泥水盾构隧道管片上浮机理及抗浮梁作用研究

张 磊

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司 江苏南京 211899)

1 概述

近年来，在我国广州、上海和深圳等地区的城市地铁建设中，常常会遇到盾构隧道管片上浮和错台等工程问题[1－3]。

针对盾构隧道管片上浮的问题，国内外专家学者做出了诸多研究。张强[4]结合上海地铁二号线分析了盾构隧道衬砌背后注浆和推进顶力等因素造成管片上浮和错台的机理；郭李刚、杨梅等[5－6]针对全断面硬岩地层盾构管片上浮问题，提出了质量控制措施；袁文军[7]研究了上浮力作用模型及土体移动模型，推导了满足越江盾构隧道抗浮的最小覆土厚度计算式，发现在浆液上浮力作用下管片上浮引起的土体变形规律；肖明清[8]应用有限元法，针对大直径盾构隧道衬砌结构在施工过程中受力状态，对地层的物理力学性质、注浆材料性质等影响盾构衬砌环上浮的因素进行了分析；季昌[9]针对软土地层地铁隧道施工期分析了总推力反力的竖向分力、同步注浆压力、同步注浆配比、盾构及后配套台车自重等诸多因素对管片上浮的影响，并根据影响因素权重进行排序；叶俊能[10]研究了管片上浮变形发展规律及环接头变形模式，提出管片施工期上浮变形可以分为线性发展段、圆弧发展段、变形稳定段，得出管片结构形式对施工期容许上浮量影响很大的结论；王其炎[11]得出了管片上浮、管底处下卧土层回弹和管顶处上覆土层沉降随注浆压力、浆液弹性模量、土舱压力、千斤顶压力等因素变化发展的规律；叶飞[12]认为静态浮力通常不足以使隧道上浮，注浆压力才是引起盾构上浮的主要原因，进而提出了盾构隧道管片上浮的最小覆土厚度及最大注浆压力计算式；A.Bezuijen等[13－14]通过分析浆液流动过程，建立了浆液所能抵抗的隧道最大浮力与浆液屈服强度之间的关系，以及要维持隧道稳定浆液所需要的最小剪切强度。

本文依托湖南常德沅江越江隧道，分析注浆压力、泥水压力、地下水位及隧道埋深对盾构隧道管片上浮的影响，并根据现场提供的抗浮梁位置及施工参数研究其作用机理。

2 工程概况

常德沅江越江隧道全长为2 240 m，盾构段长1 680 m，下穿沅江河床为813 m。隧道位于沅江下游，隧址位置多年平均水位为29.69 m，历史最高水位为40.83 m，最低水位26.99 m，盾构隧道顶板高程为6.05～5.65 m。越江隧道下穿圆砾石地层占70%，粒径跨度较大，含部分细颗粒。盾构隧道管片内径10.3 m、外径11.3 m，厚度为0.5 m，幅宽2 m。采用通用双面楔形管片环，楔形量为48 mm。管片分块采用“5＋2＋1”模式，即5B(标准块)＋2L(邻接块)＋F(封顶块)，其中标准块和邻接块中心角49.76°，封顶块中心角15.03°。管片拼装方式为错缝拼装。每环管片纵向采用22个A级M36螺栓连接，环向采用24个A级M36螺栓连接。管片结构构造见图1。

图1 隧道管片结构分块示意

3 数值分析模型

3.1 模型构建

本文利用FLAC3D软件建立考虑盾构施工过程的沅江盾构隧道三维数值模型。一般认为数值模型边界与隧道边界的距离取其洞径的3倍以上时可不考虑模型边界效应影响，因此建模时为了消除模型的边界效应，取隧道中心与模型四周边界的距离均为50 m。在模型纵向上考虑盾构开挖及管片衬砌施作的施工过程影响取纵向距离为80 m(40环)，即计算模型的尺寸为120 m(X)×80 m(Z)×78 m(Y)。模型四周及底面采用法向位移约束条件，并考虑隧道埋深和悬河的影响，在模型上表面和模型内部单元施加相应的构造应力以模拟地层真实的自重应力场及渗流场。建立数值分析模型见图2。

图2 数值计算分析整体模型

3.2 模型相关参数

数值模型中隧道围岩采用正六面体实体单元模拟，岩体为理想弹塑性体，遵循Mohr-Coulomb屈服准则。计算模型中围岩力学参数见表1，盾壳部分力学参数见表2[15]。

表1 隧道围岩计算力学参数

表2 盾构部分结构组件力学参数

数值模拟计算步骤如下:

Step1:按照应力和位移边界条件计算地层初始应力。

Step2:一次开挖一环，每一环利用liner单元模拟盾壳施作，开挖一次计算一次，直至开挖5环将盾壳全部置于土体。

Step3:进行盾构隧道循环开挖模拟，其中每步首先模拟开挖一环管片长度，然后模拟盾壳、超挖间隙、管片衬砌、壁后间隙施工，求解当前步并判断隧道是否开挖完成。

Step4:重复第3步直到隧道模拟开挖完成。

4 数值分析结果

4.1 注浆压力

在分析注浆压力对盾构隧道管片上浮的影响时，采用均布荷载模拟注浆压力，在移除注浆压力后用等代层[15]代替凝固之后的注浆体。计算工况见表3。

表3 不同注浆压力计算工况

管片底部内侧上浮量曲线和管片顶部内侧上浮量曲线见图3。由图3可知:(1)随着注浆压力的增大，管片顶部和底部的上浮量逐渐增大，且增幅明显；(2)刚安装的管片因受到注浆压力作用，与土体之间会产生相应的压力，土体受到挤压向外扩散，下方土体因挤土作用会向上微微隆起，从而造成底部管片上浮量略增的现象；(3)管片顶部土体因注浆力的作用，坍塌量减小，对管片的挤压变小，使其相对上浮量也增大。

