超大直徑泥水盾構(gòu)隧道抗浮原理及措施綜述

趙 光，付士陸，牛 浩（上海地鐵咨詢(xún)監(jiān)理科技有限公司， 上海 200223）

0 引 言

隨著隧道直徑的加大以及復(fù)雜的地質(zhì)狀況的影響，管片上浮問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，因此解決管片上浮問(wèn)題是超大直徑隧道施工技術(shù)的關(guān)鍵。本文以正在施工建設(shè)的溫州某鐵路過(guò)江隧道為例，結(jié)合管片上浮原理及工程概況等因素分析了該過(guò)江隧道的管片上浮情況，并提出相關(guān)技術(shù)措施，來(lái)指導(dǎo)該隧道的施工。

1 工程概述

該過(guò)江隧道采用 φ14.93 m 泥水加壓盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工。盾構(gòu)管片外徑 14.5 m，內(nèi)徑 13.3 m，環(huán)寬 2 m，管片厚度 0.6 m；縱坡為單向坡，大縱坡 30‰，隧道埋深為7.75 m～28 m。盾構(gòu)始發(fā)最小覆土厚度為 7.75 m，屬于淺覆土始發(fā)，并且在盾構(gòu)出洞的 120 環(huán)范圍內(nèi)均是淺覆土施工。該過(guò)江隧道主要穿越淤泥層、淤泥質(zhì)黏土層、粉質(zhì)黏土夾粉砂層、黏土層，該地層透水性強(qiáng)，地下水豐富。

2 超大直徑盾構(gòu)隧道上浮問(wèn)題的提出

隧道的上浮通常發(fā)生在管片脫出盾尾后的一段時(shí)間，由于管片脫出盾尾后，管片四周被水泥砂漿和地下水包裹。一般認(rèn)為，隧道上浮力系是由水和早期流塑態(tài)漿液引起，并且這種上浮力大于管片的自重。通常這種上浮會(huì)隨砂漿的凝固而慢慢停止。管片壁后注入的砂漿由于地層的稀釋?zhuān)瑢?dǎo)致管片上部有一定的空隙，給管片的上浮創(chuàng)造了一定條件。另外，盾構(gòu)在淺覆土段掘進(jìn)時(shí)，由于管片環(huán)間的摩擦力小，上部土壓力難以抵抗管片的上浮力，所以淺覆土段隧道管片的上浮較為嚴(yán)重。

該隧道采用 14.93 m 泥水氣壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，屬于超大直徑盾構(gòu)隧道。由于隧道上浮問(wèn)題隨著盾構(gòu)直徑的加大會(huì)更加嚴(yán)重(如表 1 所示)，因此該隧道管片上浮問(wèn)題是本工程關(guān)鍵控制點(diǎn)。

表 1 隧道直徑與上浮力的關(guān)系

3 隧道管片上浮原因分析

3.1 襯砌環(huán)管片受力狀態(tài)分析

3.1.1 管片成環(huán)時(shí)受力狀態(tài)分析

當(dāng)襯砌環(huán)管片拼裝完成后，管片處于盾尾保護(hù)內(nèi)，只受管片自重影響；其整體運(yùn)動(dòng)受盾構(gòu)機(jī)支配。一般由于盾構(gòu)機(jī)重量小于開(kāi)挖土體重量，因此地層應(yīng)力的重新分布使盾構(gòu)機(jī)略有上浮，盾體前部重量較重，會(huì)出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象，盾尾處會(huì)出現(xiàn)上揚(yáng)，所以盾尾管片在盾構(gòu)機(jī)支配下，會(huì)出現(xiàn)少量的上浮，但上浮不會(huì)太明顯。

3.1.2 管片脫出盾尾受力狀態(tài)分析

(1)富水軟土層中隧道受力狀態(tài)。襯砌環(huán)管片脫出盾尾后，管片在同步注漿材料和地下水包裹下置于地層中。不計(jì)土拱效應(yīng)，假定隧道底土層壓力對(duì)管片的沿深度方向均勻分布，此時(shí)管片的受力狀態(tài)，如圖 1 所示。

圖 1 管片的受力狀態(tài)

通過(guò)計(jì)算豎向土壓力合力為2

管片的重量為

式中：t—管片厚度；

γh—混凝土重度，取 25 kN/m3；

γ—土的重度，取 18 kN/m3；

R—管片內(nèi)半徑。

根據(jù)上述兩個(gè)公式的相比可以得出

把隧道的相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式 3，可得出

FE/G=4.0

由上述結(jié)果得出，豎向土壓力是管片自重的4倍。很明顯，管片受到土層向上作用力大于襯砌環(huán)管片的自重。

(2)隧道管片上浮與上覆土關(guān)系分析。首先不考慮土層對(duì)隧道管片的應(yīng)力，只考慮管片上浮受壁后流塑態(tài)砂漿的影響，從而對(duì)管片受力進(jìn)行分析。

