黏土地层盾构管片上浮的力学行为研究
时间：2023-02-28 13:55:07 来源：千叶帆 本文已影响人
赵 颂
（中铁城市发展投资集团有限公司，四川 成都 610000）
近年来地铁建设发展迅猛，盾构法施工在地铁隧道应用广泛，在盾构施工中普遍遇见盾构管片上浮问题。管片上浮会导致管片错台、破损、防水系统破坏，甚至出现成型隧道侵限，因此对管片上浮的原因进行分析并提出良好应对措施非常关键。沈征难[1]从衬砌背注浆工艺及浆液质量、盾构姿态以及掘进速度等方面研究了上浮的原因和控制措施。叶飞[2]提出衬砌环出盾尾后注浆压力产生的动态上浮力是盾构隧道施工中产生上浮的主要原因，提出考虑隧道埋深、周围土体特性、注浆孔分布对注浆压力实施动态控制。陈仁朋等[3]对施工阶段上浮变形规律及引起管片上浮变形、螺栓受力进行了分析，并探讨了浆液初凝点位置、千斤顶推力和螺栓预紧力等因素的影响。管片上浮影响因素多，施工中因素相互干扰，分析其主导因素困难，专家学者对上浮的原因认知不一。
文章通过对西安地铁5号线高新四路站—新桃园站区间（以下简称“高新区间”）盾构隧道在黏土地层中管片上浮情况规律研究，分析土压力及注浆浮力、坡度、盾构姿态等对管片上浮的影响，从而揭示管片上浮的主要原因，并提出管片上浮控制措施，为黏土地层施工提供参考。
高新区间纵断面采用单坡设计，出高新四路站后依次以2.0‰、11.5‰、5.0‰的坡度下坡进入新桃园站。隧道拱顶埋深约9～18 m，盾构刀盘直径6 280 mm，盾尾外径6 130 mm，管片衬砌外径为6000 mm，厚度和幅宽分别300 mm、1 500 mm，盾构衬砌采用标准环+左右转弯楔形环类型。管片之间的环向和纵向均采用22根（环向12根、纵向10根）M24（8.8级）弯螺栓连接。
高新区间地下水埋深8.20～11.10 m，水位高程388.55～391.28 m。工程场地在勘探深度70 m范围内的地层主要为第四系堆积物，即由全新统人工填土、粉质黏土、中砂、新黄土、古土壤组成。盾构穿越地层主要为粉质黏土，局部含有中砂、黄土和古土壤，岩土力学参数见表1。
表1 粉质黏土岩土参数表
高新区间盾构始发后一路下坡（平均坡度7.5‰），盾构机进入粉质黏土后上浮现象明显，上浮量平均达到82 mm，局部上浮达到87 mm，环管片脱出盾尾后出现多处破损现象。其中一段落上浮情况如下：7月19日该区间右线盾构机完成第98环，对附近管片上浮数据进行统计，统计数据见表2。
表2 管片上浮统计数据
根据分析以上管片上浮变形情况总结出以下规律：（1）管片在脱出盾尾后上浮速率较快，36 h内管片上浮值就可以达到60～70 mm，完成上浮终值的75%，在随后的时间里管片上浮速率减慢，在48 h后管片上浮量基本达到稳定，其时间-位移曲线如图1所示；
（2）管片上浮从脱出盾尾第3环逐步开始，第4～6环（环号脱出盾尾为1环，逆掘进方向编号）缓慢上升，脱出盾尾第7～12环上浮速率较大，从13～16环上浮速率减小，上浮值趋于稳定，其环号-位移曲线如图2所示。
图1 时间-位移曲线
图2 环号-位移（mm）曲线
5.1 管片受力模型
本研究探讨黏土地层中管片上浮，黏土土质条件差、内摩擦角小、成拱效果弱。在黏土地层中管片水平向水土压力、土体抗力受力对称，其合力为零，对管片上浮无影响；
管片上浮主要是管片周围同步注浆产生的浮力和土压力的合力大于约束管片上浮抗力。本研究将上浮阶段按照上浮特点和受力变化分为2个阶段。
第1阶段为浆液初凝前管片处于流体环境中，该阶段管片与围岩间空隙在逐步填充，围岩土压力影响较小，管片与上覆土未完全挤压，下部土体提供的反力在浆液包裹下未能传到管片上，本研究认为该阶段管片四周土压力为零。管片上浮主要受浆液浮力（Fj）、注浆产生的力（Fs）、推力的分力（Fy）；
