超大直徑泥水平衡盾構隧道上浮施工影響因素的研究

談曉亮

（上海隧道工程有限公司，上海市 200032）

超大直徑泥水平衡盾構隧道上浮施工影響因素的研究

談曉亮

（上海隧道工程有限公司，上海市 200032）

超大直徑泥水平衡盾構在淺覆土施工過程中，剛脫出盾尾的隧道管片易產生“上浮”現象。如在施工中不采取相應的措施，隧道管片的上浮不僅直接關系到工程本身的質量和安全，而且會對隧道周邊環境保護造成巨大的影響。結合工程實例，對造成隧道上浮的施工因素進行詳細分析，為制定抗浮措施提供了初步的依據，綜合考慮外部因素和內部因素，提出具體建議，可供同類工程借鑒。

隧道上浮；同步注漿；管片

0　引言

近年來，為了緩解大城市交通壓力，越江隧道起著越來越重要的作用。超大直徑盾構作為越江隧道的主要施工手段，在盾構進出洞階段的上浮問題顯得尤為突出。根據上海多條大直徑泥水盾構越江隧道的施工經驗，管片脫出盾尾后都會出現不同程度的上浮。盾構上浮形成的環向踏步不僅影響了成型隧道質量，造成滲漏水，嚴重的還會對地面環境保護帶來潛在的威脅。因此，有必要對超大直徑盾構上浮原因進行深入分析和總結，并制定針對性的措施。本文結合某建成的大直徑越江隧道工程實例對隧道上浮原因進行分析，為制定抗浮措施提供依據和方向。

1　虹梅南路隧道施工階段盾構始發段上浮情況

上海市虹梅南路隧道是連接閔行區和奉賢區的一條大直徑越江隧道，盾構段隧道全長3 391 m，先由1臺14.93 m海瑞克氣泥水平衡盾構從奉賢段工作井始發進行西線隧道施工，盾構到達閔行接收井后調頭再完成東線隧道施工。東線隧道始發段主要位于④灰色淤泥質黏土（占60%）以及⑤灰色黏土（占40%）中，出洞頂部覆土9～10 m，如圖1所示。

圖1　盾構閔行始發段1～100環地質橫縱剖面圖

虹梅南路東線隧道始發0～100環推進過程中，隧道出現比較明顯的上浮，管片之間產生一定踏步，最大處可達3 cm，但尚處于可控范圍內，地面環境保護較好，沒產生較大的地面沉降。抗浮措施主要是地面跟蹤注漿、盾構內部壓載以及調整注漿參數等。

2　隧道上浮原因分析

隧道上浮是因為成型隧道的自重及上覆土壓力不足以抵抗外界對其施加的浮力，隧道所受的上浮力可以分為靜態外力和動態外力。靜態外力是指隧道長期被包裹在液體中而產生的浮力，主要是因注漿漿液、地下水、帶壓泥水等包裹產生的上浮力；動態外力是指盾構糾偏以及同步注漿壓力。基于以上原因的分析發現隧道上浮受施工因素影響還是比較大的，下文將結合實際項目進行分析和研究［1］。

2.1施工環境因素

隧道上浮的外部因素主要包括施工場地內不明的地下建（構）筑物和不良的地質，如能在施工前充分將盾構施工沿線環境情況排查清楚，并結合不良現狀采取預處理措施，如土層置換加固、清障等，則可以降低施工外部因素的影響。

（1）不良地質。如盾構掘進范圍內覆土層存在暗浜以及質量較差的回填土，且覆蓋面廣、埋深大，會減小上覆土的抗力并造成隧道上浮。

（2）不明的地下構筑物。盾構上覆土內存在不明的地下空腔結構，降低了上覆土荷載，應采取清障并回填壓實原狀土的措施。

（3）具體實例。虹梅南路隧道東線出洞階段在1～100環內產生了一定的隧道上浮（見圖2），根據地質勘探資料發現，盾構始發范圍內存在一條廢棄的1 650 mm排污管道，其平行于隧道軸線正上方沿推進方向延伸；且該范圍地處暗浜回填區域，經現場開挖取樣發現大面積的腐殖土位于隧道正上方，厚度達1～1.5 m。以上不良環境因素如不及時處理，會加劇隧道上浮。

