黄土地层中盾构隧道管片上浮机理与影响因素分析

董 昕，于海涛

(长安大学公路学院，陕西 西安 710064)



黄土地层中盾构隧道管片上浮机理与影响因素分析

董 昕，于海涛

(长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

盾构隧道掘进过程中的管片上浮是一种普遍存在且影响施工质量的重要问题。结合工程实例，对黄土地层中盾构管片的上浮原因进行了总结分析，提出为了平衡盾构机机体重力差，预先设置一个千斤顶推力的仰角，并通过有限元数值模拟，分析了不同埋深下的地层作用、浆液浮力、注浆压力差以及千斤顶推力对管片上浮量的影响，得出注浆压力差与千斤顶推力的大小是影响管片上浮的主要原因的结论，并提出合理控制千斤顶推力的大小可起到减轻管片上浮的作用。

黄土地层；盾构隧道；管片上浮；数值模拟

作为一种修筑隧道的暗挖方法，盾构法以其对地面影响小、机械化程度高、土层适用范围广、掘进速度快、施工安全性高等优点，在城市地下轨道交通的建设中逐渐占据了主导地位。然而在很多盾构隧道的施工过程中，管片上浮已经成为开挖掘进过程中普遍存在的问题，且上浮超限后的补救措施非常复杂，消耗巨大。控制管片上浮幅度是确保隧道线形符合设计要求的关键，也是确保隧道施工质量的重要环节。

黄土地层具有土质疏松、孔隙大，垂直节理发育等特点，成分以粉土为主，包含细砂、粉土、黏粒等，并含有碳酸盐等易溶盐类，且其含量的区域性变化较为明显[1]。在盾构隧道的掘进中，施工参数的控制不当很容易引起较大的地层损失和管片位移[2]，因而有必要对黄土地层中盾构隧道施工中的管片上浮机理及规律进行理论分析和研究。

1 管片上浮机理

1.1 管片上浮的原因分析

盾构机的开挖掘进会造成一定程度上的地层损失，使得掌子面附近的地层应力发生变化，土体产生开挖卸荷后的地基回弹，从而致使管片上浮。此外，当管片从盾构机盾尾处脱离时，盾构机会进行盾尾的自动化同步注浆，并通过管片上预留的注浆孔进行壁后注浆，以填充盾构机开挖面边界与管片外壁之间的建筑间隙[3]。由于注浆浆液在一段时间之内会保持流体的状态，使得管片在地下水、注浆浆液、泥浆等的综合作用下发生上浮[4-5]。

叶飞等[6]对注浆压力可能产生的动态上浮力进行了公式推导。假设管片脱离盾尾后，管片上方及两侧的土体会在自身重力的作用下迅速填充管片与开挖边界之间的建筑间隙，致使在管片下方一定角度范围内形成了呈扇环形分布的注浆压力，由此计算得到的注浆压力所产生的动态上浮力大于浆液包裹管片时产生的静态上浮力，从而得出注浆压力是盾构隧道施工中产生管片上浮的主要原因的结论。

一般来说，为了便于施工排水或适应某区域的地质条件，地铁的设计线路都会存在一定坡度。这一点通过调整盾构机千斤顶推力与水平方向的夹角来实现，这就导致千斤顶推力的反力对管片产生了一个竖向分力，使管片产生竖直方向上的位移[7]。

陈仁朋等[8]通过建立施工期管片上浮分析模型，分析了浆液初凝点位置对管片施工期上浮的影响，认为缩短浆液的初凝时间可以有效地控制管片上浮。

除此之外，盾构机的土舱压力、管片环间的螺栓预紧力、盾构机运行时产生的振动对周围土体的扰动、盾构机内部构造的误差等因素都会在一定程度上影响管片的上浮。

通过一些监测数据[9]，可大致判断出管片上浮量会在管片脱出盾尾后的20～40 h内达到稳定。在脱出盾尾的初期，管片上浮增长迅速，而在24 h后，就几乎完成了最终上浮量的一半左右。这是由于在管片脱出盾尾初期，壁后的注浆浆液处于黏滞力相对较小的流体状态，而且管片下部土体因卸荷回弹，会使管片产生上浮。管片在脱出盾尾约48 h后，管片上浮的各种因素作用减弱，上浮趋于停止。

1.2 黄土地层的特点

在无水情况下，黄土地层表现出强度高、成拱性较好的特点。然而在一定压力下受水浸湿后，黄土的结构迅速发生破坏且产生显著附加下沉，这种现象称为黄土的湿陷性。当黄土呈饱和状态时(即饱和度达80%以上)，湿陷性消失。但由于黄土中的可溶盐浸水溶解，致使其内聚力降低，加之饱和孔隙水所产生的润滑作用，饱和黄土的抗剪强度一般较低。

