盾构隧道管片上浮的机制研究

张　君，赵　林，周佳媚，刘　欢，张　迁

(1.中铁建大桥工程局集团有限公司，天津　300300；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都　610031)



盾构隧道管片上浮的机制研究

张君1，赵林1，周佳媚2，刘欢2，张迁2

(1.中铁建大桥工程局集团有限公司，天津300300；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都610031)

盾构法施工时难以避免地会对隧道周围地层造成扰动，引起地表位移，对盾尾间隙的充填可以有效地控制盾尾地表沉降。但在盾构掘进、盾尾间隙注浆施工中，隧道管片局部或整体上浮现象也时有发生。对管片结构在施工过程中受力状态进行分析，将管片的上浮归为四大类，即管片封闭成环的上浮、盾构掘进顶推时的上浮、脱出盾尾后管片的上浮、浆液初凝后管片的上浮。并提出管片脱出盾尾后至浆液初凝前的上浮计算方法，此外针对盾构施工期间管片的上浮，提出了管片上浮的控制措施。研究成果可为盾构隧道管片抗浮设计及施工提供一定的技术依据。

盾构隧道；管片上浮；力学分析；控制措施

1　概述

随着社会经济不断发展，为满足日益增长的城市交通需求，城市地铁隧道及地下工程的建设正迎来高速发展期。盾构法施工具有地面影响小、机械化程度高、安全性好、劳动强度低、进度快等优点，在我国城市地铁、水下隧道的施工中得到广泛的应用[1]。盾构法施工时难以避免地会对隧道周围地层造成扰动，引起地表位移，对盾尾间隙的充填可以有效地控制盾尾地表沉降的，然而在盾构顶推掘进、盾尾间隙注浆施工中，隧道管片局部或整体上浮也时有发生，主要表现在管片错台、张开、裂缝、破损，乃至轴线偏位等现象，对管片防水和耐久性产生不利影响[2-3]。因此，有必要对盾构隧道管片上浮影响因素进行研究，为解决上述问题，本文对管片的上浮原因进行相应的划分，并提出管片脱出盾尾后至浆液初凝前的上浮计算方法和管片抗浮的针对性措施，为盾构隧道的抗浮设计及施工提供依据。

2　管片上浮原因探讨

隧道管片上浮的影响因素主要包括管片所处的地质条件、注浆浮力、施工扰动、建筑间隙、盾构姿态等[4]。本章节对管片结构在盾构施工中的受力状态进行全阶段分析，并对隧道管片的上浮进行了相应的划分。

2.1管片封闭成环受力状态

盾构机掘进开挖土方导致地层卸载，掘进开挖的同时其自重又反作用于地层，但开挖土体的重力大于盾构机的重力，故在地层应力重分布的影响下，盾构机会表现为上浮的现象。由于这种上浮现象是一种平均效果，盾构机重力在隧道轴线方向上分布不均，则盾尾相对于较重的刀盘会表现出上扬，进而支配并带动管片上浮[5-6]。

2.2盾构掘进顶推时管片受力状态

在盾构掘进施工中，管片可能受千斤顶的偏心荷载作用，使隧道管片在轴线方向上发生的弯曲变形，如图1所示。此外，当使用泥水盾构机掘进时，其较大的切口水压也可能引起盾尾上扬，进而导致附近管片上浮[7-8]。

图1　管片受偏心荷载作用时的弯曲变形

2.3管片脱出盾尾受力状态

2.3.1软土地层

盾构隧道处于软土地层中时，由于软土流变性较大，盾尾脱离管片后，隧道管片上方软土应力释放，在自身重力作用下会向开挖洞室内侧移动以至填充盾构间隙的上端区域。此外在隧道轴线方向上，脱出盾尾管片的一侧受已凝固浆液管片的约束，另一侧则受盾尾的约束。所以在软土地层中，隧道的盾尾间隙不会被完全填充，而是在一定范围内存在，如图2、图3所示。