管片受到的竖向抗力为：管片自重（G）、相邻管片间摩擦力（f）、螺栓相对剪力（Q）和浆液黏滞阻力（Fn）。该阶段浆液和地下水的浮力可近似运用阿基米德原理计算。管片在脱出盾尾后上浮阶段受力如图3所示。
图3 第1阶段管片上浮受力简图
其中：F浮为管片受到向上作用力的合力、Fj为浆液对管片的浮力、Fy为千斤顶竖向分力、F余为千斤顶残余推力、ρ为浆液密度、g为重力加速度、V排单位长度管片环外体积、θ1为盾构俯仰角、θ2为管片设计坡度。
魏纲等[4]应用Maag球面扩散理论，在假定浆液为牛顿流体的基础上，推导出浆液压力对管片产生压力的公式。
式中：pg为注浆压力；
r为浆液扩散半径；
β为浆液黏度与水黏度的比值；
n为土体孔隙率；
K为土体渗透系数；
t"为注浆完成时间；
r"为注浆孔半径。
式中：ph为管片混凝土密度；
N0为纵向管片螺栓预紧力；
μ为相邻管片间摩阻系数（近似取0.3）[5]；
u为螺栓孔位置两侧管片的相对剪切位移；
Kq为螺栓的简化刚度；
k0为位移折减系数。
胡云飞[6]研究中管上浮受到黏滞阻力为：
式中：k1、k2为黏度时变性参数；
σ为盾尾间隙。
第2阶段同步注浆强度上升，浮力作用逐步减小至消失，衬砌环和注浆环主要受土压力影响，注浆环主要起传递力作用。不考虑地下水压力影响，不计土拱效应，拱顶压力p1=γh（γ为土的重度、h为覆土厚度），隧底压力p2=γ（h+2R）（R为隧道半径）。管片上浮主要受土压力（FE），管片受到的抗力为管片自重（G）。管片受力如图4所示。
图4 第2阶段管片受力
通过计算可得，管片环受到的竖向土压力的合力为
式中：γ为周围岩土重度，黏土取18 kN/m3；
ph为混凝土的重度，取28.5 kN/m3（包含钢筋重量）。
从以上2阶段分析管片上浮主要受覆土压力、地层竖向反力、浆液浮力、管片自重、盾构机推力、相邻管片摩擦力，以及相邻管片螺栓的约束力。
5.2 管片上浮原因分析
通过以上对管片上浮力学模型研究分析，结合实践中采取的有效上浮控制措施分析，总结出管片上浮主要受工艺空间、地质情况、浆液浮力、注浆产生的力及土压力、盾构机推力和盾构机姿态等因素影响。
5.2.1 盾构隧道工艺空间
该区间盾构机开挖刀盘直径6 280 mm，盾尾外径6 230 mm，隧道管片外径6 000 mm。刀盘比管片半径大140 mm，管片环与土体四周形成140 mm厚的环形空间，该空间为管片提供了上浮条件。推进过程中同步注浆填充该间隙环，该间隙空间仍处于流体环境中为管片上浮创造条件。
5.2.2 地质原因
盾构机推进过程中在硬岩、软岩、上软下硬等地层中都出现上浮，上浮的程度不一样。该区间盾构管片在黏土地层中管片上浮最大，在古土壤、中砂地层上浮较小。隧道覆土厚度也与管片上浮有关，一般地覆土厚度增加，地表隆起和隧道上浮位移逐渐下降。
5.2.3 浆液浮力及土压力
衬砌管片成环后脱出盾尾，管片位于地层间的环形空隙，用同步注浆浆液填充，将管片环受力情况按照2个阶段分别计算。
（1）第1阶段管片受力
同步注浆浆液一般采用惰性浆液，浆液初凝时间为6～10 h，管片脱出盾尾后处于液体环境。隧道管片两端受到盾尾和已固结稳定的管片约束不能上浮，该两端中间约有16环管片，其中前10 m处于同步注浆流体环境中，管片悬浮在未初凝和一定计算值强度的同步注浆浆液中，通过计算该阶段分力，计算值见表3。
表3 第1阶段分力计算值（kN）
从上述计算可以得知，管片受到向上作用力为其抗力的2.7倍，在合力的作用下螺栓发生屈服变形，不能完全抑止管片上浮。其中影响管片上浮最大因素为注浆产生的力和浆液浮力，因此在该阶段控制注浆工艺和同步注浆配比是控制上浮的关键。
（2）第2阶段管片受力
