盾構(gòu)掘進富水硬巖地層管片上浮控制

余群舟， 孫樂勝， 周 誠， 駱漢賓

(1. 華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 2. 武漢地鐵集團有限公司， 湖北 武漢 430030)

盾構(gòu)法具有地面影響小、進度快、機械化程度高等優(yōu)點，其在城市地鐵施工中應(yīng)用非常廣泛。然而，隧道管片上浮特別是在富水硬巖及軟土地層中非常普遍。管片上浮不僅造成隧道“侵限”、管片開裂、錯臺、破損，而且對管片結(jié)構(gòu)抗壓強度、管片防水及耐久性等產(chǎn)生不利影響。因此，深入研究盾構(gòu)隧道管片上浮的原因及控制措施對確保隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全非常重要。

目前，在盾構(gòu)施工期間管片上浮方面的研究取得了一定成果。劉鑫[1]研究了盾構(gòu)富水泥巖地層施工管片上浮的主要因素，并給出了控制措施。胡建南[2]研究了如何通過調(diào)整注漿參數(shù)來控制管片上浮現(xiàn)象的原因及控制措施。戴志仁[3]從力學(xué)角度研究了維持隧道抗浮穩(wěn)定需要的漿液最小屈服強度。黃仁東等[4]采用相關(guān)系數(shù)法和模糊變換，建立了基于理想點法的管片上浮致傷診斷模型，并驗證了模型的準(zhǔn)確性。皮景坤等[5]分析了在砂性土層中管片上浮的影響因素，并研究了管片上浮的有效控制技術(shù)。葉飛等[6]針對軟土或淺覆土地層建立了局部抗浮、縱向整體抗浮等多種計算模型，認(rèn)為動態(tài)上浮力是軟土盾構(gòu)隧道管片上浮的主因。殷明倫等[7]通過分析盾構(gòu)機械參數(shù)、同步注漿、盾構(gòu)姿態(tài)等提出了軟土地區(qū)管片上浮控制措施。徐俊等[8]通過管片上浮模擬試驗，研究了管片的受力情況及其時變特性。Kasper等[9]通過建立盾構(gòu)隧道開挖三維有限元仿真模型，詳細(xì)介紹了軟土地層施工過程模擬的逐步過程和結(jié)果。綜合分析已有研究發(fā)現(xiàn)，目前針對軟土地層管片上浮的研究較多，而針對富水硬巖地層管片上浮的研究相對較少，同時結(jié)合工程實際提出針對性的最優(yōu)化的控制措施研究較少。

近年來富水硬巖地層條件下管片上浮事件時有發(fā)生，例如，成都地鐵5號線錦城大道站―錦城湖站盾構(gòu)區(qū)間[10]左線下穿地層為富水巖層，管片普遍上浮120 mm以上；青島地鐵汽車北站―流亭機場區(qū)間[11]穿越地層屬硬巖地層且地下水豐富，管片最大上浮量達100 mm。基于此，需針對富水硬巖地層管片上浮的控制做進一步研究。

本文結(jié)合某地鐵區(qū)間盾構(gòu)掘進富水硬巖地層的工程實例，分析了富水硬巖地層管片上浮的機理及原因，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗和工程自身特點提出了富水硬巖地層管片上浮的預(yù)控措施；并利用ABAQUS模擬采用預(yù)控措施后的管片上浮情況，并對預(yù)控措施進行優(yōu)化；之后通過盾構(gòu)試掘進，結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用效果對控制措施進行再優(yōu)化，最終得到最優(yōu)控制措施。

1 富水硬巖地層管片上浮原因分析

1.1 工程背景

某地鐵金融港站―秀湖站區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu)，管片外徑6 m、內(nèi)徑5.4 m，管片環(huán)寬1.5 m。區(qū)間左線255～685環(huán)，右線260～720環(huán)區(qū)段，屬于典型的富水硬巖地層，該區(qū)段灰?guī)r地層裂隙較大，塊狀較小，破碎較強，掘進中可能發(fā)生過量超挖；同時，該區(qū)段裂隙水較豐富，同步注漿漿液易被稀釋，該區(qū)間管片上浮風(fēng)險等級很高。左線260～325環(huán)地質(zhì)情況如圖1所示。

1.2 管片上浮原因分析

管片上浮可歸為四大類，即管片封閉成環(huán)的上浮、盾構(gòu)掘進頂推時的上浮、脫出盾尾后管片的上浮、漿液初凝后管片的上浮。本工程管片上浮風(fēng)險情況屬于脫出盾尾后成型管片的上浮類，如圖2所示。

