超大直径泥水平衡盾构隧道上浮施工影响因素的研究

2016-11-18谈晓亮

城市道桥与防洪 2016年7期

关键词：抗浮泥水管片

谈晓亮

（上海隧道工程有限公司，上海市 200032）

超大直径泥水平衡盾构隧道上浮施工影响因素的研究

谈晓亮

（上海隧道工程有限公司，上海市 200032）

超大直径泥水平衡盾构在浅覆土施工过程中，刚脱出盾尾的隧道管片易产生“上浮”现象。如在施工中不采取相应的措施，隧道管片的上浮不仅直接关系到工程本身的质量和安全，而且会对隧道周边环境保护造成巨大的影响。结合工程实例，对造成隧道上浮的施工因素进行详细分析，为制定抗浮措施提供了初步的依据，综合考虑外部因素和内部因素，提出具体建议，可供同类工程借鉴。

隧道上浮；同步注浆；管片

0　引言

近年来，为了缓解大城市交通压力，越江隧道起着越来越重要的作用。超大直径盾构作为越江隧道的主要施工手段，在盾构进出洞阶段的上浮问题显得尤为突出。根据上海多条大直径泥水盾构越江隧道的施工经验，管片脱出盾尾后都会出现不同程度的上浮。盾构上浮形成的环向踏步不仅影响了成型隧道质量，造成渗漏水，严重的还会对地面环境保护带来潜在的威胁。因此，有必要对超大直径盾构上浮原因进行深入分析和总结，并制定针对性的措施。本文结合某建成的大直径越江隧道工程实例对隧道上浮原因进行分析，为制定抗浮措施提供依据和方向。

1　虹梅南路隧道施工阶段盾构始发段上浮情况

上海市虹梅南路隧道是连接闵行区和奉贤区的一条大直径越江隧道，盾构段隧道全长3 391 m，先由1台14.93 m海瑞克气泥水平衡盾构从奉贤段工作井始发进行西线隧道施工，盾构到达闵行接收井后调头再完成东线隧道施工。东线隧道始发段主要位于④灰色淤泥质黏土（占60%）以及⑤灰色黏土（占40%）中，出洞顶部覆土9～10 m，如图1所示。

图1　盾构闵行始发段1～100环地质横纵剖面图

虹梅南路东线隧道始发0～100环推进过程中，隧道出现比较明显的上浮，管片之间产生一定踏步，最大处可达3 cm，但尚处于可控范围内，地面环境保护较好，没产生较大的地面沉降。抗浮措施主要是地面跟踪注浆、盾构内部压载以及调整注浆参数等。

2　隧道上浮原因分析

隧道上浮是因为成型隧道的自重及上覆土压力不足以抵抗外界对其施加的浮力，隧道所受的上浮力可以分为静态外力和动态外力。静态外力是指隧道长期被包裹在液体中而产生的浮力，主要是因注浆浆液、地下水、带压泥水等包裹产生的上浮力；动态外力是指盾构纠偏以及同步注浆压力。基于以上原因的分析发现隧道上浮受施工因素影响还是比较大的，下文将结合实际项目进行分析和研究［1］。

2.1施工环境因素

隧道上浮的外部因素主要包括施工场地内不明的地下建（构）筑物和不良的地质，如能在施工前充分将盾构施工沿线环境情况排查清楚，并结合不良现状采取预处理措施，如土层置换加固、清障等，则可以降低施工外部因素的影响。

（1）不良地质。如盾构掘进范围内覆土层存在暗浜以及质量较差的回填土，且覆盖面广、埋深大，会减小上覆土的抗力并造成隧道上浮。

（2）不明的地下构筑物。盾构上覆土内存在不明的地下空腔结构，降低了上覆土荷载，应采取清障并回填压实原状土的措施。

（3）具体实例。虹梅南路隧道东线出洞阶段在1～100环内产生了一定的隧道上浮（见图2），根据地质勘探资料发现，盾构始发范围内存在一条废弃的1 650 mm排污管道，其平行于隧道轴线正上方沿推进方向延伸；且该范围地处暗浜回填区域，经现场开挖取样发现大面积的腐殖土位于隧道正上方，厚度达1～1.5 m。以上不良环境因素如不及时处理，会加剧隧道上浮。

