曲线盾构施工期管片上浮机理及控制措施研究

张 璐

(中铁十二局集团有限公司 山西太原 030024)

1 引言

盾构隧道管片上浮是导致盾构隧道施工期管片裂损的重要原因，在曲线盾构隧道施工过程中，该问题尤为严重。钱七虎[1]指出管片上浮变形的70%发生在管片安装后的48 h内，是大直径盾构隧道掘进施工主要风险源。袁威等[2]通过现场实测发现:在黏性土较多的软土地层中，浆液初凝后管片上浮量占管片总上浮量的20%～30%。谢远堃[2]、黄忠辉等[3]、袁威等[4]也进行了类似测试。李明宇等[5]依托武汉地铁7号线提出施工期管片上浮经历加速上浮、平缓、稳定三个阶段，管片主要在加速上浮阶段发生显著上浮。胡勇[6]通过半无限长梁理论分析了盾构隧道管片的纵向上浮，随着管片脱出盾尾距离增大，上浮量减小。赵永明等[7]根据现场实测发现:管片在脱出盾尾20 h内上浮速度较快，之后上浮速度减慢，在管片拼装44 h后基本趋于稳定。

本文依托某小半径曲线盾构隧道，分析盾构隧道管片上浮主要影响因素并进行管片上浮现场实测，分析该类隧道管片上浮特征，总结管片上浮变形控制措施，为控制盾构隧道管片上浮、减少施工期管片破损、提高盾构隧道建设质量奠定基础。

2 盾构隧道管片上浮机理及影响因素

盾构隧道施工期管片上浮影响因素涉及地质条件、隧道线形和结构设计、盾构隧道施工工法和盾构隧道施工过程控制等多个方面[8]，本节针对盾构隧道施工期管片上浮各主要影响因素进行分析。

2.1 水文地质条件

水文地质条件是盾构隧道设计和施工的基础，隧道周边地质应力、含水量、软硬程度等均在一定程度上影响上浮。通常隧道管片在淤泥质等软土地层中上浮量较大，硬质地层中管片上浮量相对较小。此外，隧道穿越地层地质条件的变化程度也影响隧道管片的上浮量，当隧道穿越各断面较均匀、地质变化幅度较小时，管片上浮量较小；而当隧道穿越地层地质变化幅度较大时，管片上浮量较大。针对水文、地质条件引起的盾构隧道管片上浮问题，隧道上覆土厚度设计是盾构隧道上浮控制的基础[9-10]。

2.2 隧道线形和结构设计

盾构隧道线形受施工场地周边既有建筑物以及线路指标的影响，而隧道线形将进一步影响盾构隧道掘进过程中管片受力，如盾构隧道沿曲线段掘进施工时，由于不同位置千斤顶的推力存在差异，隧道结构除受纵向压力作用外，还受到弯矩的作用，导致盾构隧道发生翘曲，曲线段盾构隧道的不均匀受力导致盾构隧道上浮现象加剧。

盾构隧道管片结构涉及结构选型、管片排版。盾构隧道管片结构包括平面接头和凹凸榫接头，如图1所示。管片凹凸榫接头的设计可增加盾构隧道管片间的抗剪能力，大量工程实际经验表明，凹凸榫接头可有效减小盾构隧道管片间的变形，进而减小盾构隧道上浮。但凹凸榫的采用导致管片间剪切破损现象增加，如图2所示。

2.3 盾构姿态纠偏和千斤顶压力分布

周边地质条件和衬砌结构是盾构隧道上浮变形的基础，而盾构隧道千斤顶压力分布不均是引起盾构隧道上浮的直接原因。导致盾构隧道所受千斤顶压力分布不均的因素包括隧道线形、掘进纠偏等。盾构隧道曲线掘进和上、下坡掘进均会导致盾构隧道管片所受千斤顶压力分布不均，进而导致盾构隧道出现盾头上翘、下沉现象。盾构掘进对盾构机进行纠偏时，由于管片环所受纵向压力分布不均，也会导致一定程度的管片上浮。

2.4 盾构隧道同步注浆

盾构隧道同步注浆浆液浮力是盾构隧道衬砌结构在横向上所受的主要荷载，是导致盾构隧道管片上浮的另一直接因素。通常盾构隧道同步注浆浆液需满足一定要求，为满足在注入前的搅拌、运输等操作，要求浆液注入地层前具有良好的流动性，同时为满足浆液快速填充地层、固定管片位置等要求，要求浆液在注入地层后迅速凝固。由于盾构掘进速度影响管片脱出盾尾的速度，进而影响浆液在地层中的凝结时间，当盾构掘进速度加快，管片盾尾间隙浆液扩散速度提高，未凝固浆液在盾尾间隙中的长度增加，将导致盾构隧道管片上浮量增加。因此盾构隧道同步注浆浆液性能及盾构掘进速度控制是控制管片所受横向荷载的重要方法。

计算不同直径管片置于浆液中，所受浆液浮力。C55混凝土密度为2 400 kg/m3，浆液密度为1 765 kg/m3，管片厚度为0.4 m，对比不同直径管片所受浮力和重力如表1所示。根据表1可知，依托工程管片衬砌受浆液竖向作用力(浆液浮力与管片重力的差值)约为742.11 kN/m，而且随着管片直径的增加，管片衬砌所受竖向作用力显著增大，同步注浆浆液浮力对管片结构上浮影响显著增大。

表1 隧道外径与管片衬砌所受浮力

3 盾构隧道施工期管片变形现场测试

3.1 测试方法

通常管片上浮主要发生在与盾尾一定距离内(约10～20环内)，位于盾构机与后配套设备的连接处。该区域空间狭小，难以进行盾构隧道管片变形监测，采用百分表对管片错台进行监测是该区域管片变形监测的重要方法，并可根据管片错台量反映管片上浮过程。设备由铁质吸附基座、万向强磁基座、数显式百分表组成，安装如图3所示。