圖1 金融港站―秀湖站區(qū)間左線隧道260～325環(huán)地質(zhì)狀況

圖2 管片上浮示意

本項目采用盾構(gòu)機開挖直徑為6280 mm，管片外徑為6000 mm，管片與圍巖之間平均存在140 mm的間隙，這為管片上浮提供了空間條件。由于地下水存在使管片受到的浮力遠(yuǎn)大于其自重，隧道管片在富水硬巖地層本身有上浮趨勢，這為管片上浮提供了力學(xué)條件。

此外，盾構(gòu)機姿態(tài)的調(diào)整控制、掘進速度、注漿工藝、漿液特性、盾構(gòu)過量超挖、管片縱向剛度等也都會不同程度影響管片上浮。

2 管片上浮預(yù)控措施提出

為保證管片上浮量在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，結(jié)合本工程實例，同時參考類似工程經(jīng)驗，施工前提出了以下主要預(yù)控措施。

(1)控制掘進速度。盾構(gòu)推進速度過快將會導(dǎo)致盾構(gòu)通過區(qū)域的地層不穩(wěn)定，注漿漿液不能及時凝結(jié)，使管片上風(fēng)險提高，推進速度一般以推進一環(huán)結(jié)束時注漿漿液正好凝固為最佳。因此，盾構(gòu)在富水硬巖地層應(yīng)保持勻速緩慢推進，大小應(yīng)控制在30 mm/min 以內(nèi)。

(2)管片開孔放水。盾構(gòu)法隧道施工過程中，對管片下部注漿口開孔放水是一種常用的被動措施，可以抑制管片拼裝后因外周圍水壓力造成的管片上浮并且可以有效避免因地下水對同步注漿漿液稀釋為管片上浮創(chuàng)造的機會。掘進中采取管片開孔的方式減小管片外圍的水壓力，提升注漿漿液在管片周圍的填充效果。在仿真中浮力按照理論值的50%考慮。

(3)控制同步注漿順序和漿液性質(zhì)。為防止?jié){液抬浮管片，注漿嚴(yán)格同步進行。漿液采用初凝時間短強度高的單液漿。

(4)加強管片姿態(tài)測量，實時了解隧道軸線偏差情況并采取措施。每掘進10環(huán)測量一次成型管片的軸線，并搭接復(fù)測上一循環(huán)的10環(huán)管片。

3 基于ABAQUS的管片上浮模擬與預(yù)控措施優(yōu)化

為檢驗預(yù)控措施的有效合理性，選取部分管片上浮風(fēng)險較大區(qū)域(左線260～281環(huán))，共22環(huán)作為模擬對象，采用ABAQUS 模擬分析按照預(yù)控措施施工的管片上浮情況，并據(jù)此模擬結(jié)果優(yōu)化上浮控制措施。

3.1 管片上浮有限元模型構(gòu)建

3.1.1 條件假設(shè)

(1)富水硬巖段每個位置土層的厚度不一，無明顯規(guī)律性，為了方便建模，土體參數(shù)大約取深度范圍內(nèi)的平均值，不考慮上覆土中的夾層；用于建模的區(qū)段坡度不大，將其簡化為平坡。

(2)管片采用均質(zhì)圓環(huán)模型，受力情況以三維問題來進行模擬，整環(huán)考慮并取其折減的剛度。

(3)假設(shè)遠(yuǎn)離荷載作用的管片端為固定端，不考慮壁后注漿層與土體之間的摩擦力、縱向和環(huán)向管片之間的螺栓接頭作用。

(4)假設(shè)漿液為流體，其強度會隨時間的增加而增加，漿液凝固時間與浮力呈線性關(guān)系。

(5)根據(jù)預(yù)控措施，將盾構(gòu)掘進速度控制在30 mm/min。

3.1.2 模型構(gòu)建

(1)模型的大小

管片采用薄壁圓管，模型管片共22環(huán)，長33 m，外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，沿著開挖掘進方向依次編號為1，2，…，22 環(huán)，每環(huán)管片寬度為1.5 m，壁厚0.3 m。隧道軸線平均埋深18.8 m，取開挖土體單元長度為1.5 m；土體采用矩形模塊，模型長33 m，寬42 m，高42 m；盾構(gòu)機采用薄壁圓管，模型長9 m，外徑為6.35 m，內(nèi)徑為6.25 m，厚度為0.05 m；注漿層采用薄壁圓管，注漿層外徑為6.35 m，內(nèi)徑為6 m，厚度為0.175 m。土體結(jié)構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，巖土體、管片和盾構(gòu)均采用c3d8r實體單元(三維實體8節(jié)點單元)，模型共18123個單元，22316個節(jié)點。