環(huán)管片的重力公式

管片所受漿液浮力公式

以下為該過(guò)江盾構(gòu)隧道的相關(guān)數(shù)據(jù)：r—管片的外半徑，7.25 m；

r2—管片的內(nèi)半徑，為 6.65 m；b—管片環(huán)寬 2.0 m；

ρ—管片密度2.5 t/m3；

ρ0—砂漿密度 1.5 t/m3～1.75 t/m3(甌江隧道取1.6 t/m3)。

根據(jù)以上公式得出：每環(huán)管片自重G約為 128 t；管片受到漿液的浮力：F1約為 518 t。從計(jì)算結(jié)果得出：管片上浮力與自重之差約為 390 t。

結(jié)論 1：當(dāng)隧道穿越巖性地層時(shí)，由于圍巖自穩(wěn)性較好，土層對(duì)管片產(chǎn)生的豎向壓力忽略不計(jì)，并且土拱效應(yīng)可以抵抗管片約 390 t 的上浮力，所以隧道管片的上浮空間只會(huì)發(fā)生在管片與圍巖(約 200 mm)之間。

結(jié)論 2：當(dāng)隧道穿越軟土地層時(shí)，管片不僅受砂漿的影響，還受土層應(yīng)力的影響(依據(jù)公式 3)；在盾構(gòu)在淺覆土段掘進(jìn)施工時(shí)，上覆土的壓力難以抵抗其產(chǎn)生的上浮力，所以管片上浮會(huì)沖破界限，導(dǎo)致地面隆起或塌陷。

3.2 隧道管片上浮原因

3.2.1 管片壁后流塑態(tài)砂漿

管片拼裝完成后，壁后有一定的空隙，這些空隙會(huì)在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中同步注入砂漿來(lái)進(jìn)行填充，用于防水和加固襯砌環(huán)管片。由于該過(guò)江隧道是大直徑隧道，同步注入的砂漿必須有一定的流動(dòng)性才能更好地填充這些空隙，而且水泥砂漿在一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)固結(jié)。所以在管片脫出盾尾后，管片四周被砂漿包裹。

3.2.2 注漿壓力

同步注漿的壓力關(guān)系到管片壁后砂漿是否注入飽滿，能否有效填充空隙。如果注漿壓力過(guò)小，砂漿注入不飽滿，在加上地層對(duì)砂漿的稀釋?zhuān)苡锌赡茉诠芷喜看嬖诳障?，給管片上浮創(chuàng)造了空間。

3.2.3 油缸推力

在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中，常會(huì)遇見(jiàn)上坡下坡以及姿態(tài)糾偏，這些都是通過(guò)調(diào)整各個(gè)油缸推力來(lái)完成的。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)上坡時(shí)油缸底部壓力P2＞油缸頂部壓力P1，所以會(huì)造成管片錯(cuò)臺(tái)上翹；當(dāng)盾構(gòu)沿直線段推進(jìn)P2=P1和盾構(gòu)下坡推進(jìn)P2＜P1時(shí)，管片不會(huì)發(fā)生錯(cuò)臺(tái)上翹現(xiàn)象。

3.2.4 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)

盾構(gòu)出洞始發(fā) 120 環(huán)范圍內(nèi)主要穿越淤泥層、淤泥質(zhì)黏土層，天然含水量高，且地層不穩(wěn)定；加之盾構(gòu)直徑較大，盾構(gòu)姿態(tài)很容易偏離。所以，盾構(gòu)的糾偏會(huì)很頻繁，在糾偏過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致管片環(huán)面受力不均，出現(xiàn)管片錯(cuò)臺(tái)上翹現(xiàn)象。

3.2.5 隧道上覆土

當(dāng)管片因流塑態(tài)漿液引起上浮時(shí)，如果上覆土重量較大能抵抗管片上浮力，管片上浮就會(huì)很小，不會(huì)引起質(zhì)量問(wèn)題。但是該過(guò)江隧道埋深在 7.75 m～28 m，在盾構(gòu)始發(fā)時(shí)隧道埋深只有 7.75 m，并且在盾構(gòu)出洞的 120 環(huán)范圍內(nèi)均屬于淺覆土始發(fā)，這種情況下隧道管片上浮是必然的。

4 隧道管片抗浮措施

4.1 注漿材料的選擇

在管片脫出盾尾后，管片四周被水泥砂漿包裹，只要管片浸泡在漿液中，就會(huì)使管片產(chǎn)生上浮，所以漿液的性能是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)控制點(diǎn)。從管片同步注漿質(zhì)量上考慮，漿液必須具備一定的流動(dòng)性、和易性且漿液初凝時(shí)間不能過(guò)短，才能夠保證漿液能完全填充管片壁后的空隙。從管片上浮的情況來(lái)看，漿液的流動(dòng)性好和凝固所需時(shí)間長(zhǎng)，是管片上浮的兩個(gè)關(guān)鍵因素。明顯兩者存在一定的矛盾，所以在漿液類(lèi)型選擇中，必須綜合考慮和合理選擇。