衬砌环主要受土压力合力和管片自重影响，其作用力分别为：
由此可见该阶段衬砌环脱出盾尾后受到地层向上作用的合力大于衬砌环的自重，受地层土压力影响盾构管片呈上浮趋势。
5.2.4 盾构机推力影响
高新区间盾构隧道出高新四路站后以一路下坡进入新桃园站。盾构机底部油缸推力的增大将在设计轴线法线上产生一个向上的分力，这个分力（Fy）对管片的上浮产生较大影响。以10‰的坡度为例，油缸千斤顶残余推力为平均为600 t时。
竖向的分力为Fy=F余×sin（θ1+θ2）=515 kN
该分力方向是垂直于隧道轴线，施工时该力反复作用在管片上，也使管片有个上浮的趋势。总推力增大、坡度增大及盾构俯仰角增大均能导致竖向分力增加，导致管片上浮的概率也随之增大。
5.2.5 盾构机姿态影响
盾构机在掘进时盾构机重量沿纵向分布不均匀，在软土地层中刀盘和前盾部分一般会出现下沉，盾尾表现为上扬，即出现“磕头”现象。为防止以上现象，一般增大下部千斤顶的推力，导致上部与下部千斤顶形成推力差，管片受到偏心压力，在已安装的衬砌环面上产生一个力矩作用，该力矩增大了管片的上浮。
根据上述分析，盾构管片上浮影响因素中地质原因、坡度、埋深主要在设计阶段确定，施工中无法调整。施工阶段上浮影响因素中浆液浮力、注浆产生的力以及土压力对管片上浮影响较大，盾构机推力和盾构姿态影响次之。
根据以上述分析减少浆液浮力和注浆产生的力是消除减小的关键，在黏土地层中为减小管片上浮可采用以下措施。
6.1 选择适当的注浆浆液
解决管片上浮的有效方法是填充管片周围并形成一定强度约束使其上浮，为更好地控制上浮施工中采用惰性浆液为主，辅以瞬凝型浆液约束管片上浮。瞬凝型浆液通常适用于以下情况：（1）对局部上浮严重地段可进行二次补浆，该浆液从管片螺栓孔注入；
（2）在管片脱出盾尾后上浮的速率大于35 mm/d，通过管片注浆孔及时补充瞬凝型浆液，管片上浮空间和上浮量同步减小。
6.2 选择适当的注浆参数
同步注浆浆液浮力为管片上浮的重要因素，同步注浆浆液稠度低、初凝时间过长管片上浮概率和上浮量增大。常用方法为：优化浆液配合比调节凝结时间，控制浆液黏度减小浮力，调整注浆位置减小管片下部压力。
6.3 盾构掘进姿态控制
根据掌握的地层情况及盾构检测装置反映的数据及时调整推进参数，及时准确地调整盾构机导向趋势，盾构掘进垂直趋势与水平趋势要尽可能拟合设计轴线趋势。纠偏应按照“勤纠缓纠”的原则操作。在隧道推进中根据管片上浮值，将盾构机推进轴线高程降至设计轴线下20～40 mm，以此来抵消管片衬砌后期的上浮量，使隧道中心轴线尽可能地接近设计轴线。
6.4 管片螺栓复紧
当盾构管片脱出盾壳后，管片处于注浆浆液浮力和土压力的复合力学作用之中，管片结构各处可能由于应力集中效应而出现变形破坏，如螺栓与螺栓孔壁、管片环峰处、纵向接缝处，都会由于相互挤压而破损。同时，局部螺栓也可能由于材料的变形屈服而出现松动现象。针对以上问题，西安地铁隧道施工过程中，采用及时紧固螺栓、提高纵向刚度的方法，有效降低了管片上的垂直分力对管片上浮量的影响。
本研究从黏土地层盾构管片上浮的力学行为角度出发，分别研究了第1阶段浆液浮力、注浆产生的力，以及第2阶段土压力合力的影响，分析管片上浮量的主要影响因素包括土压力、浆液浮力和同步注浆压力，盾构机姿态和盾构机推进力为次要因素。并针对盾构掘进中管片上浮规律，提出控制管片上浮行为的相关措施，从实际运行情况来看，隧道上浮情况平均值由原来的8.2 cm减少到4.5 cm，线型美观，隧道管片接缝平顺，局部破损现象减少，施工缺陷率降低，可见黏土地基盾构管片上浮控制措施取得了良好效果。
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