(2)坐標(biāo)系的建立

根據(jù)盾構(gòu)機對管片的作用特點，將盾構(gòu)機對管片作用的管片斷面作為XOY平面，取管片中心為坐標(biāo)原點；水平方向為x軸方向，垂直方向為y軸方向，軸線方向為z軸方向(盾構(gòu)掘進方向為z軸正方向)。

(3)材料屬性及單元選取

管片模型中，主要材料有土、注漿層、管片、盾構(gòu)機四種。其中，各土層的參數(shù)見表1，管片、注漿層和盾構(gòu)機參數(shù)見表2。

表1 各土層參數(shù)

表2 管片、注漿層和盾構(gòu)機參數(shù)

(4)有限元模型構(gòu)建

基于以上所選取的盾構(gòu)施工中各部件參數(shù)和4種類型的單元，建立富水硬巖地層盾構(gòu)施工有限元模型。土體、管片注漿層及盾構(gòu)機模型分別如圖3～6所示。

圖3 土體模型

圖4 管片模型

圖5 注漿層模型

圖6 盾構(gòu)機模型

3.1.3 建模步驟及模擬過程

基于所建立的有限元網(wǎng)格圖，對開挖過程進行模擬。首先為了避免模擬計算過程中出現(xiàn)剛體位移，將第1環(huán)管片進行x，y，z三個方向位移為0的全約朿；第二步，選擇管片相關(guān)接觸面施加水平方向和豎直方向約束；第三步，對第一環(huán)管片施加相應(yīng)荷載，包括由注漿漿液包裹而產(chǎn)生的靜態(tài)上浮力、二次注漿過程中因注漿壓力產(chǎn)生的動態(tài)上浮力、盾構(gòu)推力[12]；第四步，輸出第一環(huán)計算結(jié)果，寫入數(shù)據(jù)文件；之后，按照同樣步驟建立2～22環(huán)管片模型。過程中，用控制單元生死來模擬開挖，在盾構(gòu)掘進過程中，每開挖一節(jié)土體，該節(jié)土體單元被“殺死”，其位置由盾頭環(huán)取代，同時盾尾環(huán)“殺死”，相應(yīng)位置的管片、漿液單元被“激活”，相應(yīng)的荷載條件、邊界條件被施加，以此類推，并在每一掘進步內(nèi)，計算漿液-土體-管片系統(tǒng)的應(yīng)力和應(yīng)變，最后得到土層、管片的位移、應(yīng)力等重要數(shù)據(jù)。

3.2 管片上浮模擬結(jié)果分析

通過對左線260～281環(huán)區(qū)域盾構(gòu)開挖和管片拼裝進行模擬，得到管片豎向位移云圖，如圖7所示，管片上浮量隨環(huán)號變化情況如圖8所示。由圖可以看出，各環(huán)管片上浮量的模擬值都在20 mm以上，在270～275 環(huán)，管片上浮量的模擬值均超過了100 mm，最大值達到140 mm以上，均未達到成型隧道管片上浮量±50 mm的要求。因此，為將上浮量控制在合理區(qū)間內(nèi)，需要對富水硬巖地層管片上浮的預(yù)控措施進行優(yōu)化。

圖7 管片豎向位移云圖

圖8 管片上浮量隨環(huán)號變化曲線

3.3 管片上浮預(yù)控措施優(yōu)化

(1)改善漿液特性與注漿工藝

在富水硬巖地層中，確保漿液的充填性好、初凝時間短和早期強度高是改善漿液特性的關(guān)鍵。

預(yù)控措施中選用的單液漿凝結(jié)時間長，易發(fā)生土體流失，早后期強度都不高，對管片上浮有一定影響。在漿液中添加增稠劑，調(diào)高砂漿稠度，增強砂漿的抗沖刷能力，改進后的漿液配比如表3所示。在堅持“掘進注漿同步”的原則下，注漿順序采用先洞頂、再兩側(cè)、后洞底的注漿順序，且注漿壓力遵循“上部大、下部小”原則進行。