圖2　隧道上浮地面情況環境示意圖

2.2施工內在因素

相比施工外部環境因素對隧道上浮的影響，施工內在因素對隧道上浮的影響更大，動態調整施工參數對上浮可起到有效的控制。

2.2.1泥水后竄

有道是“寶貝放錯了地方就是垃圾”。依我看，“能量”一旦用錯了地方，就是“廢品”，甚至是“危險品”。我們知道，毒品中毒有急性與慢性之分，而慢性中毒更為常見。所謂慢性中毒，是指人體臟器通過吸收毒品，積少成多，慢慢累積，以致形成侵蝕和損害，且中毒所造成的疾病狀態會一直伴隨。現實生活中，一些人因為不了解慢性中毒的概念和危害，麻痹大意，吸毒中毒。鐵的事實表明，毒品既毒害著社會，也毒害著家庭，更毒害著身體。而像吳業平這樣的干部，因為“能量”用錯了地方，其造成的危害，并不亞于毒品。

由于盾構整體設計成倒錐形，刀盤存在一定的超挖量，所以盾構殼體與外界土體存在一定的間隙，如果泥水壓力設定較高，宜通過該通道后穿至后方成型隧道，造成管片上浮，此時管片被包裹的介質不再是土體中的水體，而是同步漿液和泥水的混合物，比重大，導致脫出盾尾的管片所受的浮力增大。例如，目前大直徑泥水平衡盾構泥水比重一般控制在1.2～1.3 kg/m3。如混合同步漿液后將達到1.5～1.6 kg/m3，相對于水的浮力增大1.5倍左右。浮力的增大最終導致管片上浮［2］。

泥水擊穿盾尾（見圖3）的關鍵因素是切口水壓設定過高，這可以通過地面沉降的監測數據以及每環推進的土砂量統計發現。如發現盾構切口范圍內的地面經常出現隆起，且出現連續幾環土砂量統計偏少的現象，就要懷疑盾構掘進存在欠挖，這時應該及時降低切口水壓的參數。否則，較高的切口水壓極易使泥水通過盾殼間隙形成后竄。

圖3　泥水后穿示意圖

2.2.2同步注漿

在管片脫出盾尾時，管片和盾殼間會產生一定建筑間隙，需立即通過同步注漿進行填充，此時的漿液帶有一定的壓力。同步注漿對上浮的影響主要體現在以下幾點：

（1）分布在管片周圍的注漿壓力達到一定程度后會對管片造成上浮。如圖4所示，現以配置6根注漿管路的盾構為例，上部2根管路和下部2根管路產生的壓力差構成了管片的一部分上浮力，左右兩側對稱管片正好平衡掉，不參與上浮。

根據圖4的受力模型可得出管片的壓力差為［1］

ΔF=2（q1-q2）Rsinθ

式中：q1和q2分別為上部和下部的注漿壓力；θ為注漿漿液分布區域邊界與豎向的夾角。

圖4　注漿量均勻時受力示意圖

從上式可知，注漿壓差決定了動態上浮力的大小，所以合理控制各注漿區域壓力對控制上浮有利。

（2）同步漿液也起到了隔絕正面泥水后竄的作用。同步注漿不僅起到了填充建筑間隙的作用，同時，它也隔絕盾構前方后竄的泥水。同步漿液的填充和隔絕效果主要取決于漿液的質量和填充的密實度。

目前大直徑泥水平衡盾構的同步漿液以惰性漿液為主，而非雙液漿，這種漿液的質量主要是指其抗剪強度和初凝時間：抗剪強度的提高有利于控制后續隧道的上浮；初凝時間則決定了漿液強度形成的時間，越早建立，強度就能及時起到抗浮作用和隔絕泥水的作用。

