粉质黏土中大直径泥水盾构隧道管片上浮及错台现场测试分析

李明宇，余刘成，陈健，靳军伟，历朋林,3，李春林，田应飞

(1.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001；2.中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250101；3.中铁十四局集团 大盾构工程有限公司，江苏 南京 211800；4.济南城隧建设工程有限公司，山东 济南 250000)

大直径盾构隧道近年来大量建设用于解决城市交通问题[1−2]。由于大直径隧道通常位于大江大河下方，管片直径的增大，工程地质水文条件及施工控制难度的增加导致管片上浮问题更加突出[3]。同时，上浮导致的错台问题也成为施工期管片损伤的主要因素[4]。南湖路湘江隧道[3]、南京地铁3号线[5]、武汉地铁7号线[6]、上海市北横通道[7]等工程的现场监测结果表明，施工期盾构隧道管片上浮有着较为统一的发展规律，但上述研究所依托工程隧道直径较小，或属于大直径盾构隧道但监测频率较低致使难以捕捉到管片上浮量发生明显变化阶段相应的特征，或于管片脱离盾尾后进行监测致使监测结果比管片实际上浮量小的多[8]，即均不能准确反映大直径盾构隧道管片的全过程上浮发展特性。同时，研究表明管片上浮是多种因素共同作用的结果，与地层性质、浆液特性和盾构姿态等因素均有关联[9−11]。黄钟晖等[12]采用敏感性分析法计算出了管片上浮各主要影响因素的权重，认为掘进速度加快会增大管片上浮量。董赛帅等[5,13]同样将控制掘进速度作为管片上浮控制措施之一，但类似结论缺乏工程实测依据且与季昌等[14]所进行的现场试验结果相悖。盾构隧道施工期的不均匀上浮诱发错台进一步发展，对于由上浮导致的管片施工期错台的研究，目前集中于以下4个方面：管片错台影响因素及分布特征；管片错台导致的接缝受力；管片错台量值预测；管片错台控制措施。张社荣等[15]采用数值模拟的方式探讨了管片错台分布规律及其影响因素。MO等[16]研究了盾构姿态变化对管片内力和错台的影响，并提出了相应控制措施。WANG等[17]采用模型试验和数值模拟相结合方式，分析了错台过程中导致的管片破损、接缝受力的分布和演变规律。CHENG等 提出了隧道纵向受力和变形的解析解，研究结论能够很好地预测管片沉降、错台。张强[19]基于现场实测分析了错台发展规律，基于力学分析推导出了预测公式，但其对于错台的监测仅在管片脱离盾尾后进行，而管片在脱离盾尾前的错台是否已经发生较大变化，目前仍未可知。上述关于管片上浮及错台的研究中隧道直径多在6 m左右，而关于大直径泥水盾构隧道施工期管片上浮、错台全过程演变特性、基于实测数据对大直径隧道管片上浮及错台影响因素的研究鲜有涉及。与一般城市地铁隧道相比，大直径盾构隧道管片面临的上浮问题愈加突出：随着盾构隧道直径的增大，管片所受的浮力将成倍增加，同时上浮及错台发展特性必然与中小型盾构隧道不同。依托济南黄河隧道工程，对大直径泥水盾构隧道管片施工期上浮、错台以及收敛变形进行同步监测。基于监测结果及施工参数，分析了管片上浮、错台、收敛变形发展规律，横、纵向上浮分布特征，并对上浮与错台、施工参数进行相关性分析。最后，指出了管片上浮及错台的关键控制区域并提出了相应控制措施。

1 试验场地工程概况

本试验依托济南黄河隧道工程，该隧道为公轨合建式盾构隧道，采用泥水平衡盾构法施工，隧道分东西两线由北向南穿越黄河，为双管双层形式。盾构刀盘直径15.74 m，管片为单层装配式衬砌(见图1)，管片外径(D)15.2 m，管片内径13.9 m，管片厚度为650 mm，环宽2 m，错缝拼装。试验段位于黄河河槽下方的西线WK1+632.8～WK1+672.8里程段，区间轴线近似水平，河水深2～3 m，拱顶覆土埋深在30～32 m之间。期间隧道穿越地层主要为粉质黏土，隧道断面上部发现钙质结核，下部局部伴有细砂，该区段土体分层情况如图1和表1所示。

