浅覆土段超大直径泥水平衡盾构管片抗浮技术研究

张旭

（南京市公共工程建设中心，南京210019）

1 引言

随着我国经济社会的发展，超大直径泥水盾构隧道在长江中下游的大型越江隧道中得到了大量应用。目前，长江南京段建成的有应天大街长江隧道（外径14.5 m）、定淮门长江隧道（外径14.5 m）、江心洲大桥夹江隧道（外径15 m），在建的有和燕路过江隧道（外径14.5 m），这些隧道在浅覆土段盾构始发后都不同程度地出现过管片脱出盾尾后上浮的现象。由于相邻管片间采取螺栓、剪力销等半刚性连接形式，管片上浮引起的变形、渗漏、甚至连接螺栓剪断，都将对盾构结构的质量、安全和寿命产生不利影响。

目前，国内众多专家针对盾构区间浅覆土段管片抗浮技术进行分析研究。庄国清[1]等学者针对在浅覆土（最小覆土约3 m）泥水盾构掘进的情况下的风险和困难，通过对抗浮方式研究增加配重管片抗浮、优化切口水压设定、加强注浆质量等措施实施，成功完成了风险极大的浅覆土段泥水盾构施工；朱宝石[2]通过管片抗浮方式研究，采用大配筋率管片，盾构过程中辅助以低渗透高质泥浆进行施工，确保了泥水盾构浅覆土掘进顺利施工。李旸[3]等学者通过进一步对管片受力情况，同步注浆，盾构姿态等上浮原因分析与排查，采取了控制盾构掘进出土量，调整同步注浆浆液配合比，对盾构机姿态进行控制等措施，取得了良好的效果。

综上，国内专家已多次针对盾构区间浅覆土段管片抗浮技术进行分析研究，可见其关键性。本文根据南京已建或在建越江隧道的管片抗浮经验，通过分析管片上浮的原因，研究建宁西路过江通道浅覆土段盾构抗浮技术，为今后的超大直径盾构隧道建设提供了参考。

2 工程概况

在建的南京建宁西路过江通道（外径14.5 m）位于长江大桥和扬子江隧道之间，距离上游的扬子江隧道约1.8 km，距离下游的长江大桥约2.4 km。目前左线盾构已从江北工作井出发开始掘进，右线盾构即将始发。以左线隧道为例，盾构段平面长度为2 349.066 m，盾构隧道共设置管片环1 174环，其中江北始发浅覆土段64 m，覆土厚度最浅处11.57 m，江中浅覆土段232 m，覆土厚度最浅处10.76 m，均属于饱和软土地质中超大直径盾构掘进，极容易发生管片上浮问题。

3 管片上浮原因分析

盾构隧道在掘进过程中，盾构机开挖直径大于管片外径，管片在脱出盾尾后存在盾尾间隙，需通过注浆孔对盾尾间隙进行同步注浆。注浆浆液需要一定的时间才能达到足够强度以约束固定管片，若注浆浆液不能初凝和达到一定的早期强度，则刚脱出盾尾的管片将包裹在由泥浆、流塑态的注浆浆液和地下水组成的液体环境中，从而受到较大浮力，导致管片上浮。同时当盾构在浅覆土段掘进时，在长江南京段软土地层中，由于地下水丰富而上方浅覆土的约束压力不够，上浮问题更难控制。管片上浮示意见图1。

图1 管片上浮示意图

随着隧道直径的增大，隧道管片受到的浮力成倍增加，超大直径盾构在浅覆土段掘进时的抗浮技术的研究对于盾构隧道的应用发展具有重要意义。

在隧道轴线方向上，脱出盾尾管片的一侧受已凝固浆液管片的约束，另一侧则受盾尾的约束。随着盾构向前掘进，时间逐步推移，注浆浆液逐渐凝固，管片受到的浮力将逐渐降低，因此刚脱出盾尾的管片受到的浮力更大。

