摘要：壁后注浆作为盾构隧道施工中必备和关键工序，其质量的好坏不仅影响地层变形，还可能引起隧道在施工期的上浮，对结构的影响很大。基于等效连续模型和弹性地基梁理论，建立了盾构隧道纵向分析模型。通过有限元数值模拟，发现后尾后10环附近的最大浮动变形。借助环缝最大张开量这一参数，分析土层反力系数、环缝接头螺栓数，隧道的速度，隧道掘进速度及管片环宽度的影响是环缝最大张开量随土层反力系数、环缝连接螺栓数量的增人而减小，随隧道掘进速度、管片环宽度的增大而增大，且较为显著；当隧道周围地层反力系数较小时，通过适当的地基处理方法来提高反力系数效果显著。
关键词：盾构施工；隧道工程；壁后注浆
盾构工法以其对环境影响小、适应性好等优点，广泛应用于各地隧道施工，在我国现代城市建设过程中占有非常重要的地位。随着盾构隧道直径的增大和技术要求的提高，管片在脱出盾尾后的整体或局部上浮问题逐渐凸显出来。盾构隧道的上浮对结构应力、接缝防水等产生较大的影响。过大的上浮变形甚至会影响隧道正常运行期间的使用。传统的抗浮设计一般不考虑处于时变特性的特征浆下隧道浮力的动态因素，不能反映隧道在施工阶段的抗浮特性。目前有关设计规范对隧道的防浮设计和施工措施没有明确规定。
新鲜的瞳后注浆液为流态，后经流塑性状态逐渐硬化，直至凝结为结石，在此期间，浆液对处于其中的隧道结构产生上浮力作用，其大小与浆液的龄期有很大的关系，与普通液体中的浮力计算公式F=pgV所得结果有很大的差异。壁后注浆引起盾构隧道上浮对结构的影响属于隧道纵向问题，实际上是一个复杂的三维问题，但目前大多数的纵向分析忽略了横向变形的影响，纵向等效连续化模型，将隧道纵向分析简化为一维问题进行求解。利用弹簧模拟上覆土对结构变形的影响，分析了壁后注浆产生的不同上浮力作用下结构的变形特性。通过试验测定壁后注浆对隧道结构产生上浮力大小，并建立纵向分析模型，能更好地研究壁后注浆引起隧道上浮对结构的影响。
一、盾构法概述
盾构施工中有着环境影响小、施工速度快、适应性强、安全性高、对周围环境无影响等优点。因而被世界各地的地下工程和隧道工程在施工中得到了广泛的应用，在我国今天的建筑领域中占有相当重要的地位。但随着盾构隧道施工规模和直径的不断增加，对施工质量的要求越来越高。这使得一些管片在脱落之后经常会出现盾尾整体或者局部存在上浮，给工程结构受力、接缝防水等方面造成一定的影响。因此在施工中，我们必须要对盾构法施工概念和特点做分析。
1、盾构法概念，作为的盾构法主要是指工程项目为主的暗挖法自动机械施工技术，是通过将盾构机械在地下或者山体之中向前推进，然后通过盾构外壳与管片支撑四周围围堰，为了防止隧道发生坍塌，同时在开挖前，采用切削装置来进行土体开挖，通过土壤运输机械浆挖出的碎屑、土壤运出洞外。这种施工技术是利用后方的加压顶进装置来推动，并在施工的同时拼装预制混凝土片，然后形成一个科学、安全的隧道施工方法。
2、施工特点，就过去多年的盾构法施工实践分析，这类施工方法存在着施工安全、开挖速度快的优点，而且在施工的过程中推进、出土和拼装等过程都是由电子设备自行控制的，施工劳动强度低，不影响地面交通设施和地下管线设施，是施工效率高、投入小的现代化施工方法。
二、壁后注浆机理的研究
在当今工程项目中，后壁注浆的应用越来越广泛，是填补盾尾间隙的主要方法。但在施工过程中经常因为注浆材料进入空隙后将上覆土压力进行压缩，从而使得隧道周围的土体发生变形，从而影响结构质量。因此，在施工过程中，必须深入研究注浆机理和注意要点，确保整个工程的顺利、可持续发展。