表1 物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties

图1 试验段地质条件及管片测点布置Fig.1 Geological conditions of test section and measuring point location

2 试验方案设计

选择连续20环分别对管片上浮、错台、竖向收敛进行平行监测。于管片拱顶、两侧拱腰、拱底、拱腰和拱底之间区域布置上浮测点。于拱顶布置错台自动监测装置，同时测量管片拱顶和拱底拼装错台量及错台终值，监测布点见图1和图2。

图2 管片测点分布及错台采集Fig.2 Tunnel measuring point distribution and dislocation measurement

结合现场条件，上浮监测仪器选用全站仪、小棱镜、反射片，于隧道后方拱顶、拱底稳定区域分别设立基准点。管片拼装完毕后(管片拼装区域与盾尾空间位置见图3(a))，于拱腰和拱底区域黏贴反射片，拱顶区域布置小棱镜，监测各测点初始高程，随后测量后方管片测点(拱底区域主要为图1中的C和E 2点)上浮量。其中，距盾尾前5环的拱顶区域测点测量间隔小于3 h/次，距盾尾5～15环拱顶、拱底测点测量频率保持12～24 h/次，直至管片稳定。管片在某时上浮量等于该时刻高程减去初始高程，隧道顶部和底部上浮量的差值即为竖向收敛值。此外，规定从开挖面向箱涵方向，环缝两侧管片高程依次相减得环间错台量，正值表示更接近开挖面的管片高程大于相邻管片，相反则为负值(见图3(b))。

图3 盾构施工简图及错台正负规定Fig.3 Sketch of shield tunnel construction

管片拼装完毕后，测量管片拱顶和拱底区域拼装错台量，并对拱顶区域的环缝错台进行自动化采集，监测频率为20～30 min/次。在试验正式开展之前，首先对位于济南黄河隧道工程东线隧道黄河下方的部分管片上浮、错台进行了测试，其中上浮测点位于拱顶一侧、错台测点位于拱顶环缝，监测结果见图4。由图4可知，东线隧道管片在脱离1号台车后上浮、错台已然趋于稳定，因此本试验段中当管片脱离1号台车后，即可视现场条件陆续采集管片所有测点的上浮量终值，以及拱顶和拱底的错台量终值。

图4 东线隧道管片拱顶上浮、错台变化曲线Fig.4 Upward moving and dislocation variation curves of vault of shield tunnel on the east line

3 实测数据分析

3.1 管片上浮实测分析

3.1.1 管片上浮演变特性

黄河底部试验段管片环号为923～942环，图5为927～934环拱顶I点、拱底E点的上浮发展规律。分析可知，管片自拼装完毕至上浮稳定的过程大致可分为以下4个阶段：初始变形阶段(拼装完毕～脱离盾尾)、快速上浮阶段(脱离盾尾0～7 h)、平缓上浮阶段(脱离盾尾7～20 h)和缓慢沉降阶段。

由图5可知，管片在初始变形阶段，拱顶和拱底区域高程变化趋势并不是一直统一的：在管片拼装完毕～开始脱离盾尾时，管片拱底高程或不变或已然上升，而拱顶区域则大多沉降。但监测结果显示管片开始脱离盾尾～完全脱离盾尾的过程中(该过程也是对管片注浆的过程)，拱顶和拱底区域的高程均已上升，即管片在完全脱离盾尾前已经具备一定的上浮速率。若以某阶段上浮增量和最终上浮量的比值作为该阶段上浮占比，则在初始变形阶段拱底平均上浮占比35%，拱顶平均上浮占比20%。

图5 管片上浮时程曲线Fig.5 Uplift-time curves of tunnel

在快速上浮阶段，被浆液完全包裹后的管片所受浮力达到极值，管片上浮近似线性增长，该阶段管片拱底平均上浮占比40%，拱顶平均上浮占比75%。当管片脱离盾尾7～20 h时，拱底、拱顶上浮增量占比分别为30%和20%，此时浆液已经具备一定强度，浆液浮力已然衰减，而由拱顶覆土荷载、环间螺栓剪力组成的抗浮力逐渐增大[20]，进而表现为上浮速率逐渐减缓。