此时若Ff>G+W，即管片与上覆土重力之和小于浮力时，管片有上浮趋势。

图2　软土地层中管片脱出盾尾后的盾尾间隙

图3　管片受力示意

2.3.2硬质土层

盾构隧道处于硬质地层中时，由于管片衬砌不受围岩压力的作用，管片脱离盾尾后，其盾尾间隙可能在一定时间内完整存在，如图4所示。

图4　硬质土层中管片脱出盾尾后的盾尾间隙

此时若Ff>G，即管片重力小于浮力时，管片有上浮趋势。

2.4浆液初凝后管片的受力状态

浆液初凝后，管片、注浆材料、地层相互作用，管片上下产生压力差，应力重分布。这与土层特性、管片尺寸、覆土深度、注浆材料厚度等因素有关，这部分所引起的“二次上浮”不在本文讨论的范围之内，可以采用相应的数值模拟计算解决。

3　管片上浮计算模型

在理论计算中，仅考虑管片脱出盾尾的受力状态，且认为管片上浮时间较长且上浮速率很小，可假定管片在上浮过程中处于一个平衡状态[9]，并认为管片为刚体，只分析管片竖直方向上的刚体位移，管片上浮受力如图5所示。本章节以下篇幅分别就上浮力、环向阻力、黏滞阻力、管片自重及覆土荷载的理论计算方法做详细的分析，并依此提出管片上浮的计算公式。

图5　管片上浮受力示意

假定管片处于平衡状态，可得

(1)

(2)

式中,Ff为浮力；fn为黏滞阻力；fh为环间摩擦阻力；W为覆土荷载。

3.1上浮力的计算

对于管片受到的浮力，叶飞[10]认为管片所受到的上浮力由浆液或地下水包裹产生的静态上浮力以及注浆压力引起的动态上浮力两部分组成。

静态上浮力计算中不考虑地下水的影响时，所取液体容重为水泥浆容重；考虑地下水作用时，由于地下水对浆液的稀释作用，液体容重取二者的平均容重。

则静态上浮力

(3)

式中,b为管片环宽；R0为管片外径；γj为液体容重。

对于管片所受的动态上浮力，在不同的土层条件和注浆参数条件下，动态上浮力的计算结果差异较大。所以在具体工程动态上浮力的计算过程中，应依据隧道管片周围的土层条件及注浆参数来确定浆液的扩散模式。

当浆液扩散方式为压密注浆时，水泥浆液集聚于管片环底部，如图6所示。则由注浆压力所提供的动态上浮力为

图6　压密注浆下浆液压力分布

(4)

(5)

式中,p为注浆压力；θ为X轴与浆液分布区边界所成的夹角。

3.2环间阻力的计算

考虑到螺栓与螺栓孔壁间尺寸的偏差，所以相应的抗浮计算应按两阶段进行分析，即环面摩擦阶段及螺栓抗剪阶段。本文为求管片的最大上浮量，故不考虑螺栓的抗剪，仅计算由螺栓预紧力与千斤顶推力所提供的环间摩擦阻力。

环间摩擦阻力[11]

(6)

式中,μ为环间摩擦系数；Ni为单个纵向螺栓的预紧力；Nj为千斤顶推力传递到计算环面上的残余压力。

3.3黏滞阻力的计算

假定水泥浆液为牛顿流体，满足牛顿内摩擦定律，盾尾间隙相对于管片很小，因此其浆液的流速可视为直线分布，如图7所示。

(7)

切向速度vq与管片上浮速度v满足以下关系式

(8)

管片上浮所受黏滞阻力为

(9)

牛顿流体黏度时变性规律可表示为

(10)

式中，vq为速度；δ为盾尾间隙；μt为浆液黏度；k1，k2为水泥浆液粘度时变性的参数。

图7　黏滞阻力计算示意

3.4管片自重与覆土荷载的计算

管片自重

(11)

式中：γc为管片容重；R1为衬砌管片的内径；h为覆土厚度。

隧道管片上方覆土全荷载为

(12)

式中：γ′为隧道管片上覆土的加权平均重度。

考虑到土体具有流变性质，盾尾脱离管片后，隧道上方的覆土荷载不是以全荷载的形式直接作用在管片上。管片所受的覆土荷载会随时间的变化而发生相应的改变。故假定管片开始上浮到管片上浮终止的时间段内，覆土荷载与时间呈线性关系。

(13)

式中，Kt土压力系数；t为施工期间上浮终止时间。

3.5管片上浮计算

现将式(6)、式(9)～式(10)、式(13)代入式(2)中得

(14)

