張子龍

（中鐵八局集團(tuán)有限公司城通公司，四川 成都 610036）

1 工程概況

成都地鐵1號(hào)線3期武漢路站～寧波路站區(qū)間，區(qū)間隧道始于武漢路站南端，止于寧波路北端。區(qū)間右線隧道長(zhǎng)度為985.847m，左線隧道長(zhǎng)度為989.381m（長(zhǎng)鏈3.534m），區(qū)間隧道總長(zhǎng)1.975km。區(qū)間埋深7～24m，平面最小曲線半徑R=450m，線路垂直坡度為2‰～28‰，隧道中心線間距為13.5～15m。本文分析了武寧區(qū)間左線320環(huán)至351環(huán)對(duì)應(yīng)掘進(jìn)里程段為ZDK33+412.863至ZDK33+459.338，該段里程穿越地層為富水中風(fēng)化砂巖，地層較為穩(wěn)定。平面曲線位于緩和曲線段，豎曲線位于5‰坡度的上坡段。

2 盾構(gòu)姿態(tài)與管片姿態(tài)分析

盾構(gòu)始發(fā)后多次發(fā)生管片上浮導(dǎo)致成型管片姿態(tài)超限的情況，為了尋找管片上浮規(guī)律和控制措施，選擇320環(huán)至353環(huán)區(qū)段的盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)、管片在盾尾內(nèi)的姿態(tài)和管片脫出盾尾后的姿態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析比對(duì)。

武寧左線320環(huán)至353環(huán)管片姿態(tài)統(tǒng)計(jì)：

根據(jù)盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)和管片姿態(tài)測(cè)量記錄數(shù)據(jù)，通過將首次測(cè)量出的在盾尾內(nèi)的兩環(huán)的管片姿態(tài)和該兩環(huán)管片脫出盾尾后的管片姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，管片在盾尾內(nèi)管片姿態(tài)比盾構(gòu)垂直姿態(tài)高2cm左右，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)盾尾間隙上部比下部小2～3cm，管片在盾尾內(nèi)管片姿態(tài)與盾尾盾構(gòu)姿態(tài)趨勢(shì)擬合，但在脫出盾尾后管片立即出現(xiàn)較大上浮情況，掘進(jìn)盾尾姿態(tài)差距較大。

圖1 管片脫出盾尾后上浮量分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，管片在脫出盾尾后上浮量最大值為40mm，最小值為12mm，管片在脫出盾尾后上浮平均值為25mm。管片在脫出盾尾后立即發(fā)生上浮，最終成形管片垂直姿態(tài)對(duì)比盾構(gòu)姿態(tài)偏差量最大達(dá)到99mm，平均值為71mm，平均偏差值到達(dá)7cm，導(dǎo)致管片垂直姿態(tài)超規(guī)范要求，同時(shí)，引發(fā)管片錯(cuò)臺(tái)或破損等嚴(yán)重后果。

3 管片上浮受力分析

3.1 管片的上浮空間條件

區(qū)間選用的盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)刀盤開挖直徑為6280mm，中盾直徑為6250mm，設(shè)計(jì)盾尾外徑為6230mm，整體呈“梭形”。管片直徑為6000mm，在盾尾內(nèi)管片若與盾構(gòu)機(jī)垂直軸線同心，理論盾尾間隙應(yīng)均為65mm，而實(shí)際施工過程中，由于管片上浮等原因，通常上部間隙比下部間隙小2～3cm。管片脫出盾尾后，因中風(fēng)化砂巖有較好的自穩(wěn)性，掘進(jìn)開挖后輪廓穩(wěn)定，管片與圍巖的理論上部間隙為140-20=120mm，下部間隙為140+20mm=160mm，一方面管片下部間隙使得管片包裹在地下水和未凝固的漿液中，會(huì)受到上浮浮力，另一方面上部間隙為管片上浮提供空間。

3.2 盾構(gòu)在砂巖地層中掘進(jìn)受影響

盾構(gòu)機(jī)在富水中風(fēng)化砂巖地層中掘進(jìn)，隧道成型后穩(wěn)定性好，與盾構(gòu)機(jī)之間形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的圓環(huán)空腔，同步注漿漿液未凝固的情況下管片始終處于浮動(dòng)狀態(tài)，可在外力作用下發(fā)生位移，甚至可以直接與開挖輪廓范圍相接，造成管片的滾動(dòng)、浮動(dòng)及錯(cuò)臺(tái)破損，同時(shí)，由于管片上浮導(dǎo)致管片與上部盾尾接觸，上部盾尾刷在掘進(jìn)過程中受到管片擠壓，導(dǎo)致上部盾尾刷磨損破壞，可能造成上部漏漿甚至突涌。