与管片脱离盾尾后的快速上浮、平缓上浮阶段的变形特性有所不同，管片脱离盾尾20 h直至测量结束，隧道衬砌有着整体下沉趋势：如928环于脱离盾尾20～70 h之间拱顶产生了5 mm沉降，929环脱离盾尾23～30 h之间拱顶产生了7 mm沉降，各环拱底区域沉降量则较小，平均沉降仅2 mm左右。由于测试段土层软弱，此阶段管片浆液也已经凝固，隧道管片将和周围土层一同沉降[21]，同时由于土体的流变特性，覆土荷载随着时间的增长持续增加[22]，致使拱顶区域沉降量大于拱底。对各环脱离盾尾20 h直至测量结束过程中的监测数据进行统计分析，结果表明期间拱顶区域沉降量占最终上浮量的15%左右，拱底区域沉降占比仅为5%。鉴于这一过程中拱顶、底区域的变形量及变形速率均较小，因此，本文将管片自脱离盾尾20 h以后统称为缓慢沉降阶段。

对试验段所有管片上浮测点的上浮量终值进行统计分析，以测点与拱底的竖向距离为自变量，对应的各环上浮量平均值为因变量，进行线性拟合，结果见图6(a)。观察可知，管片自拱底到拱顶上浮量线性递减。拟合结果表明各测点上浮与其距拱底的竖向距离近似满足一次函数关系。

管片拼装完毕时，以后方各环管片和盾尾距离l为横坐标、各管片在该时的拱底上浮量占其最终上浮量的百分比为纵坐标，得出管片拼装完毕后的纵向上浮规律，见图6(b)。由图6(b)可知，随着管片与盾尾距离的增加，管片纵向上浮曲线首先上升随后呈下沉趋势，其中当939环拼装完毕时，距盾尾1.6D的925环已经达到上浮终值，该位置接近于盾构1号台车(或管片输送机)尾部。进一步分析可知，由于在盾尾后方4环以后的管片的上浮量普遍达到上浮终值的80%以上，且管片一旦上浮将难以纠正，故应在盾尾后方1～4环着重控制上浮。

大直径盾构隧道内部结构复杂，尤其是在大直径公轨合建式盾构隧道施工中，监测单位往往仅能在拱顶布置上浮测点，所测结果不仅不能准确反映管片真实上浮特性，反而对隧道精准施工带来困扰。实际上，拱底上浮量即为现场所测拱顶上浮量与管片竖向收敛量之和，结合所测管片拱顶上浮及相应的施工期竖向收敛演变规律(图6(c))，仍能反推拱底上浮量变化情况。由图6(c)可知，试验段内绝大多数管片自脱离盾尾前已发生竖向收敛，且在距离盾尾后方0.5D之内收敛变形速率较大。随着管片与盾尾距离的增加，竖向收敛变形演变规律同样呈指数函数形式，且收敛增长速率逐渐降低，并在距盾尾1.6D时趋于稳定，该区域同样为管片高程变化速率较小区域。

图6 管片横、纵向上浮规律及收敛变形特征Fig.6 Uplift distribution of single segment and continuous ring segment and the development of tunnel convergence

3.1.2 管片上浮影响因素分析

选取923～935环管片拱顶及拱底各测点上浮稳定值与施工参数进行相关性分析(因936～942环更改了浆液配比，故在分析时并未将该区间包括在内)，分析结果见图7。

由图7(a)可知，管片上浮与上部盾尾间隙(管片拼装完毕后测得的管片外弧面与盾壳内弧面的垂直间隙)线性相关。由于管片拼装时该间隙存在较大波动，因此在防止管片上浮的相关措施中可着眼于减小盾构掘进过程中的超挖量。由图7(b)可知，掘进速度与管片上浮具有线性关系，一般来讲，盾构推进速度较大时，浆液可能无法及时凝固，导致管片受到浆液上浮力的作用范围增大，进而使得管片上浮风险增加[12]。结合匹配结果进一步分析可知，于黄河底部大直径盾构隧道掘进速度低于15 mm/min时，隧道上浮量将低于50 mm。