3.2 数据处理

若不考虑管片环自身变形，管片错台量即为管片环间的相对变形量(见图4)。考虑管片环错台变形沿隧道纵向具有连续性，管片出现上浮后错台量均大于0，管片错台量沿隧道纵向呈上凸形曲线；管片发生沉降时，错台量均为负值，管片错台量沿隧道纵向呈下凹形曲线。据此，可根据管片间错台变形量反映盾构隧道管片上浮及沉降变形。

3.3 测试结果分析

盾构隧道管片错台测点布置在264～265环管片之间，测点位于隧道拱顶处，观测结果如图5所示。为了进一步说明盾构掘进过程对管片上浮的影响，将盾构实际推进过程在图中进行了标注:图5中“265环”表示265环管片推进开始及推进完成的时刻，图中蓝色线表示推进开始时刻，红色线表示推进完成时刻，依此类推。

拱顶测点错台数据表明:在266环开始推进前，264环管片脱出盾尾，265环管片在盾尾内，管片环之间发生显著错台变形；在266环开始推进至268环开始推进前，相邻管片环处于相对错台量最大位置；在268环开始推进至270环推进完成，相邻管片环错台量逐渐减小；在270环推进完成后，管片环相邻错台量基本保持不变，即270环推进完成后，管片环错台量已趋于稳定状态。

根据测试原理，结合拱顶测点数据，拱顶测点相对错台量变化曲线呈上凸形，表明拱顶测点主要发生上浮变形。根据盾构推进期间和拼装期间管片错台量发展过程，在266环管片推进前，即相邻管片环一侧管片位于盾尾内、一侧管片完全脱出盾尾，脱出盾尾管片其上浮量梯度达到最大，管片脱出盾尾时发生显著上浮变形；266～270环管片推进过程中，管片错台量均出现减小趋势，而在管片拼装期间，管片错台量变化相对较小，即管片脱出盾尾后，管片上浮主要发生在管片推进阶段。

4 盾构隧道施工期管片上浮控制技术

盾构隧道施工期管片上浮需从地质、隧道支护结构、隧道掘进参数等多个方面综合进行控制，由此保证盾构隧道施工期上浮量在合理范围内。

4.1 隧道上覆土厚度及土体特性改善

盾构隧道施工前，需对盾构隧道上覆土厚度进行复核计算，确定覆土厚度是否能够满足盾构隧道管片抗浮需求。若上覆土不能为盾构隧道提供足够的抗浮力，需对上覆土性能进行改善，通过地表注浆可提高盾构隧道上覆土力学性能。曾学艺等[11]报道了长沙南湖路湘江隧道抗浮技术，该隧道修建在河漫滩粉细砂地层，在盾构隧道修建前，通过地表旋喷注浆对地层进行了注浆加固，有效提高了盾构隧道上覆地层的强度，并降低了地层的渗透性。工程实践表明，盾构隧道施工期间管片仅发生3～5 mm的沉降(见图6)。

4.2 盾构隧道同步注浆浆液材料

盾构隧道同步注浆材料对盾尾间隙的填充效果将影响盾构隧道上浮过程。同步注浆材料强度和凝结速度是影响盾构隧道上浮的重要因素。在南湖路隧道施工过程中，通过优化浆液配比，提高膨润土、减水剂在浆液中的占比，以此来缩短浆液初凝时间并提高初凝强度，从而保证浆液对盾尾间隙的填充效果，有效降低了盾构隧道上浮量。

4.3 盾构隧道掘进速度

盾构隧道掘进速度可影响浆液在盾尾间隙中的填充范围，降低盾构机推进速度可减小盾尾间隙的浆液范围。赵光[12]介绍了温州某铁路过江隧道的施工经验，在管片易发生上浮段落，将每天掘进速度控制在4环左右，保证浆液在盾尾间隙中的凝结效果，以降低管片上浮变形。

4.4 管片螺栓及时复紧

管片接头是盾构隧道衬砌结构的薄弱环节，在盾构隧道施工过程中，通过及时对管片间螺栓进行复紧，可以提高管片间的连接强度，增强盾构隧道纵向抗变形能力。

4.5 隧道内堆放重物

盾构隧道自重是隧道抗浮的关键因素，因此可以在盾构隧道布置重物来提高盾构隧道的自重，浆液凝固后周边地层浮力作用减弱，可降低盾构隧道的上浮量。但由于该方法会增加盾构隧道施工步骤，影响盾构掘进速度，因此在盾构施工期间应用较少。

5 结论

本文通过对管片错台过程进行现场实测，揭示了盾构隧道施工期管片上浮特征，总结了盾构隧道施工期管片上浮计算方法以及控制方法。

(1)分析了盾构隧道施工期，隧道周边水文、地质条件，隧道线形和结构，盾构机姿态和千斤顶压力分布特征，盾构隧道同步注浆施工期管片上浮的影响，其中水文、地质条件和隧道线形与结构是盾构隧道施工期管片上浮的结构基础，而千斤顶推力和同步注浆浮力是管片上浮的主要驱动力。

(2)研发了盾构隧道施工期管片错台监测设备，设备由铁质吸附基座、万向强磁基座、数显式百分表组成，可实现对盾构隧道管片错台的连续监测。

(3)提出了盾构隧道施工期管片错台和管片上浮变形之间的关系。实测结果表明，管片在脱出盾尾时发生显著上浮变形，管片上浮主要发生在盾构推进阶段，管片拼装阶段上浮变形不显著。