对式(14)采用分离变量法积分可得

(15)

引入边界条件：t=0，s=0，求得常系数c为

(16)

故管片上浮量为

(17)

4　工程实例分析

4.1基本参数

以成都地铁为例，其隧道内径为5.4 m，外径为6 m，环宽1.5 m，盾尾间隙取10 cm。管片容重25 kN/m3，浆液容重12.5 kN/m3，注浆压力0.25 MPa，埋深15 m，环间摩擦系数取0.3，螺栓预紧力100 kN，环面上残余顶推力6 500 kN，每环纵向螺栓10根，浆液水灰比为0.9，其黏度时变性系数k1为9 MPa·s、k2为0.02 min，t=60 h，其余土层参数见表1。

表1　土层参数

4.2管片上浮量影响因素探讨

在管片上浮量理论推导中得到了管片脱出盾尾后至浆液初凝前管片上浮量与上浮时间、隧道埋深、管片所受静态上浮力、注浆压力、浆液水灰比、土压力系数、盾构间隙等因素的关系。本节仅分析不同的土压力系数及浆液水灰比因素对管片上浮量大小的影响规律。

4.2.1土压力系数Kt

依据表1所给各项参数及土性指标，可算出土压力系数最大值为14 N/s，为研究土压力系数与管片上浮量的影响关系，分别取土压力系数Kt为0、8、14 N/s共3种工况分别进行计算。可绘出不同土压力系数Kt下，管片上浮量随时间的变化曲线，如图8所示。

图8　不同Kt下管片上浮量与时间关系

从图8中可以看出，管片的上浮量随时间的增长而逐渐增大，最终趋于稳定。但在Kt=14时，管片的上浮量随时间的变化曲线表现出先增大后减小，最后趋于平稳的现象。这是因为在管片上浮计算模型中未考虑隧道拱底地基反力的影响。

教学评价是指依据一定的客观标准，对教学活动及其结果进行测量、分析和评定的过程。教学评价的功能主要表现在：诊断教学问题、提供反馈信息、调控教学方向、检验教学效果。广义的教学评价包括对教师教学工作的评价和对学生学习结果的评价。本文中笔者讨论的教学评价，是指对学生学习结果的评价。

在Kt=0时，即隧道管片处于硬质顶层中，盾构顶推掘进及盾尾脱出管片后，盾尾间隙完整存在，此时无上覆土所施加的作用力。注浆后，隧道不受上覆土的限制，管片位移会比软质土中的位移大，所以对硬质含水地层，通过控制注浆材料的凝结时间，可以有效的抑制管片上浮。

4.2.2水灰比

在Kt=8 N/s，其他参数不变的情况下，分别取水灰比为0.8、0.9、1.0共3种工况分别进行计算。不同水灰比下黏度时变性参数见表2。

表2　不同水灰比下黏度时变性参数

依据表2所给各项参数及土性指标，可绘出不同水灰比下管片上浮与时间的变化曲线，如图9所示。

图9　不同水灰比下管片上浮量与时间关系

从图9可以看出，管片的上浮量随着水灰比的增大而增大。这是因为随着水灰比的降低，水泥的相对掺量增大，浆液黏度也随之增大、浆液的初凝时间缩短，管片上浮得到很好的抑制。

此外，在不同水灰比的情况下上浮量最大值所对应的时间点大致相近。

5　依托成都地铁的管片上浮控制

本文在前面的论述中已对盾构隧道管片上浮原因进行了详细的分析，并以此提出管片脱出盾尾后至浆液初凝前的上浮量的计算。本节依据上述理论分析及计算成果，以期提出管片上浮的控制方法。

由成都地铁7号线“神仙树站—火车南站”工程实践可知，区间右线段(YDK21+600～YDK21+755)通过控制盾构姿态，且选用双液注浆材料、0.2 MPa的注浆压力后，管片上浮量的大小得到有效的抑制。

5.1控制盾构机姿态

盾构机在掘进顶推过程中不是沿着理想的隧道轴线运动的，而是有一定的允许偏差，当偏差过大时，需要调整各分区千斤顶油缸的推力来进行纠偏，但是纠偏会造成管片的环面受力不均，此时被顶推的管片有向下或者向上运动的趋势，其向上运动的趋势会造成管片的上浮。所以在盾构掘进顶推过程中应尽可能好地调整盾构机的姿态，以防管片错台现象发生。