漿液分為三種類(lèi)型，分別是單液硬性漿液、單液惰性漿液和水泥-水玻璃漿液。本工程擬采用單液硬性漿液。

表 2 漿液性能對(duì)比

綜上考慮來(lái)看，單液硬性漿液初凝時(shí)間和早期強(qiáng)度均可以利用配比來(lái)進(jìn)行調(diào)整，相對(duì)水泥-水玻璃來(lái)說(shuō)，更有利于控制管片壁后注漿質(zhì)量和隧道管片上浮。

4.2 同步注漿量與注漿壓力的控制

管片壁后的建筑空隙，給管片上浮提供了一定的空間，因此要注入合理量的砂漿對(duì)其進(jìn)行填充，保障管片壁后砂漿飽滿密實(shí)。通常同步注漿量是理論注漿量的 1.3倍～2 倍，在軟弱透水強(qiáng)的地層中應(yīng)適當(dāng)加大注漿量，避免地層因稀釋砂漿造成管片壁后存在空隙。同時(shí)注漿壓力也是一個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)。一般注漿壓力控制在靜止泥水壓力的1.1 倍～1.2 倍，并且在不影響盾尾密封系統(tǒng)的情況下，注漿壓力大于切口泥水壓力。其次是各個(gè)注漿管注漿流速的調(diào)整。管片上部注漿管要略大于下部注漿管的流速，從而來(lái)避免管片上部不會(huì)因漿液壓力不均出現(xiàn)空隙。

4.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)在掘進(jìn)施工過(guò)程中存在上下坡以及不確定因素導(dǎo)致蛇形運(yùn)動(dòng)，因此避免不了糾偏。由于糾偏會(huì)使管片換面受力不均，導(dǎo)致管片上翹，因此在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程中加強(qiáng)盾構(gòu)姿態(tài)控制，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾偏。其次該江底存在大量的囊狀沼氣層。如果囊狀沼氣層出現(xiàn)在隧道底層，會(huì)使盾構(gòu)機(jī)發(fā)生磕頭現(xiàn)象，導(dǎo)致管片上翹。因此在掘進(jìn)過(guò)程中，需要加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)后及時(shí)停機(jī)做注漿處理，防止盾構(gòu)機(jī)磕頭。

4.4 掘進(jìn)速度控制

在管片易上浮的地段，要放緩盾構(gòu)掘進(jìn)速度，使脫出盾尾的管片壁后空隙和漿液在地層稀釋的情況下仍能保持平衡，并且可以避免整環(huán)管片浸泡在未初凝的漿液中，降低管片上浮量。同時(shí)，每天的掘進(jìn)控制在 4 環(huán)左右，保障管片能被漿液充分固結(jié)穩(wěn)定。

4.5 特殊環(huán)管片

超大直徑隧道在設(shè)計(jì)中都會(huì)使用一定量的特殊管片。比如淺覆土區(qū)、軸線曲率變化較大區(qū)、隧道底部囊狀氣層區(qū)均應(yīng)采用特殊襯砌環(huán)管片。特殊襯砌環(huán)管片是在內(nèi)環(huán)面預(yù)埋一定規(guī)格的鋼板，在管片拼裝完成后利用鋼板把塊與塊、環(huán)與環(huán)焊接起來(lái)連成一個(gè)整體，增大隧道的抗剪切能力。另一種特殊管片是在管片環(huán)面設(shè)置剪力銷(xiāo)孔洞，在管片拼裝時(shí)安置剪力銷(xiāo)。這樣，當(dāng)管片脫出盾尾后大大提高了管片的抗剪切能力，具有可操作性，效果明顯。

4.6 其 他

在管片拼裝完成后對(duì)其后方管片進(jìn)行螺栓復(fù)緊，防止螺栓松動(dòng)降低管片抗剪切能力。另外，在不影響隧道內(nèi)運(yùn)輸車(chē)輛行駛的情況下，加快口子件的安裝，盡量縮小與盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車(chē)的距離。必要時(shí)在隧道內(nèi)堆放重塊抵抗隧道上浮，但重物要適當(dāng)，避免隧道發(fā)生下沉。

5 結(jié) 語(yǔ)

管片壁后漿液產(chǎn)生的浮力不是隧道上浮控制的所在，注漿材料、注漿壓力以及管片壁后漿液的充實(shí)性才是隧道上浮的主要控制點(diǎn)。

根據(jù)本文隧道上浮與上覆土關(guān)系公式計(jì)算，上覆土與隧道上浮問(wèn)題有密切關(guān)系，從而得出在淺覆土段是控制隧道上浮的關(guān)鍵點(diǎn)。