小曲率半徑盾構(gòu)隧道施工期管片上浮分析

苑強(qiáng) 王鑫 仇青山 夏洪波 寧耀強(qiáng)

摘要：為解決小曲率半徑盾構(gòu)隧道施工中出現(xiàn)的管片上浮現(xiàn)象，依據(jù)天津地鐵項(xiàng)目，通過分析造成管片上浮的原因，建立了小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片上浮受力分析模型。結(jié)果表明：注漿產(chǎn)生的漿液浮力是造成管片上浮的主要原因;而曲線隧道中的千斤頂推力不均而產(chǎn)生的側(cè)向分力也是影響管片上浮的重要因素;由此對(duì)于控制管片上浮提出了針對(duì)性措施。

關(guān)鍵詞：管片上浮小曲率半徑盾構(gòu)隧道理論分析模型

中圖法分類號(hào)TU91;????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼? A

Analysis of segment floating during construction of shield tunnel with small curvature radius.

YUAN Qiang1， WANG Xin1， QIU Qingshan2， XIA Hongbo2， NING Yaoqiang1

（1. China Communications Third Bureau First Co.， Ltd.， Beijing， 100012 China; 2. China Communications Construction Corporation Rail Transit Branch， Tianjin， 300000 China）

Abstract： In order to solve the segment floating phenomenon in shield tunnel construction with small curvature radius， according to Tianjin Metro project， the force analysis model of segment floating in shield tunnel with small curvature radius was established by analyzing the causes of segment floating. The results show that the buoyancy of slurry produced by grouting is the main cause of segment floating. The lateral component force caused by uneven jack thrust in curved tunnel is also an important factor affecting segment floating. Therefore， targeted measures are put forward to control the segment floating.

Key Words：Segment floating; Small radius of curvature; Shield tunnel; Theoretical analysis model

盾構(gòu)隧道施工階段管片脫離盾尾時(shí)，容易出現(xiàn)管片上浮情況，而管片上浮極易造成管片的錯(cuò)臺(tái)、破損從而導(dǎo)致滲漏水情況的發(fā)生。

傅鶴林[1]等通過數(shù)值模擬，明確了施工期各因素對(duì)管片上浮的影響程度及作用機(jī)理;付艷斌[2]等基于彈性地基梁模型推導(dǎo)出了考慮注漿填充率的大直徑盾構(gòu)管片上浮解析解;胡勇[3]等基于溫克爾彈性地基梁理論，建立了考慮施工動(dòng)態(tài)的管片上浮模型，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了驗(yàn)證;楊志勇[4]等在建立管片受力模型的基礎(chǔ)上建立了管片上浮的分析模型并提出了控制措施;黃旭民[5]等基于彈性地基梁矩陣傳遞法理論，在考慮注漿漿液特性的基礎(chǔ)上，提出了一直管片上浮預(yù)測(cè)方法;魏綱[6]等通過對(duì)施工期管片進(jìn)行受力分析，建立了施工期管片上浮受力分析模型并推導(dǎo)出了相應(yīng)公式;李明宇[7]等通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)探求了管片上浮量的變化規(guī)律并提出了一種簡(jiǎn)化算法。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于管片上浮的研究大都通過數(shù)值分析或工程實(shí)測(cè)來(lái)分析管片上浮的機(jī)理，很少對(duì)管片上浮進(jìn)行理論模型分析。而且在小曲率半徑盾構(gòu)隧道施工過程中，由于千斤頂?shù)牟粚?duì)稱推力而造成的管片側(cè)向上浮情況也是一個(gè)值得重視的問題。

本文通過建立管片上浮理論分析模型，著重于研究不對(duì)稱推力作用下的管片側(cè)向上浮，從而推導(dǎo)出理論計(jì)算公式，對(duì)管片上浮的預(yù)測(cè)有重要的參考作用。

1工程概況

天津地鐵11號(hào)線內(nèi)江路—陳塘站區(qū)間長(zhǎng)396.1m;本段區(qū)間出內(nèi)江路站后以半徑350m曲線，向東轉(zhuǎn)至東江道，到達(dá)陳塘站。隧道結(jié)構(gòu)覆土厚度在11.8～10.3m。區(qū)間自內(nèi)江路站起，沿內(nèi)江路路下敷設(shè)，向東到達(dá)陳塘站。區(qū)間為一端曲線盾構(gòu)隧道，左、右線盾構(gòu)推進(jìn)均為陳塘站雙始發(fā)、內(nèi)江路站雙接收，如圖1所示。

