曲線盾構(gòu)施工期管片上浮機(jī)理及控制措施研究

張 璐

(中鐵十二局集團(tuán)有限公司 山西太原 030024)

1 引言

盾構(gòu)隧道管片上浮是導(dǎo)致盾構(gòu)隧道施工期管片裂損的重要原因，在曲線盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，該問(wèn)題尤為嚴(yán)重。錢(qián)七虎[1]指出管片上浮變形的70%發(fā)生在管片安裝后的48 h內(nèi)，是大直徑盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工主要風(fēng)險(xiǎn)源。袁威等[2]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn):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(yuǎn)堃[2]、黃忠輝等[3]、袁威等[4]也進(jìn)行了類(lèi)似測(cè)試。李明宇等[5]依托武漢地鐵7號(hào)線提出施工期管片上浮經(jīng)歷加速上浮、平緩、穩(wěn)定三個(gè)階段，管片主要在加速上浮階段發(fā)生顯著上浮。胡勇[6]通過(guò)半無(wú)限長(zhǎng)梁理論分析了盾構(gòu)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn):管片在脫出盾尾20 h內(nèi)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(wěn)定。

本文依托某小半徑曲線盾構(gòu)隧道，分析盾構(gòu)隧道管片上浮主要影響因素并進(jìn)行管片上浮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析該類(lèi)隧道管片上浮特征，總結(jié)管片上浮變形控制措施，為控制盾構(gòu)隧道管片上浮、減少施工期管片破損、提高盾構(gòu)隧道建設(shè)質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

2 盾構(gòu)隧道管片上浮機(jī)理及影響因素

盾構(gòu)隧道施工期管片上浮影響因素涉及地質(zhì)條件、隧道線形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、盾構(gòu)隧道施工工法和盾構(gòu)隧道施工過(guò)程控制等多個(gè)方面[8]，本節(jié)針對(duì)盾構(gòu)隧道施工期管片上浮各主要影響因素進(jìn)行分析。

2.1 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件是盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)和施工的基礎(chǔ)，隧道周邊地質(zhì)應(yīng)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(zhì)等軟土地層中上浮量較大，硬質(zhì)地層中管片上浮量相對(duì)較小。此外，隧道穿越地層地質(zhì)條件的變化程度也影響隧道管片的上浮量，當(dāng)隧道穿越各斷面較均勻、地質(zhì)變化幅度較小時(shí)，管片上浮量較??；而當(dāng)隧道穿越地層地質(zhì)變化幅度較大時(shí)，管片上浮量較大。針對(duì)水文、地質(zhì)條件引起的盾構(gòu)隧道管片上浮問(wèn)題，隧道上覆土厚度設(shè)計(jì)是盾構(gòu)隧道上浮控制的基礎(chǔ)[9-10]。

2.2 隧道線形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道線形受施工場(chǎng)地周邊既有建筑物以及線路指標(biāo)的影響，而隧道線形將進(jìn)一步影響盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中管片受力，如盾構(gòu)隧道沿曲線段掘進(jìn)施工時(shí)，由于不同位置千斤頂?shù)耐屏Υ嬖诓町?，隧道結(jié)構(gòu)除受縱向壓力作用外，還受到彎矩的作用，導(dǎo)致盾構(gòu)隧道發(fā)生翹曲，曲線段盾構(gòu)隧道的不均勻受力導(dǎo)致盾構(gòu)隧道上浮現(xiàn)象加劇。

盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)涉及結(jié)構(gòu)選型、管片排版。盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)可增加盾構(gòu)隧道管片間的抗剪能力，大量工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，凹凸榫接頭可有效減小盾構(gòu)隧道管片間的變形，進(jìn)而減小盾構(gòu)隧道上浮。但凹凸榫的采用導(dǎo)致管片間剪切破損現(xiàn)象增加，如圖2所示。

2.3 盾構(gòu)姿態(tài)糾偏和千斤頂壓力分布

周邊地質(zhì)條件和襯砌結(jié)構(gòu)是盾構(gòu)隧道上浮變形的基礎(chǔ)，而盾構(gòu)隧道千斤頂壓力分布不均是引起盾構(gòu)隧道上浮的直接原因。導(dǎo)致盾構(gòu)隧道所受千斤頂壓力分布不均的因素包括隧道線形、掘進(jìn)糾偏等。盾構(gòu)隧道曲線掘進(jìn)和上、下坡掘進(jìn)均會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)隧道管片所受千斤頂壓力分布不均，進(jìn)而導(dǎo)致盾構(gòu)隧道出現(xiàn)盾頭上翹、下沉現(xiàn)象。盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行糾偏時(shí)，由于管片環(huán)所受縱向壓力分布不均，也會(huì)導(dǎo)致一定程度的管片上浮。