当盾构机在土质较好的下坡段掘进，并通过现场实测得知已脱出盾尾管片上浮量过大时，可以通过控制盾构机的姿态，使盾构机保持“仰头”(一般规定俯仰角≤±0.29°)掘进的方式[12]，以此来减小管片的上浮。

此外发现盾构姿态偏差时应逐步纠正，以免过急地纠偏导致管片环面受力不均[13]。

5.2注浆材料的选择

众所周知，衬砌背后注浆可以有效控制地层变形、使管片受力均匀、增强隧道的抗渗性。注浆材料在填充了盾尾间隙的同时，管片也随之会产生上浮力。所以注浆是一场与隧道位移变形的时间竞赛，只有保证注浆的充填性、凝固强度和限定范围(防止流失)的有机结合，才能达到其既定目的[14]。

本文在4.2.2节中分析了注浆材料水灰比对管片上浮量的影响，并得出水灰比较小的注浆材料，管片上浮量得到相应的抑制的结论。所以在盾构壁后注浆材料的选择上可以选用初凝时间短的双液瞬凝性浆液，但双液浆在同步注浆过程中易发生堵管的现象。但配备与双液瞬凝性浆液能相对应的注浆系统也是解决办法之一。

5.3注浆压力

注浆压力会对管片产生动态上浮力，其对整环管片合力方向可能向上、也可能向下。对单块管片而言，盲目增大注浆压力，虽能保证填充效果，但与此同时也会使管片承受过大的浆液压力而发生错台的现象。目前，在盾构壁后注浆施工中注浆压力的取值通常为地层阻力加上0.1～0.2 MPa的富余量[15]。

6　结　语

(1)本文通过对管片结构在施工阶段上浮全过程中进行分析，将管片的上浮归为四大类，即管片封闭成环的上浮、盾构掘进顶推时的上浮、脱出盾尾后管片的上浮、浆液初凝后管片的上浮。并对管片脱出盾尾后至浆液初凝前管片的受力状态进行分析，提出管片的上浮量的计算方法，得出管片的上浮量随时间的增长而逐渐增大，最终趋于稳定的结论。

(2)管片的上浮量随着水灰比的增大而增大。对软弱地层而言，隧道上有覆土层的作用，其上浮量较硬质地层小，所以对硬质含水地层，控制注浆材料的凝结时间，选择水灰比较小的双液浆，可以有效地抑制管片上浮。

(3)抗浮计算未考虑纵向连接螺栓的约束作用，理论计算得到的结果相对于实际管片上浮有所偏差。

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Research on Upward Moving Mechanism for Segment of Shield Tunnel

ZHANG Jun1，ZHAO Lin1，ZHOU Jia-mei2，LIU Huan2，ZHANG Qian2

(1.China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China; 2.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

During the process of shield tunneling，it is inevitable to disturb the surrounding stratum and cause surface displacement.The key to control surface subsidence is to effectively fill the gap of the shield tail.But the lining segment is prone to partial or wholly upward moving in shield driving and shield tail gap grouting.In this paper，the upward moving of segment structure is classified into four categories in terms of stress state in the construction process，including the upward moving when the segment is closed to form a ring，the upward moving when shield is advancing，the upward when segment is off the shield tail and the upward moving after grout is initially set.And the calculation method for segment upward moving is proposed from the time when segment is off the shield tail to the time when grout is initially set.In addition，measures to control upward moving of segment are put forward.The research results may provide technical

against segment upward moving in design and construction of shield tunnel.

Shield tunnel; Segment upward moving; Mechanical analysis; Control measures

2016-01-27；

2016-04-13

中铁建大桥工程局科研委托项目(2015H01374)

张君(1982—)，男，工程师，2005年于西南交通大学机械自动化专业，工学学士，主要从事桥隧建设管理工作，E-mail：cheung-cdmetro@163.com。

刘欢(1991—)，男，硕士研究生，E-mail:xnjdlhlh@163.com。

1004-2954(2016)10-0088-06

U455.43

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.020