由于本階段盾構(gòu)區(qū)間地層處于中粗砂、粉細(xì)砂和粉質(zhì)粘土夾層，穩(wěn)定性較差，同時(shí)地下水非常豐富。盾構(gòu)施工部分穿越該地層時(shí)，極易因漿液稀釋而達(dá)不到預(yù)期強(qiáng)度導(dǎo)致管片上浮，且該區(qū)間為曲線隧道，更加容易造成管片的上浮及側(cè)移。因此研究小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片上浮的受力模型對(duì)于該工程具有重要的實(shí)際意義。

2管片上浮機(jī)理

管片上浮問題對(duì)于盾構(gòu)隧道的施工質(zhì)量有著重要影響，眾多專家和學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。研究表明，造成管片上浮的原因主要有以下幾種。

（1）水土浮力：盾構(gòu)隧道在富水地層中施工時(shí)，而水土泥漿對(duì)管片的浮力造成了管片的上浮。

（2）漿液浮力：盾構(gòu)管片脫離盾尾時(shí)與土體存在間隙，此時(shí)需要及時(shí)進(jìn)行注漿，但漿液凝固需要時(shí)間，此時(shí)管片將受到漿液所產(chǎn)生的浮力，從而導(dǎo)致管片上浮。

（3）注漿壓力：管片在脫離盾尾時(shí)需要及時(shí)進(jìn)行同步注漿以防止土體變形，當(dāng)注漿壓力較大的時(shí)候就容易出現(xiàn)管片的一系列質(zhì)量問題。

（4）千斤頂推力：盾構(gòu)隧道在掘進(jìn)過程中采用千斤頂分區(qū)控制行進(jìn)，而由于上覆地層壓力及管片自重，下分區(qū)千斤頂推力往往會(huì)大于上分區(qū)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的豎向分力，該分力會(huì)導(dǎo)致管片的上浮。

（5）卸載回彈：盾構(gòu)隧道底部開挖土體重量與盾構(gòu)機(jī)的自重存在偏差，此時(shí)會(huì)形成一個(gè)卸載回彈力.

（6）盾尾間隙：盾構(gòu)隧道的開挖外徑需要大于管片的外徑，由此而形成的盾尾間隙往往需要及時(shí)進(jìn)行注漿填充來(lái)防止土體變形.

3管片上浮計(jì)算模型

管片上浮受力模型如圖2所示，在小曲率半徑盾構(gòu)隧道中，由于左右不對(duì)稱推力會(huì)造成側(cè)向分力從而導(dǎo)致管片側(cè)移。因此，將小曲率半徑盾構(gòu)隧道中的管片上浮分解為水平向和豎直向進(jìn)行分析。圖中，F(xiàn)1為同步注漿產(chǎn)生的漿液浮力，F(xiàn)2為千斤頂推力不均而產(chǎn)生的豎向分力，F(xiàn)3為千斤頂推力不均而產(chǎn)生的橫向分力，F(xiàn)4為側(cè)向漿液壓力，G為管片自重，F(xiàn)5為螺栓剪切力，F(xiàn)6為管片環(huán)間摩擦力。

3.1管片豎向受力

由圖3可得到管片豎向受力公式：

（1）

式中，F(xiàn)豎為管片所受豎向合力。從上式中可以看出管片所受豎向合力的組成部分，管片所受豎向合力的大小決定了其上浮的程度。可對(duì)各分力逐個(gè)進(jìn)行分析以確定影響管片上浮的重要原因。

（1）漿液浮力F1。

盾構(gòu)隧道開挖時(shí)的外徑需要大于管片的外徑，由此會(huì)在管片與土層間形成一個(gè)間隙，此時(shí)需要對(duì)間隙及時(shí)進(jìn)行注漿以防止出現(xiàn)較大的土體沉降。注漿漿液凝固需要時(shí)間，因此管片在脫離盾尾時(shí)會(huì)受到漿液為凝固時(shí)產(chǎn)生的浮力作用。管片所受漿液浮力按下式計(jì)算：

（2）

式中，γg為注漿漿液容重。

（2）千斤頂推力產(chǎn)生的豎向分力F2。

盾構(gòu)隧道在掘進(jìn)過程中，由于盾構(gòu)機(jī)自重及上覆土體壓力導(dǎo)致下部千斤頂推力要大于上部，而這個(gè)推力差值并無(wú)法準(zhǔn)備控制，往往會(huì)形成一個(gè)豎向分力從而導(dǎo)致管片上浮。