当盾构在软土地层中掘进时，尚未脱出盾尾、未发生上浮的管片，与刚脱出盾尾、受到较大浮力的管片之间的环缝面上，在不考虑同步注浆的动态压力的情况下，主要存在浮力（F）、上方覆土压力（E）、管片自重（G）、管片之间连接的剪力（Q）以及初凝的注浆浆液断面上产生的剪力（Q′）。见图2。当受力平衡时，Q+Q′=F-E-G。

图2 管片环缝面受力示意图

当剪力Q+Q′处于管片连接以及初凝浆液抗剪能力范围内（Qmax+Q′max），即F-E-G≤Qmax+Q′max时，可以认为管片连接是安全的，因此，控制管片上浮应当主要解决管片环缝面上的受力情况。

4 管片抗浮措施

4.1 提高管片连接抗剪能力

建宁西路过江通道的管片环缝面上除了连接螺栓外，还增设了剪力销，增大了管片之间连接的刚性。

4.2 提高同步注浆浆液的抗剪能力

调整同步注浆浆液的配合比，在保证浆液流动性的情况下，提高浆液早期剪切强度。

4.3 降低管片受到的浮力

1）缩短管片处在液态或流塑态环境中的时间。可以在盾构始发井端头加固区后适当扩大地下水降水范围，提前降低浅埋段的地下水位，尽量减少盾尾间隙中的地下水。也可以调整同步注浆浆液的配合比以缩短初凝时间。

2）降低浆液的密度，根据不同地层调整同步注浆浆液的配合比，从而降低浮力。

3）控制盾构掘进速度，为同步注浆浆液凝固留更多的时间。建宁西路过江通道根据在不同的地质中掘进情况，配制了不同配合比的浆液。同步注浆配合比见表1。

表1 建宁西路过江通道左线盾构同步注浆配合比

管片成环后在上部安装测量棱镜，通过盾构机VMT导向系统自动测量，每20~30 min，给出棱镜的绝对高程变化。根据观测数据，若发生管片上浮现象，应及时处理。

4）盾尾完全脱出始发加固区范围（20 m，即10环）后容易发生上浮。通过降低推进速度（每天掘进1-2环），并在一号台车前段顶部设置二次注浆平台，管片脱出盾尾后通过顶部的二次注浆孔进行二次注浆，管片稳定后再恢复掘进。二次注浆配合比见表2。第11~20环上浮及二次注浆量统计见表3。

表2 建宁西路过江通道左线盾构二次注浆配合比

表3 建宁西路过江通道左线盾构11~20环上浮及二次注浆量统计

4.4 增大上方覆土压力

和燕路过江隧道采取了在浅覆土段盾构上方采取了堆土的方式增加负重。在掘进线路上方，从11环开始至65环，中心线两侧各9 m范围内，堆放3 m高渣土，覆土增加至12 m，通过增加覆土高度与降水固结，压实土体，进而增加土体对于同步注浆浆液、管片及盾尾的约束力。

4.5 增加管片自重

在盾构机尾部增加配重，来增加管片自重，降低上浮影响。

和燕路过江隧道在每环推进时，将重为80 t的拼装机后退至1号台车前端，以增加刚脱出盾尾的管片的受力，尽可能地减小上浮。

建宁西路过江通道左线盾构在1号台车前端下部设置了约200 t的压重及行走机构（见图3）。

图3 1号台车下方压重

5 结语

1）盾构区间浅覆土段管片抗浮要综合考虑各项盾构掘进要素，不能仅依靠控制同步注浆作为主要因素。

2）优化管片设计，增加管片自重也是盾构区间浅覆土段管片抗浮的重要措施之一，可与同步注浆各项参数的控制相结合，大大减小管片上浮量。

3）加强浅覆土盾构施工的信息化管理，根据具体实施过程中的问题及测量信息，及时地进行盾构机掘进参数的调整。