饱和黄土一般分为两类，一类常称为饱和软黄土，指的是以往的湿陷性黄土在近期浸水饱和之后，土的湿陷性消失并转化为高压缩性。但在含水量降低之后，这类黄土的湿陷性会不同程度地恢复。饱和软黄土的压缩性高、变形量大、承载力低、工程性差，因此不宜作为持力层；另一类是较早形成的饱和黄土，在较大上覆压力的长期作用下，已处于超压密状态，黄土的高孔隙度和高压缩性已完全改变，这种饱和黄土的承载力相对较高，土的工程性能相对较好，可以作为持力层[10]。

竖向节理发育的结构特点使黄土在竖直及水平方向上的渗透系数存在很大的差异，且这种差异具有一定的区域性。鉴于理论计算所求得的浆液扩散半径与工程实测值常存在很大出入，可根据黄土地区部分现场试验值来确定浆液在黄土中的扩散半径[11]。

1.3 管片上浮力分析

刚脱出盾尾时所发生的管片上浮可视为平面应变问题，当管片从盾尾处脱离时，会受到由于卸荷引起的向上的地层应力、包裹管片的浆液对其所产生的向上的浮力、注浆对管片所产生的向上的注浆压力、千斤顶推力反力的竖向分力等，下面分别对上述因素所产生的上浮力进行分析。

盾尾注浆具有自动化程度高、注浆及时、浆液分布均匀的特点[12]，在黄土地层中，同步注浆可有效地填补盾尾间隙[13]，因而盾尾同步注浆在管片与开挖边界之间的间隙形成了包裹管片的注浆层。充满了开挖边界与管片外壁之间理论间隙的浆液对管片产生上浮力，其大小Ff为：

式中：γj为浆液的重度；R为盾构开挖半径；R0为管片外径(半径)；θ为管片上一点和管片圆心的连线与水平方向的夹角。

由于盾尾注浆管的注浆压力对管片上浮量的影响不大，这里不作考虑，仅对壁后注浆孔注浆时所产生的注浆压力进行分析计算。通常，考虑到水土压力和防止管片大幅度下沉与浮起的需要，会在上下注浆孔的注浆压力间保持合适的压差。使得注浆压力的压差在管片下方产生呈扇环形均匀分布的压力，由此产生的上浮力为[6]：

式中：P为上下注浆压力的压差(一般取0.05～0.1 MPa)；θ为注浆浆液分布区域边界与竖向的夹角。

图1 千斤顶推力预仰角示意图

基于盾构机的构造原理，机体前盾、中盾、尾盾的重量各不相同。一般前盾、中盾的重量会大出尾盾很多，导致盾构机在掘进的过程中出现“磕头”现象[14-15]。在开挖掘进过程中，为了使盾构机平稳运行，平衡盾头与盾尾重力差，会设置一个千斤顶推力预仰角α，如图1所示。故当盾构机需要按照设计轨迹爬坡或者下坡时，只需适当调整这个预仰角即可。千斤顶推力反力的竖向分力以向上为正，向下为负，则：

式中：G1、G2、G3分别为盾构机前盾、中盾、尾盾的重量；F为千斤顶总推力的反力，与千斤顶总推力大小相等，方向相反；θ1为盾构俯仰角，一般规定的俯仰角为≤±0.29°[16]；θ2为设计路线中的最大线路坡度，规定爬坡时为负，下坡时为正。

2 施工过程模拟计算

2.1 工程实例

本文结合关中地区黄土地段某地铁隧道盾构区段进行施工过程的有限元模拟计算，该区段所处地段土层从上往下依次为素填土、新黄土、古土壤、粉质黏土。隧道埋深9～14 m，地下水属潜水类型，稳定水位埋深6.5～8.8 m，沿线路走向呈南高北低状。水位年变幅2 m左右。盾构机全长约83 m，总重450 t，其中盾构机盾体重约225 t，千斤顶最大推力为39 914 kN，最大线路坡度(爬坡能力)为35‰。盾构开挖直径为6.28 m，管片外径6 m，厚度0.3 m，采用C60钢筋混凝土。注浆采用单液浆。

图2 有限元计算模型

2.2 数值模拟

采用Midas/GTS，基于平面应变的假设，建立盾构隧道施工过程的二维有限元分析模型，隧道左右侧各取3倍洞径，底部取5倍洞径，分别针对隧道拱顶埋深为9～15 m的几种情况进行计算。然后采用控制变量的方法，分析注浆压力及千斤顶推力的变化对管片上浮的影响。模型中土体与浆液均采用实体单元，服从莫尔-库仑准则，管片、盾构机部分采用梁单元(计算模型如图2)。