表3 改進型同步注漿漿液配比

考慮到同步注漿有不足的地方，需通過管片中部的注漿孔進行二次注漿，補充一次注漿未填充部分和體積減少部分，從而減少盾構(gòu)機通過后土體的后期沉降，有效控制隧道管片上浮。二次注漿的材料應(yīng)選用由普通硅酸鹽水泥和水玻璃(濃度35 Be)配合而成的雙液漿，施工拌料配合比如表4所示。由于動態(tài)上浮力主要由管片下部的二次注漿產(chǎn)生，所以應(yīng)該選擇在管片頂部注漿從而避免動態(tài)上浮力的產(chǎn)生，隧道內(nèi)二次注漿如圖9所示。

表4 二次注漿材料配合比

圖9 隧道內(nèi)二次注漿

(2)引入克泥效工法，施作止?jié){環(huán)

本工程盾尾設(shè)有止?jié){板，防止還未凝固的漿液流向盾體的外壁。但是，在富水硬巖地層中掘進時，止?jié){板磨損非常嚴(yán)重，此時會發(fā)生漿液流失的現(xiàn)象。為避免漿液流失，可在圍巖與盾構(gòu)機外壁設(shè)置一道止?jié){環(huán)，以此補充止?jié){板因磨損失去的功能。由于傳統(tǒng)的雙漿液早期強度高，易將盾構(gòu)“抱死”，本工程中采用克泥效工法，具體施工拌料配合比如表5所示。具體施工方法，通過11點鐘和1點鐘的徑向超前注漿孔向盾構(gòu)外壁注入，有效隔絕注漿漿液通過該間隙流向刀盤前部。

表5 克泥效工法拌料配合比

(3)盾構(gòu)后部設(shè)止水環(huán)

該區(qū)間內(nèi)地層含水量豐富，盾構(gòu)后部的地下水會通過盾尾滲入管片壁后的漿液中，增大管片上浮的可能。 在盾尾后每隔5環(huán)設(shè)置隔水環(huán)，截斷管片壁后集水，減小地下水產(chǎn)生的浮力，增加襯砌環(huán)頂部受力。

(4)預(yù)先調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)

預(yù)先調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，是保證管片上浮后不會偏離設(shè)計軸線的一種有效措施。通過模擬可知盾構(gòu)管片上浮量大多數(shù)為 50～100 mm之間，在不改變隧道設(shè)計軸線情況下，盾構(gòu)按照-50～-100 mm下壓掘進，管片經(jīng)過上浮又回到設(shè)計軸線附近。

4 管片上浮控制及效果分析

4.1 盾構(gòu)試掘進情況及效果分析

為檢驗證明優(yōu)化后的預(yù)控措施效果，選擇左線富水硬巖區(qū)域管片環(huán)號為 260，261，…，269共10環(huán)進行試掘進，對管片上浮情況進行監(jiān)測。試掘進10環(huán)管片上浮結(jié)果如表6所示。

表6 試掘進260～269環(huán)管片上浮實測結(jié)果

通過數(shù)據(jù)可以看出，各環(huán)管片的上浮量均未超過100 mm，這說明優(yōu)化后的控制措施起到了一定效果。但是有7環(huán)管片上浮量均超過50 mm，試掘進10環(huán)管片上浮量的平均值為55.83 mm，第260環(huán)管片上浮量最大，達到78.31 mm，仍然大于地鐵隧道驗收規(guī)范中成型隧道管片上浮量±50 mm的要求，優(yōu)化后的控制措施尚未達到最優(yōu)效果，有進一步優(yōu)化的空間。

4.2 控制措施再優(yōu)化

4.2.1 上浮原因分析

通過左線10環(huán)實際試掘進的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，管片上浮控制沒有達到最優(yōu)效果。結(jié)合具體施工過程分析，可能有以下幾點原因：

(1)注漿壓力控制不到位

由動態(tài)上浮力計算公式可知，上浮量與注漿壓力呈線性關(guān)系，當(dāng)注漿壓力在管片下部集聚時，形成較大的上浮力，當(dāng)此力超過覆土荷載以及管片重力時，就會引起刮片上浮。通過現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場對于注漿壓力的控制沒有根據(jù)實際施工地質(zhì)條件加以動態(tài)調(diào)整，盲目增大注漿壓力雖能保證填充效果，但會使管片承受較大漿液壓力。