图3 不同注浆压力下管片上浮量

4.2 泥水压力

分析泥水压力对管片衬砌上浮的影响机理，所设工况见表4。

表4 不同泥水压力计算工况

管片底部内侧上浮量曲线和管片顶部内侧上浮量曲线见图4。由图4可知:(1)随着开挖步数的增加，即离开监测环的距离越长，管片上浮量逐渐增大至稳定，对于所设定的泥水压力，其变化规律一致；(2)随着泥水压力值增加，管片顶部和底部的上浮量都随之增加，但由于隧道开挖对隧道上部土体和下部土体扰动具有一定的差异性，故管片下部的上浮量大于管片上部的上浮量。

图4 不同泥水压力下管片上浮量

4.3 地下水位

分析地下水位对管片衬砌上浮的影响机理，所设工况见表5。

越江盾构隧道开挖过程中渗流现象不可避免，水位高低对管片上浮有一定的影响。为研究水位对管片上浮的影响，选取的水位见表5。

表5 不同地下水位计算工况

管片底部内侧上浮量曲线和管片顶部内侧上浮量曲线见图5。由图5可知:管片顶部和底部内侧的上浮量随水位的上升而增大，在盾构隧道掘进过程开挖面处的水压基本为零，而四周因存在水头差而产生渗流。渗流过程中水流会对土体产生应力作用，所以土体会产生局部上浮的趋势。

图5 不同地下水位下管片上浮量

4.4 隧道埋深

管片埋深即拱顶上方覆土厚度，在沅江隧道工程中，埋深最小5～8 m，最大约为20 m。为研究埋深对管片上浮的影响，选取埋深为7、12、17和22 m共四种工况，参数见表6。

表6 不同隧道埋深计算工况

管片底部内侧上浮量曲线和管片顶部内侧上浮量曲线见图6。由图6可知:(1)管片底部和顶部内侧上浮量随埋深的增加而减小，但顶部对埋深的敏感性小于底部对埋深的敏感性；(2)管片顶部和底部的上浮量变化规律相似，在离开监测断面大概30 m位置上浮趋于稳定。

图6 不同隧道埋深下管片上浮量

5 抗浮梁的作用机理与效果

由图7有无抗浮梁条件下管片顶部和底部位移对比可知:(1)两种情况下管片底部和顶部变化规律一致，在离开监测断面约50 m后，管片上浮趋于稳定；(2)在抗浮梁作用下，管片的顶部和底部的上浮量都明显减少，且抗浮梁对管片顶部上浮的抑制更加明显。

图7 有无抗浮梁条件下管片上浮量

图8为在开挖5、15、25步及开挖完成后，抗浮梁与抗拔桩竖向位移云图；图9为开挖完成后抗拔桩的水平位移对比曲线。由图可知:(1)隧道未穿过抗浮梁时，抗浮梁发生微小隆起，当隧道穿过抗浮梁时，由于其对隧道上浮的抑制作用，会随着管片的上浮而上浮；(2)由抗拔桩的水平位移曲线可知，当隧道穿过桩时，会对邻近的桩产生挤压力，使其产生远离隧道的位移，抗拔桩的顶部几乎不受影响，类似悬臂梁的作用；(3)由抗拔桩的竖向位移云图可知，桩随着隧道的上浮产生相应向上的位移，这是由于在隧道下穿抗浮梁时，抗浮梁会对隧道的上浮趋势产生抑制作用，反过来说隧道的上浮会使整个抗浮结构产生相应的隆起，由于隧道在穿越抗拔桩时，会对其产生挤压力，增大桩与土体的摩擦力，从而更好地抑制隧道整体的上浮趋势。

图8 抗浮梁及抗拔桩竖向位移云图

图9 开挖完成后桩水平位移对比曲线

6 结论

本文通过数值模拟的方法分析了影响管片上浮的因素，并通过建立具有相同土层有无抗浮梁模型研究了抗浮梁的作用机理和效果，得到如下结论:

(1)在越江隧道中，注浆压力、泥水压力、地下水位及隧道埋深对管片的上浮都有所影响，当注浆压力、泥水压力、地下水位越大时，管片上浮量越大，越容易发生错台、裂缝、破损，乃至轴线偏位、管段渗漏等。

(2)在开挖至具有以上特征断面应及时采取相应的抗浮措施，如及时监测盾构姿态、满足最小覆土要求、改善管片接头性能、控制注浆压力及浆液性质、合理调节泥水压力等手段抗浮。

(3)抗浮梁的施作对隧道抗浮有明显的效果。在抗浮梁和抗拔桩的联合作用下，当隧道通过此抗浮结构时，抗浮梁对其上浮起到有效抑制作用，而抗拔桩在隧道通过时会产生远离隧道的位移，增大了其与土体的竖向摩擦力，从而更好地抑制隧道在此断面的上浮量。