由于该工程地下水位偏高，土体大部分处于饱和状态，因而不考虑黄土的拱效应和湿陷性。根据部分实测资料可知，关中地区黄土的注浆扩散半径在0.4～0.7 m的范围内[11]，考虑最不利影响，本文中浆液的扩散半径取0.4 m。计算中将通过改变注浆扩散层的单元属性来实现浆液的扩散，并通过提高围岩参数的10%来模拟管片脱出盾尾初期浆液对围岩的加固作用。根据管片各上浮力分析的计算公式，可在有限元建模中将各上浮力的函数按照对应的施工阶段均布地施加于管片环之上。考虑到工程施工的实际情况，在有限元计算中，控制注浆压力差在0.5～1.0 MPa内变化，千斤顶推力在10 000～40 000 kN范围内变化。通过计算，分析不同深度下地层作用、浆液浮力、注浆压力差及千斤顶推力的变化对管片上浮量的影响情况。

分析中未详细考虑浆液凝固过程对土体性质及强度的影响、千斤顶对螺栓预紧力的影响以及地下水的渗流作用。模型中各材料的物理力学参数如表1所示。

根据盾构掘进施工的进程，将计算施工阶段划分为4个阶段：①初始地应力计算；②盾构掘进，开挖土体，同时施加盾尾的荷载作用(将开挖土体的荷载释放系数分别考虑为0.5，0.3，0.2)；③钝化盾尾荷载，施加衬砌环以及注浆环，同时在衬砌环上施加浆液浮力以及千斤顶推力反力的竖向分力；④施加注浆压力荷载，修改扩散层的单元属性。

表1 物理力学参数表

2.3 计算结果分析

图3 不同埋深下的管片上浮量

从计算结果来看，随着隧道埋深的增加，管片上浮量逐渐减小，并趋于稳定(见图3)。

地层作用与浆液浮力对管片上浮量的影响也随着深度的增加而逐渐减小(见图4、图5)。其中地层作用对管片上浮量影响所占比重较大，在Z0/D<2时，地层作用影响下的管片上浮量随埋深下降较快，之后随着埋深的增加，管片上浮量的下降趋于平缓。由此可以认为，通过增加上覆土层来改善开挖卸荷对管片上浮量的影响仅在超浅埋土层中有较明显的效果，当隧道埋深持续增大，地层作用的影响会逐渐减弱并趋于稳定。

图4 不同埋深下地层作用所影响的上浮量变化曲线

图5 不同埋深下浆液浮力所影响的上浮量变化曲线

注浆压力压差与千斤顶推力的变化对于管片上浮量的影响非常显著(见图6、图7)，其中注浆压力差和千斤顶推力的影响亦随隧道埋深的增加而减小，最终趋于稳定。

图6 不同注浆压力差下管片上浮量的变化曲线

图7 不同千斤顶推力下管片上浮量的变化曲线

3 结论

(1)开挖卸荷所引起的地层作用对管片上浮的影响仅在较浅埋隧道中表现明显；随着隧道埋深的增加，地层作用对管片上浮的影响会逐渐减弱并趋于稳定。

(2)浆液浮力对管片上浮量的影响随着隧道埋深的增加而减小，并最终趋于平稳。

(3)注浆压力的变化对管片上浮量的影响非常显著，二者呈线性变化。

(4)预仰角的存在会使千斤顶推力在一定程度上减小管片的上浮量，随着千斤顶推力的不断增大，其对管片上浮的影响所占比重与作用方向都会发生变化，所以合理控制千斤顶推力的大小将对减小管片上浮产生较为明显的效果。

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Reaction mechanism and impact factors of upward moving of shield tunnel in loess strata

DONG Xin, YU Hai-tao

(SchoolofHighwayofChang’anUniversity,Xi’an710064,China)

The upward moving of shield tunnel lining is a common issue which will affect the quality of construction. Combining with engineering examples, the reasons for the upward moving of lining in the loess strata has been summarized. In order to balance the body gravity difference of shield machine, a elevation of jack thrust will be preset. The factors affecting the upward moving of lining is analyzed by finite element method, such as the effect of formation, the slurry buoyancy, grouting pressure difference and the effect of jack thrust. A conclusion is reached that grouting pressure difference and the effect of jack thrust are the main factors that influent the upward moving of lining, and a reasonable control of the size of the jack thrust will reduce the upward moving of lining.

loess strata; shield tunnel; upward moving of lining; numerical simulation

2015-02-04

董 昕(1989-)，女，陕西渭南人，硕士研究生。

1674-7046(2015)02-0007-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.02.002

TU984.12

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