2.4 盾構(gòu)隧道同步注漿

盾構(gòu)隧道同步注漿漿液浮力是盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在橫向上所受的主要荷載，是導(dǎo)致盾構(gòu)隧道管片上浮的另一直接因素。通常盾構(gòu)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(yùn)輸?shù)炔僮?，要求漿液注入地層前具有良好的流動(dòng)性，同時(shí)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(gòu)掘進(jìn)速度影響管片脫出盾尾的速度，進(jìn)而影響漿液在地層中的凝結(jié)時(shí)間，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)速度加快，管片盾尾間隙漿液擴(kuò)散速度提高，未凝固漿液在盾尾間隙中的長(zhǎng)度增加，將導(dǎo)致盾構(gòu)隧道管片上浮量增加。因此盾構(gòu)隧道同步注漿漿液性能及盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制是控制管片所受橫向荷載的重要方法。

計(jì)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(duì)比不同直徑管片所受浮力和重力如表1所示。根據(jù)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(duì)管片結(jié)構(gòu)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(gòu)隧道施工期管片變形現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

通常管片上浮主要發(fā)生在與盾尾一定距離內(nèi)(約10～20環(huán)內(nèi))，位于盾構(gòu)機(jī)與后配套設(shè)備的連接處。該區(qū)域空間狹小，難以進(jìn)行盾構(gòu)隧道管片變形監(jiān)測(cè)，采用百分表對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是該區(qū)域管片變形監(jiān)測(cè)的重要方法，并可根據(jù)管片錯(cuò)臺(tái)量反映管片上浮過(guò)程。設(shè)備由鐵質(zhì)吸附基座、萬(wàn)向強(qiáng)磁基座、數(shù)顯式百分表組成，安裝如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理

若不考慮管片環(huán)自身變形，管片錯(cuò)臺(tái)量即為管片環(huán)間的相對(duì)變形量(見(jiàn)圖4)。考慮管片環(huán)錯(cuò)臺(tái)變形沿隧道縱向具有連續(xù)性，管片出現(xiàn)上浮后錯(cuò)臺(tái)量均大于0，管片錯(cuò)臺(tái)量沿隧道縱向呈上凸形曲線；管片發(fā)生沉降時(shí)，錯(cuò)臺(tái)量均為負(fù)值，管片錯(cuò)臺(tái)量沿隧道縱向呈下凹形曲線。據(jù)此，可根據(jù)管片間錯(cuò)臺(tái)變形量反映盾構(gòu)隧道管片上浮及沉降變形。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)測(cè)點(diǎn)布置在264～265環(huán)管片之間，測(cè)點(diǎn)位于隧道拱頂處，觀測(cè)結(jié)果如圖5所示。為了進(jìn)一步說(shuō)明盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程對(duì)管片上浮的影響，將盾構(gòu)實(shí)際推進(jìn)過(guò)程在圖中進(jìn)行了標(biāo)注:圖5中“265環(huán)”表示265環(huán)管片推進(jìn)開(kāi)始及推進(jìn)完成的時(shí)刻，圖中藍(lán)色線表示推進(jìn)開(kāi)始時(shí)刻，紅色線表示推進(jìn)完成時(shí)刻，依此類(lèi)推。

拱頂測(cè)點(diǎn)錯(cuò)臺(tái)數(shù)據(jù)表明:在266環(huán)開(kāi)始推進(jìn)前，264環(huán)管片脫出盾尾，265環(huán)管片在盾尾內(nèi)，管片環(huán)之間發(fā)生顯著錯(cuò)臺(tái)變形；在266環(huán)開(kāi)始推進(jìn)至268環(huán)開(kāi)始推進(jìn)前，相鄰管片環(huán)處于相對(duì)錯(cuò)臺(tái)量最大位置；在268環(huán)開(kāi)始推進(jìn)至270環(huán)推進(jìn)完成，相鄰管片環(huán)錯(cuò)臺(tái)量逐漸減??；在270環(huán)推進(jìn)完成后，管片環(huán)相鄰錯(cuò)臺(tái)量基本保持不變，即270環(huán)推進(jìn)完成后，管片環(huán)錯(cuò)臺(tái)量已趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)測(cè)試原理，結(jié)合拱頂測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，拱頂測(cè)點(diǎn)相對(duì)錯(cuò)臺(tái)量變化曲線呈上凸形，表明拱頂測(cè)點(diǎn)主要發(fā)生上浮變形。根據(jù)盾構(gòu)推進(jìn)期間和拼裝期間管片錯(cuò)臺(tái)量發(fā)展過(guò)程，在266環(huán)管片推進(jìn)前，即相鄰管片環(huán)一側(cè)管片位于盾尾內(nèi)、一側(cè)管片完全脫出盾尾，脫出盾尾管片其上浮量梯度達(dá)到最大，管片脫出盾尾時(shí)發(fā)生顯著上浮變形；266～270環(huán)管片推進(jìn)過(guò)程中，管片錯(cuò)臺(tái)量均出現(xiàn)減小趨勢(shì)，而在管片拼裝期間，管片錯(cuò)臺(tái)量變化相對(duì)較小，即管片脫出盾尾后，管片上浮主要發(fā)生在管片推進(jìn)階段。