千斤頂推力產(chǎn)生的豎向分力F2：

（3）

其中，T為盾構(gòu)機(jī)推力，α為盾尾軸線與水平線方向夾角。

（3）管片自重G。

（4）

式中，R為管片外徑;r為管片內(nèi)徑;γ1為管片容重。

（4）螺栓剪切力F5。

螺栓剪切力計(jì)算公式為：

（5）

其中，F(xiàn)為上浮力作用下管片受到的剪力;Ra為管片環(huán)向平均半徑;l為管片厚度;[τ]為螺栓允許抗剪強(qiáng)度。

（5）管片環(huán)間摩擦力F6。

（6）

式中，n為兩管片間縱向連接螺栓數(shù);μ為兩管片間摩擦系數(shù);Ni為螺栓間預(yù)緊力;Nj管片上的殘余推力。

3.2管片橫向受力

由圖4可得到管片橫向受力公式：

（7）

式中，F(xiàn)橫為管片所受橫向合力。

由公式可知，由于千斤頂左右不對(duì)稱推力而產(chǎn)生的側(cè)向推力將使管片側(cè)向移動(dòng)。

（1）千斤頂推力產(chǎn)生的橫向分力F3。

小曲率半徑盾構(gòu)隧道中需要通過千斤頂施加不對(duì)稱的推力來(lái)控制盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎從而形成曲線隧道，而千斤頂左右不對(duì)稱的推力會(huì)形成一個(gè)橫向分力從而導(dǎo)致管片側(cè)移。

橫向分力F3：

（8）

（9）

式中，T為千斤頂總推力;β為拼裝管片與隧道設(shè)計(jì)軸線夾角;Rc為隧道轉(zhuǎn)彎半徑;R為管片外徑;l為一環(huán)管片的厚度。

（2）側(cè)向漿液壓力F4。

由于管片側(cè)向同樣會(huì)受到漿液的壓力作用，側(cè)向漿液壓力按下式計(jì)算：

（10）

式中，γg為注漿漿液容重。

4管片上浮控制技術(shù)

（1）漿液浮力是造成管片上浮的重要因素，而漿液浮力主要是由于漿液不能及時(shí)凝固達(dá)到早期強(qiáng)度而產(chǎn)生的。因此當(dāng)漿液的凝固時(shí)間適宜，早期強(qiáng)度越高，抗浮能力就越好。可以通過加入合適的外加劑來(lái)減少凝固時(shí)間及增加早期強(qiáng)度，以達(dá)到減少漿液浮力的效果。

（2）對(duì)于千斤頂推力而產(chǎn)生的側(cè)向分力而引起的管片上浮及側(cè)移，可以采用間歇性施工的方法，通過逐步加載以消除因推力不均而產(chǎn)生的側(cè)向分力。

（3）在不影響管片使用及隧道安全的前提下，可在管片上浮區(qū)堆放重塊來(lái)防止管片上浮。堆放重量可以通過試確定。

（4）對(duì)管片上浮的控制也可以采用預(yù)偏的方法，通過理論計(jì)算和測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，提前預(yù)估管片的拼裝姿態(tài)和位移變化，設(shè)置合理的預(yù)偏值。從而保證在按照計(jì)劃軸線行進(jìn)的同時(shí)減小管片的上浮和側(cè)移。

5結(jié)論

本文通過分析盾構(gòu)管片上浮機(jī)理，建立了小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片上浮理論分析模型，對(duì)管片上浮期間的受力進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

（1）管片上浮主要是由漿液浮力引起的，漿液在未凝固時(shí)，漿液浮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管片自重及摩擦力，導(dǎo)致管片形成上浮。因此漿液的凝固時(shí)間和早期強(qiáng)度是控制管片上浮的重要施工參數(shù)。

（2）小曲率半徑盾構(gòu)隧道中由于千斤頂推力不均引起的側(cè)向分力也是造成管片位移的重要原因。而側(cè)向分力的大小與偏轉(zhuǎn)角有關(guān)，偏轉(zhuǎn)角越大，側(cè)向分力越大，管片位移越大。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]??? 傅鶴林，史越，陳俐光，等.盾構(gòu)隧道施工期管片上浮機(jī)理數(shù)值模擬研究[J].中外公路，2019，39（1）：174-179.

[2]??? 付艷斌，梅超，卞躍威，等.考慮注漿填充率的大直徑盾構(gòu)管片上浮解析解與應(yīng)用[J/OL].中國(guó)公路學(xué)報(bào)：1-17[2022-01-01].

[3]??? 胡勇.考慮施工動(dòng)態(tài)影響的施工期管片上浮分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2021（9）：144-147.

[4]??? 楊志勇，楊星，張長(zhǎng)旺，等.盾構(gòu)管片上浮量理論計(jì)算模型及上浮控制措施研究[J].礦業(yè)科學(xué)學(xué)報(bào)，2021，6（5）：591-597，605.

[5]??? 黃旭民，黃林沖，梁禹.施工期同步注漿影響下盾構(gòu)隧道管片縱向上浮特征分析與應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2021，43（9）：1700-1707.

[6]??? 魏綱，洪杰，魏新江.盾構(gòu)隧道施工階段管片上浮的力學(xué)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（6）：1257-1263.

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