片位于盾尾內、一側管片完全脫出盾尾，脫出盾尾管片其上浮量梯度達到最大，管片脫出盾尾時發生顯著上浮變形；266～270環管片推進過程中，管片錯臺量均出現減小趨勢，而在管片拼裝期間，管片錯臺量變化相對較小，即管片脫出盾尾后，管片上浮主要發生在管片推進階段。

4 盾構隧道施工期管片上浮控制技術

盾構隧道施工期管片上浮需從地質、隧道支護結構、隧道掘進參數等多個方面綜合進行控制，由此保證盾構隧道施工期上浮量在合理范圍內。

4.1 隧道上覆土厚度及土體特性改善

盾構隧道施工前，需對盾構隧道上覆土厚度進行復核計算，確定覆土厚度是否能夠滿足盾構隧道管片抗浮需求。若上覆土不能為盾構隧道提供足夠的抗浮力，需對上覆土性能進行改善，通過地表注漿可提高盾構隧道上覆土力學性能。曾學藝等[11]報道了長沙南湖路湘江隧道抗浮技術，該隧道修建在河漫灘粉細砂地層，在盾構隧道修建前，通過地表旋噴注漿對地層進行了注漿加固，有效提高了盾構隧道上覆地層的強度，并降低了地層的滲透性。工程實踐表明，盾構隧道施工期間管片僅發生3～5 mm的沉降(見圖6)。

4.2 盾構隧道同步注漿漿液材料

盾構隧道同步注漿材料對盾尾間隙的填充效果將影響盾構隧道上浮過程。同步注漿材料強度和凝結速度是影響盾構隧道上浮的重要因素。在南湖路隧道施工過程中，通過優化漿液配比，提高膨潤土、減水劑在漿液中的占比，以此來縮短漿液初凝時間并提高初凝強度，從而保證漿液對盾尾間隙的填充效果，有效降低了盾構隧道上浮量。

4.3 盾構隧道掘進速度

盾構隧道掘進速度可影響漿液在盾尾間隙中的填充范圍，降低盾構機推進速度可減小盾尾間隙的漿液范圍。趙光[12]介紹了溫州某鐵路過江隧道的施工經驗，在管片易發生上浮段落，將每天掘進速度控制在4環左右，保證漿液在盾尾間隙中的凝結效果，以降低管片上浮變形。

4.4 管片螺栓及時復緊

管片接頭是盾構隧道襯砌結構的薄弱環節，在盾構隧道施工過程中，通過及時對管片間螺栓進行復緊，可以提高管片間的連接強度，增強盾構隧道縱向抗變形能力。

4.5 隧道內堆放重物

盾構隧道自重是隧道抗浮的關鍵因素，因此可以在盾構隧道布置重物來提高盾構隧道的自重，漿液凝固后周邊地層浮力作用減弱，可降低盾構隧道的上浮量。但由于該方法會增加盾構隧道施工步驟，影響盾構掘進速度，因此在盾構施工期間應用較少。

5 結論

本文通過對管片錯臺過程進行現場實測，揭示了盾構隧道施工期管片上浮特征，總結了盾構隧道施工期管片上浮計算方法以及控制方法。

(1)分析了盾構隧道施工期，隧道周邊水文、地質條件，隧道線形和結構，盾構機姿態和千斤頂壓力分布特征，盾構隧道同步注漿施工期管片上浮的影響，其中水文、地質條件和隧道線形與結構是盾構隧道施工期管片上浮的結構基礎，而千斤頂推力和同步注漿浮力是管片上浮的主要驅動力。

(2)研發了盾構隧道施工期管片錯臺監測設備，設備由鐵質吸附基座、萬向強磁基座、數顯式百分表組成，可實現對盾構隧道管片錯臺的連續監測。

(3)提出了盾構隧道施工期管片錯臺和管片上浮變形之間的關系。實測結果表明，管片在脫出盾尾時發生顯著上浮變形，管片上浮主要發生在盾構推進階段，管片拼裝階段上浮變形不顯著。