3.3 盾構(gòu)受地下水浮力影響

在二次注漿施工時(shí)，對(duì)管片上部進(jìn)行開孔發(fā)現(xiàn)管片后方同步漿液被地下水和空氣稀釋或排擠，未能有效填充管片背后空隙。原因在于管片脫離盾尾后，同步注漿漿液由于自重將會(huì)由管片兩側(cè)向下流，造成上部注漿不飽滿，極易形成上部空隙，管片受到地下水或未凝固同步漿液包裹產(chǎn)生浮力。通過查閱相關(guān)論文資料，建立管片受同步注漿漿液影響的理論范圍模型，管片在地層內(nèi)受力簡(jiǎn)化模型如圖2。

圖2 盾構(gòu)成型管片與開挖隧道輪廓空間受力簡(jiǎn)化模型

根據(jù)浮力公式進(jìn)行簡(jiǎn)化理論計(jì)算，假設(shè)管片浮力均由水提供，則地下水提供的浮力為415kN，而管片自重20t，其自身重力為196kN，浮力大于管片自身重力，管片在單純地下水作用下遵循阿基米德原理，是引起管片上浮甚至造成錯(cuò)臺(tái)破損的主要原因。

3.4 管片襯砌結(jié)構(gòu)受同步注漿漿液受力模型檢算

在實(shí)際施工過程中，管片并不存在單純受地下水浮力作用情況，管片受力主要受同步注漿漿液影響，為了進(jìn)一步地分析同步注漿漿液對(duì)管片的作用力影響，建立盾構(gòu)掘進(jìn)過程中同步注漿的壓力和漿液自身浮力對(duì)管片的作用力模型，管片按照襯砌采用solid65單元，圍巖采用土彈簧combin39模擬，單環(huán)模型為均值模型，計(jì)算參數(shù)采用剛度折減法，計(jì)算漿液對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)的作用力影響。

圖3 襯砌計(jì)算模型

3.4.1 參數(shù)選取

（1）圍巖。圍巖物理力學(xué)參數(shù)采用地勘資料提供的物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)于地勘資料未提供的相應(yīng)參數(shù)按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中選取，具體見表1。

表1

（2）管片襯砌。襯砌采用C50混凝土，受力主筋為HRB400，襯砌力學(xué)參數(shù)依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》選擇，具體計(jì)算參數(shù)見表2。

表2

（3）漿液參數(shù)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定，同步注漿漿液重度1900kg/m3，注漿初始?jí)毫ξ?.02MPa，在注漿口位置壓力衰減取值幅度在16%～25%。

3.4.2 受力計(jì)算分析

本計(jì)算模型將管片分為單元受力，在漿液作用下，管片接口之間將受到來自同步注漿漿液的浮力，本模型未考慮管片螺栓的所受剪力，襯砌之間接觸單元通過設(shè)置接觸系數(shù)表示，則管片接口位置承受的剪力則可視為管片需抵抗地層范圍內(nèi)漿液浮力。模型受力分析如圖4。

圖4 襯砌受力主應(yīng)力

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，管片承受最大應(yīng)力位置位于設(shè)計(jì)同步注漿拱頂部位和底部，管片除受向內(nèi)收斂應(yīng)力外，主要受力為底部向上作用力。

圖5 接頭位置接觸面應(yīng)力分析

由圖5可知，接觸面位置所受剪應(yīng)力為82594Pa，剪力為443.46kN，受力位置位于管片上方，可以視為管片受到浮力等效為管片抵抗向上浮力而所受的剪力，該作用力遠(yuǎn)大于管片自身重力，并且集中于管片環(huán)間接觸面，因此是造成管片上浮和錯(cuò)臺(tái)的最主要原因。

3.5 其他因素

包括管片受力不均，尤其是上下油缸壓力差距過大導(dǎo)致管片受到垂直方向的分力引起管片垂直位移；管片螺栓未及時(shí)復(fù)緊導(dǎo)致管片脫出盾尾后缺少整體約束造成嚴(yán)重上?。欢巫{封水環(huán)控制措施不到位，未能加速漿液凝固并隔斷地下水來源，管片后方始終受浮力影響。

4 控制措施

通過計(jì)算分析可知，管片上浮最主要的原因在于同步注漿漿液對(duì)管片造成的浮力影響，因此，對(duì)于管片上浮控制而言，最關(guān)鍵的控制措施為通過注漿壓力、配合比等調(diào)整，增強(qiáng)同步注漿漿液的填充效果，縮短初凝時(shí)間，使得漿液作為膠體材料增強(qiáng)漿液對(duì)管片的抓結(jié)固定力，再配合二次注漿及掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整等輔助措施，實(shí)現(xiàn)管片上浮的有效控制，主要總結(jié)以下控制措施。