由图7(c)～7(d)所示，管片上浮受注浆量的影响并不明显，拱顶千斤顶推力与拱顶区域的上浮线性相关。根据盾构开挖直径、管片外径计算可得每环管片理论建筑间隙为26 m3，由于试验段内管片注浆量均在50 m3以上，浆液能够较好地填充建筑间隙，故其进一步增大时对管片上浮影响不大。

3.2 管片错台监测结果分析

管片上浮可能会导致管片错台进一步发展，进而极大地影响隧道安全。本节分析了大直径盾构隧道施工期上浮及错台平行监测结果，以探求管片错台全过程发展规律及与管片上浮的相关性，结果见图7。

图7 管片上浮与施工参数的相关性Fig.7 Influence of tunnelling parameters on the segment uplift

从图8(a)观察可知，大直径盾构隧道管片环缝错台发展规律总体分为以下3个阶段：

图8 管片错台典型发展规律及与上浮相关性Fig.8 Typical development of segment dislocation and the correlation between uplift and dislocation

1)快速减小阶段(阶段Ⅰ：管片拼装完毕～环缝脱离盾尾1.5 h，距盾尾-2～1 m)，该阶段管片错台线性递减。结合现场盾构施工步骤(图3(a))及3.1节的上浮监测数据可知，第N环拼装完毕后盾构恢复掘进，此阶段第N环管片拱顶区域或出现沉降或上浮速率较低，而第N-1环逐渐脱离盾尾且上浮速率加快，致使环缝错台量持续减小。

2)增长阶段(阶段Ⅱ：环缝脱离盾尾1.5～25 h，距盾尾1～14 m)，总体来看该阶段管片错台发展规律类似于管片脱离盾尾后的上浮增长规律，环缝脱离盾尾后首先呈线性增加，当环缝脱离盾尾6～10 h后，错台增长速率逐渐减缓。

3)稳定阶段(阶段Ⅲ：环缝脱离盾尾25 h以后，距盾尾14 m以后)。管片错台稳定的位置距盾尾约为14 m，在此之后，当环缝脱离1号台车(管片喂片机尾部)、进入箱涵区域均不会对管片错台造成影响。

由上述分析可知，管片错台与上浮的发展规律具有一定的相似性，选取927环的拱顶上浮及错台平行监测结果，所有管片的拱顶、底测点I和C的上浮量终值及相应的错台量终值做进一步分析，结果分别见图8(b)～8(c)。由图8(b)～8(c)可知，管片错台与上浮线性相关，当928环逐渐脱离盾尾并加速上浮时，错台量开始回升，此时错台和上浮百分比的增长速率几近相同。

4 结论

1)大直径泥水盾构在以粉质黏土为主的地层中掘进时，管片上浮过程可分为：初始变形(管片拼装完毕～脱离盾尾，拱底上浮占比为35%)、快速上浮(脱离盾尾0～7 h，拱底上浮占比为40%)、平缓上浮(脱离盾尾7～20 h，拱底上浮占比为30%)和缓慢沉降(拱底沉降占最终上浮量5%)4个阶段。管片自拱顶至拱底上浮量线性递增，单环管片竖向收敛及连续环管片拱底纵向上浮则呈指数型发展，且竖向收敛在距离盾尾1.6D处趋于稳定。

2)大直径泥水盾构在以粉质黏土为主的地层中掘进时，管片错台发展规律可分为：快速减小(拼装完毕～环缝脱离盾尾1.5 h，距盾尾-2～1 m)、增长(环缝脱离盾尾1.5～25 h，距盾尾1～14 m)和稳定3个阶段。管片脱离盾尾前，环缝错台量将会发生持续性减小，随后便快速增加。随着浆液强度的增大，错台缓慢增长，并在距离盾尾7环处趋于稳定。

3)大直径泥水盾构隧道管片上浮与错台、掘进速度、上部盾尾间隙线性相关。为减小管片上浮量，盾构隧道施工期应尽量避免超挖，并适当降低盾构掘进速度，建议在易上浮地层条件下盾构掘进速度降至15 mm/min以内。此外，管片上浮和错台的最佳控制区域位于盾尾后方的1～4环。