4 盾構(gòu)隧道施工期管片上浮控制技術(shù)

盾構(gòu)隧道施工期管片上浮需從地質(zhì)、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、隧道掘進(jìn)參數(shù)等多個(gè)方面綜合進(jìn)行控制，由此保證盾構(gòu)隧道施工期上浮量在合理范圍內(nèi)。

4.1 隧道上覆土厚度及土體特性改善

盾構(gòu)隧道施工前，需對(duì)盾構(gòu)隧道上覆土厚度進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，確定覆土厚度是否能夠滿足盾構(gòu)隧道管片抗浮需求。若上覆土不能為盾構(gòu)隧道提供足夠的抗浮力，需對(duì)上覆土性能進(jìn)行改善，通過(guò)地表注漿可提高盾構(gòu)隧道上覆土力學(xué)性能。曾學(xué)藝等[11]報(bào)道了長(zhǎng)沙南湖路湘江隧道抗浮技術(shù)，該隧道修建在河漫灘粉細(xì)砂地層，在盾構(gòu)隧道修建前，通過(guò)地表旋噴注漿對(duì)地層進(jìn)行了注漿加固，有效提高了盾構(gòu)隧道上覆地層的強(qiáng)度，并降低了地層的滲透性。工程實(shí)踐表明，盾構(gòu)隧道施工期間管片僅發(fā)生3～5 mm的沉降(見(jiàn)圖6)。

4.2 盾構(gòu)隧道同步注漿漿液材料

盾構(gòu)隧道同步注漿材料對(duì)盾尾間隙的填充效果將影響盾構(gòu)隧道上浮過(guò)程。同步注漿材料強(qiáng)度和凝結(jié)速度是影響盾構(gòu)隧道上浮的重要因素。在南湖路隧道施工過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化漿液配比，提高膨潤(rùn)土、減水劑在漿液中的占比，以此來(lái)縮短漿液初凝時(shí)間并提高初凝強(qiáng)度，從而保證漿液對(duì)盾尾間隙的填充效果，有效降低了盾構(gòu)隧道上浮量。

4.3 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)速度

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)速度可影響漿液在盾尾間隙中的填充范圍，降低盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)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(guò)江隧道的施工經(jīng)驗(yàn)，在管片易發(fā)生上浮段落，將每天掘進(jìn)速度控制在4環(huán)左右，保證漿液在盾尾間隙中的凝結(jié)效果，以降低管片上浮變形。

4.4 管片螺栓及時(shí)復(fù)緊

管片接頭是盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，通過(guò)及時(shí)對(duì)管片間螺栓進(jìn)行復(fù)緊，可以提高管片間的連接強(qiáng)度，增強(qiáng)盾構(gòu)隧道縱向抗變形能力。

4.5 隧道內(nèi)堆放重物

盾構(gòu)隧道自重是隧道抗浮的關(guān)鍵因素，因此可以在盾構(gòu)隧道布置重物來(lái)提高盾構(gòu)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(gòu)隧道的上浮量。但由于該方法會(huì)增加盾構(gòu)隧道施工步驟，影響盾構(gòu)掘進(jìn)速度，因此在盾構(gòu)施工期間應(yīng)用較少。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，揭示了盾構(gòu)隧道施工期管片上浮特征，總結(jié)了盾構(gòu)隧道施工期管片上浮計(jì)算方法以及控制方法。

(1)分析了盾構(gòu)隧道施工期，隧道周邊水文、地質(zhì)條件，隧道線形和結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和千斤頂壓力分布特征，盾構(gòu)隧道同步注漿施工期管片上浮的影響，其中水文、地質(zhì)條件和隧道線形與結(jié)構(gòu)是盾構(gòu)隧道施工期管片上浮的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，而千斤頂推力和同步注漿浮力是管片上浮的主要驅(qū)動(dòng)力。

(2)研發(fā)了盾構(gòu)隧道施工期管片錯(cuò)臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備，設(shè)備由鐵質(zhì)吸附基座、萬(wàn)向強(qiáng)磁基座、數(shù)顯式百分表組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

(3)提出了盾構(gòu)隧道施工期管片錯(cuò)臺(tái)和管片上浮變形之間的關(guān)系。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，管片在脫出盾尾時(shí)發(fā)生顯著上浮變形，管片上浮主要發(fā)生在盾構(gòu)推進(jìn)階段，管片拼裝階段上浮變形不顯著。