(2)管片拼裝不到位

通過現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)，在管片拼裝前、中、后期并沒有嚴(yán)格按照規(guī)范操 作進行，在相鄰管片拼裝結(jié)束后，未能及時用螺栓按照設(shè)計的力矩參數(shù)將管片緊固，造成管片與 管片之間連接不夠緊密。

(3)姿態(tài)控制不佳及存在超挖

在實際施工中，盾構(gòu)機掘進姿態(tài)不佳導(dǎo)致隧道軸線偏離設(shè)計軸線，需實時調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)。糾偏過程引起盾構(gòu)機各分區(qū)千斤頂油缸推力存在差異，從而造成管片上下部受力不均，容易引起上浮。同時，超挖擴大了管片和圍巖之間的建筑空間，為管片上浮進一步提供了空間條件。

4.2.2 控制措施再優(yōu)化

結(jié)合以上原因分析，以優(yōu)化后提出的控制措施為基礎(chǔ)，對控制措施進行再優(yōu)化。

(1)對注漿壓力進行動態(tài)控制。在富水硬巖地層中，管片上浮量與注漿壓力存在較大關(guān)系。因此，盾構(gòu)推進過程制作h-p-t(h為上浮量，p為注漿壓力，t為時間)曲線，確保實時監(jiān)測到上浮量和注漿壓力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)管片上浮趨勢，及時調(diào)整注漿壓力。在盾構(gòu)同步注漿施工中，注漿壓力取地層阻力加上0.1～0.2 MPa的富余量。

(2)增加管片襯砌整體縱向抗彎剛度，加強螺栓復(fù)緊。根據(jù)實際施工情況，在富水硬巖地層，采用“三次緊固”法緊固螺栓，即：在管片拼裝過程中進行第 1 次緊固，完成后扭矩大小要達到設(shè)計值的50%；管片拼裝結(jié)束后進行第2次緊固，完成后扭矩大小要達到設(shè)計值的 75%；當(dāng)管片脫出盾尾后進行第 3 次緊固，完成后扭矩大小要 100% 達到設(shè)計值。最后，當(dāng)管片脫出盾尾2～3環(huán)時還要對螺栓進行復(fù)緊。

(3)合理控制盾構(gòu)姿態(tài)

嚴(yán)格控制盾構(gòu)機在富水硬巖地層中的掘進姿態(tài)，保證沿隧道中心軸線平面位置和高程±50 mm區(qū)域推進，分區(qū)油缸千斤頂?shù)膲毫Σ畈灰顺^30 MPa，避免頻繁糾偏、過量超挖，防止增大襯砌后建筑空間。

4.2.3 優(yōu)化后效果分析

為了檢驗再次優(yōu)化后控制措施的效果，對左線管片環(huán)號為270，271，…，281共 12環(huán)進行再次試掘進。12環(huán)的上浮情況如表7所示(其中，270，280環(huán)沒有測得數(shù)據(jù))。

表7 270～281環(huán)管片上浮實測結(jié)果

從表7監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，已測得10環(huán)管片均存在上浮，但上浮量均未超過50 mm，其上浮平均值為 25.53 mm，相比前述的260～269環(huán)，上浮平均值約減少了53.73%，顯然，通過該區(qū)間270～281環(huán)盾構(gòu)再次試掘進，表明再次優(yōu)化后的控制措施是有效的、可行的。

通過對左線共計22環(huán)硬巖富水區(qū)管片試掘進，再次優(yōu)化和驗證了上浮控制措施，控制效果較好。在本工程左右線硬巖富水區(qū)后期盾構(gòu)掘進中采用這些措施，管片的上浮量均控制在合理范圍內(nèi)，達到了較為理想的施工效果。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合某地鐵工程盾構(gòu)隧道掘進富水硬巖地層管片上浮控制實例，采用“制定預(yù)控措施—軟件模擬優(yōu)化改進—實際試掘進再優(yōu)化”的思路，提出了本區(qū)間盾構(gòu)掘進富水硬巖地層管片上浮的控制措施，并應(yīng)用于本工程，成功控制了富水硬巖段管片上浮，取得了較好的效果。本文提出的控制措施及控制措施制定的思路過程以期對類似工程有一定的參考與借鑒作用。

另外，本文提出采用軟件模型驗證預(yù)控措施的效果，雖然在思路上是可行的，但是，在建模過程中做了一定的簡化，在考慮富水硬巖地層的管片上浮問題時，也忽略了管片受到的與之相連的螺栓和管片傳遞的剪力，計算相對簡單，未來還需進一步做更深層次的研究。