以虹梅南路隧道為例，使用的同步漿液為惰性單液漿，漿液的組成為砂、粉煤灰、膨潤土、外摻劑、石灰以及水。盾構始發階段隧道出現了上浮，后續對漿液配比進行了調整，具體調整的漿液參數見表1。

表1　現場同步注漿漿液配合比實驗（每m3）

從表1可以得出，原漿液中調整水泥參量會縮短其初凝時間，使其提前硬化和建立抗剪強度，隔絕前方的泥水。在一些特殊地段，為了滿足施工需要，需適當調整漿液的配比，添加合適的外加劑來改變漿液的參數。

填充的密實度即同步漿液的壓注量，根據不同的地層，注漿量須在理論壓注量的基礎上增加一定的充盈系數，一般為110%～150%。由于開挖卸荷，應力重新分布，土體向上產生位移，如不能及時填充建筑間隙，幾種不利因素疊合在一起，勢必加劇管片上浮的現象。

2.2.3盾構姿態

在盾尾間隙均勻的時候，盾尾密封刷對管片環存在一較為均勻的環向壓力，一般情況下，這些荷載不會對管片結構造成影響。但是，當盾構在曲線段掘進、糾偏，或者因其他原因造成盾構長時間停止掘進（造成盾構機“磕頭”發生）時，盾殼對管片造成的荷載尤其是擠壓荷載就變得不可忽視，會造成脫出盾尾處的管片上浮，如圖5所示［3］。

圖5　盾殼作用力示意圖

3　抗浮措施的建議

上述抗浮因素的分析為制定抗浮措施提供了初步的依據，需綜合考慮外部因素和內部因素的影響，具體建議如下：

（1）在盾構始發與到達前對周圍環境和地質情況進行詳細勘探，對不良地質情況需預先進行土體改良，對存在底下空腔結構進行清障和回填壓密處理。

（2）合理設置泥水參數，尤其是保證黏度指標，根據埋深和地面采集的沉降數據動態調整切口水壓，避免因設定值過高導致泥水后竄。

（3）核算覆土深度，根據現場條件考慮在隧道及盾構機設備內部增加壓載，提高管片的自重以克服上浮力。

（4）根據土層特性和隧道埋深設定合理的注漿壓力以及注漿量，嚴格控制漿液性能參數，并根據施工參數動態調整。

4　結　語

在軟土地層盾構始發與到達施工中，當管片脫離盾尾后會出現較明顯的上浮，結合工程實例對上浮的原因進行分析和研究，可以確認以下幾點：

（1）土體被盾構機開挖卸荷后，應力會重新分布，土體會產生向上的位移，此時需及時對盾尾間隙進行填充，否則會加劇上浮。根據現場施工數據動態調整注漿壓力和注漿量對制約盾構上浮起到重要作用。

（2）覆土深度對盾構上浮起到了關鍵的作用，在隧道設計過程中需結合盾構設備特點和地質資料對進出洞的埋深予以充分考慮。

（3）泥水氣平衡盾構的功能特點決定了切口水壓和泥水參數合理設定能避免盾尾被泥水擊竄，造成泥水后竄，使后續成型隧道包裹在泥漿中形成較大的上浮力。

［1］葉飛，朱合華，丁文其，等.施工期盾構隧道上浮機理與控制對策分析［J］.同濟大學學報（自然科學版），2008，36（6）：738-743.

［2］周文博.盾構法隧道施工技術及應用［M］.北京：中國建筑工業出版社，2004.

［3］黃威然，竺維彬.施工階段盾構隧道漂移控制的研究［J］.現代隧道技術，2005，42（1）：71-76.

U455.43

B

1009-7716（2016）07-0232-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.068

2016-03-13

談曉亮（1983-），男，上海人，工程師，從事大直徑越江隧道工程設計、施工工作。