（1）掘進(jìn)過程中控制油缸推力差，盡量控制油壓差在5MPa范圍內(nèi)，同步注漿注漿量保持在5～5.5m3，上部注漿壓力控制在不超過3bar(一般情況保持在2.0～2.5bar)，注漿量為總量5m3的70%；下部注漿壓力控制在1～1.5bar，注漿量為總量5m3的30%。

（2）每次掘進(jìn)前，對(duì)管片進(jìn)行開孔放氣后，再進(jìn)行同步注漿的注入，且保證注漿速度與掘進(jìn)速度相匹配；試驗(yàn)室對(duì)同步注漿和二次注漿配合比進(jìn)行檢查，增加同步注漿的砂和水泥用量，減少膨潤(rùn)土和粉煤灰含量，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)際施工驗(yàn)證，將水泥用量由180kg/m3增加至在220～240kg/m3,砂用量由650kg/m3增加至900kg/m3，膨潤(rùn)土用量由80kg/m3調(diào)整至65kg/m3,粉煤灰用量由300kg/m3調(diào)整至280kg/m3，將同步注漿凝固時(shí)間控制在4～4.5h。

（3）在管片脫出盾尾根據(jù)管片姿態(tài)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行二次雙液漿補(bǔ)注漿，注漿壓力控制在4bar以下(一般保持在2.5～3.0bar)。一般在拖出盾尾的管片上方1點(diǎn)、10點(diǎn)點(diǎn)位進(jìn)行二次注漿，控制管片上浮。

（4）每隔五環(huán)通過二次注漿注封水環(huán)，封水環(huán)為在管片除封頂塊位置吊裝孔進(jìn)行開孔二次注漿，注漿為雙液漿，配合比為水泥：水玻璃=1:1，注漿壓力控制在4bar以下。

（5）盾構(gòu)司機(jī)掘進(jìn)時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行勤糾緩糾的原則，糾偏過程中需保證盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)與設(shè)計(jì)軸線趨勢(shì)相符合，盾構(gòu)機(jī)必須處于曲線內(nèi)側(cè)掘進(jìn)，右側(cè)油缸行程比左側(cè)油缸行程大，行程差控制在60mm以內(nèi)（60mm為預(yù)警值），垂直姿態(tài)前點(diǎn)和后點(diǎn)均控制在-40～-45。

（6）盾構(gòu)司機(jī)根據(jù)刀盤扭矩將泡沫流入量控制在200～250L/min，保證刀盤扭矩小于3000kN·m的前提下減少土倉內(nèi)空氣量的加入，減少管片周圍空氣量，減少上浮。

（7）測(cè)量轉(zhuǎn)站時(shí)，必須復(fù)測(cè)測(cè)站點(diǎn)及后視點(diǎn)的坐標(biāo)，坐標(biāo)變化必須控制在15mm以內(nèi)（15mm為預(yù)警值），超過15mm必須對(duì)盾體姿態(tài)進(jìn)行重新測(cè)量并修訂更新。

（8）測(cè)量組必須根據(jù)要求在10環(huán)內(nèi)進(jìn)行管片姿態(tài)測(cè)量，并且保證20環(huán)的搭接，測(cè)量數(shù)據(jù)必須保證真實(shí)性，及時(shí)和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溝通。

（9）嚴(yán)格執(zhí)行螺栓三次復(fù)緊，拼裝完成時(shí)進(jìn)行首次復(fù)緊,管理行程達(dá)到800mm時(shí)進(jìn)行第二次復(fù)緊，管理行程達(dá)到1200mm時(shí)進(jìn)行第三次緊固。并根據(jù)實(shí)際情況在管片脫出盾尾時(shí)進(jìn)行復(fù)緊，增強(qiáng)管片的整體性，通過螺栓的抗剪作用力減小管片上浮趨勢(shì)。

5 結(jié)語

盾構(gòu)在中風(fēng)化富水砂巖地層掘進(jìn)管片平均上浮量可達(dá)到7cm左右，極有可能導(dǎo)致成型管片的高程超規(guī)范要求并引發(fā)錯(cuò)臺(tái)、漏水等成型隧道質(zhì)量問題，是富水砂巖及其他硬巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)的管控重點(diǎn)。管片上浮影響因素眾多，控制相對(duì)困難，在盾構(gòu)施工中，主要通過縮短同步注漿漿液凝結(jié)時(shí)間和二次注漿形成封水環(huán)等措施進(jìn)行控制。本論文通過分析制定措施對(duì)管片上浮進(jìn)行控制，在后期區(qū)間掘進(jìn)過程中管片上浮平均值控制在2cm以內(nèi)，并且整體成型質(zhì)量得到有效提高，管片錯(cuò)臺(tái)值控制在5mm以內(nèi)，順利完成區(qū)間隧道驗(yàn)收移交，目前已開通運(yùn)營(yíng)。