图2　隧道上浮地面情况环境示意图

2.2施工内在因素

相比施工外部环境因素对隧道上浮的影响，施工内在因素对隧道上浮的影响更大，动态调整施工参数对上浮可起到有效的控制。

2.2.1泥水后窜

有道是“宝贝放错了地方就是垃圾”。依我看，“能量”一旦用错了地方，就是“废品”，甚至是“危险品”。我们知道，毒品中毒有急性与慢性之分，而慢性中毒更为常见。所谓慢性中毒，是指人体脏器通过吸收毒品，积少成多，慢慢累积，以致形成侵蚀和损害，且中毒所造成的疾病状态会一直伴随。现实生活中，一些人因为不了解慢性中毒的概念和危害，麻痹大意，吸毒中毒。铁的事实表明，毒品既毒害着社会，也毒害着家庭，更毒害着身体。而像吴业平这样的干部，因为“能量”用错了地方，其造成的危害，并不亚于毒品。

由于盾构整体设计成倒锥形，刀盘存在一定的超挖量，所以盾构壳体与外界土体存在一定的间隙，如果泥水压力设定较高，宜通过该通道后穿至后方成型隧道，造成管片上浮，此时管片被包裹的介质不再是土体中的水体，而是同步浆液和泥水的混合物，比重大，导致脱出盾尾的管片所受的浮力增大。例如，目前大直径泥水平衡盾构泥水比重一般控制在1.2～1.3 kg/m3。如混合同步浆液后将达到1.5～1.6 kg/m3，相对于水的浮力增大1.5倍左右。浮力的增大最终导致管片上浮［2］。

泥水击穿盾尾（见图3）的关键因素是切口水压设定过高，这可以通过地面沉降的监测数据以及每环推进的土砂量统计发现。如发现盾构切口范围内的地面经常出现隆起，且出现连续几环土砂量统计偏少的现象，就要怀疑盾构掘进存在欠挖，这时应该及时降低切口水压的参数。否则，较高的切口水压极易使泥水通过盾壳间隙形成后窜。

图3　泥水后穿示意图

2.2.2同步注浆

在管片脱出盾尾时，管片和盾壳间会产生一定建筑间隙，需立即通过同步注浆进行填充，此时的浆液带有一定的压力。同步注浆对上浮的影响主要体现在以下几点：

（1）分布在管片周围的注浆压力达到一定程度后会对管片造成上浮。如图4所示，现以配置6根注浆管路的盾构为例，上部2根管路和下部2根管路产生的压力差构成了管片的一部分上浮力，左右两侧对称管片正好平衡掉，不参与上浮。

根据图4的受力模型可得出管片的压力差为［1］

ΔF=2（q1-q2）Rsinθ

式中：q1和q2分别为上部和下部的注浆压力；θ为注浆浆液分布区域边界与竖向的夹角。

图4　注浆量均匀时受力示意图

从上式可知，注浆压差决定了动态上浮力的大小，所以合理控制各注浆区域压力对控制上浮有利。

（2）同步浆液也起到了隔绝正面泥水后窜的作用。同步注浆不仅起到了填充建筑间隙的作用，同时，它也隔绝盾构前方后窜的泥水。同步浆液的填充和隔绝效果主要取决于浆液的质量和填充的密实度。

目前大直径泥水平衡盾构的同步浆液以惰性浆液为主，而非双液浆，这种浆液的质量主要是指其抗剪强度和初凝时间：抗剪强度的提高有利于控制后续隧道的上浮；初凝时间则决定了浆液强度形成的时间，越早建立，强度就能及时起到抗浮作用和隔绝泥水的作用。

以虹梅南路隧道为例，使用的同步浆液为惰性单液浆，浆液的组成为砂、粉煤灰、膨润土、外掺剂、石灰以及水。盾构始发阶段隧道出现了上浮，后续对浆液配比进行了调整，具体调整的浆液参数见表1。

表1　现场同步注浆浆液配合比实验（每m3）

从表1可以得出，原浆液中调整水泥参量会缩短其初凝时间，使其提前硬化和建立抗剪强度，隔绝前方的泥水。在一些特殊地段，为了满足施工需要，需适当调整浆液的配比，添加合适的外加剂来改变浆液的参数。

填充的密实度即同步浆液的压注量，根据不同的地层，注浆量须在理论压注量的基础上增加一定的充盈系数，一般为110%～150%。由于开挖卸荷，应力重新分布，土体向上产生位移，如不能及时填充建筑间隙，几种不利因素叠合在一起，势必加剧管片上浮的现象。

2.2.3盾构姿态

在盾尾间隙均匀的时候，盾尾密封刷对管片环存在一较为均匀的环向压力，一般情况下，这些荷载不会对管片结构造成影响。但是，当盾构在曲线段掘进、纠偏，或者因其他原因造成盾构长时间停止掘进（造成盾构机“磕头”发生）时，盾壳对管片造成的荷载尤其是挤压荷载就变得不可忽视，会造成脱出盾尾处的管片上浮，如图5所示［3］。