1、注浆压力，在确定注浆压力时，需要综合考虑多个不同的方面，从土壤性质、形状、以及前方水泥土压力、覆盖层厚度、注浆压力等方面进行分析，避免注浆压力过大的产生。同时，在注浆过程中，要科学控制注浆压力，避免压力过大，这是防止出现劈裂现象的重要手段。
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2、注浆量，注浆量的确定是以盾尾建筑空隙作为基础进行的，在注浆过程中考虑了浆体对土体的渗透、超冲、渗漏、开挖和注浆线的影响，从而达到填充密实的目的。在目前的注浆量计算工作中，整个计算方法的通用公式为Q=Va，其中V表示要计算的孔隙空间量，a表示注浆速率，一般根据材料特性和土质综合分析。
3、注浆材料的扩散，选择科学、合理的壁后注浆材料是保证注浆质量的关键，这一环节直接影响着注浆成本、注浆效果。在目前的工作中，为了提高注浆质量，通常在材料选择上选择了填充性好、流动性强、离析少的材料。
三、壁后注浆引起盾构隧道上浮对结构的影响
1.影响因素，盾构工法以其对环境影响小、适应性强等优点，在各地隧道施工中得到了广泛的应用，在我国现代城市建设中占有非常重要的地位。随着盾构隧道直径的增大和技术要求的提高，盾构尾后管片整体或部分漂浮的问题逐渐凸显出来。盾构隧道的上浮对结构受力、接缝防水等都会产生较大的影响。过大的上浮变形甚至会影响隧道在正常运行期内的使用。上浮产生的原因可以归结为两个方面：存在造成上浮的空间（外在条件）和具有产生上浮力的作用（内在因素）。前者主要是施工中的盾尾空隙，后者则可能由壁后注浆、千斤顶的顶进推力、泥水盾构隧道过大的切口水压、地下水以及隧道下层土在开挖后回弹等因素造成。
2、纵向分析模型建立及参数确定，纵向分析模型，基于弹性地基梁理论建立纵向分析模型。由于地基梁搁置在地基上，当有荷载作用时，地基梁与地基一起下沉。此时梁底与地基表面将存在相互作用力，其大小与地基的沉降密切相关。因此，在弹性地基梁理论中，最关键的问题是确定地基反力与地基沉降的关系。目前常用的方法是采用winkler假设，即地基表面任一点沉降与该点单位面积上的压力成正比。假定实质上是把地基模拟为刚性支座上一系列独立的弹簧，考虑了梁本身的弹性变形，其缺点是没有反映地基变形的连续性。
3.模型计算参数的确定，试验测定壁后注浆产生上浮力的大小由于壁后注浆液在凝结过程中对结构的上浮力与浆液配比、龄期等多个因素有关，通过设计合理的模型试验进行测定。其中，隧道模型为中空的圆柱体，两端封闭，在其上端连接有通水管和通气管各一根。
4.上浮对结构的影响及其因素分析，纵向分析，盾构隧道环间接缝张开量不仅决定缝的防水质量，但也反映了周围螺栓和混凝土的应力，可作为重要指标来衡量盾构隧道的施工质量。分析了不同计算参数对结构的影响。在上述基本参数的基础上，仅改变某一参数值，保持其他参数不变，研究结构受到的影响随该参数的变化情况。
四、结论
1.基于弹性地基梁理论建立了盾构隧道纵向分析模型，通过有限元软件，借助环缝最大张开量这一重要参数研究了壁后注浆引起隧道上浮对结构的影响，主要是盾构隧道在掘进过程中，最危险的地方（浮力变形或弯矩最大位置）般出现在盾尾第10环附近，远离盾构端管片环受到的影响较小。
2.壁后注浆引起的环缝最大张开量除与注浆浆液、注浆压力等有关外，还受土层反力系数缝连接螺栓数量、隧道掘进速度及管片环宽度的影响，且较为显著，主要表现为环缝最大张开量随土层反力系数、环缝连接螺栓数量的增大而减小隧道掘进速度、管片环宽度的增大而增大。
3.当隧道周围地层反力系数较小时当的地基处理方法来提高反力系数效果显著反力系数达10 MPa／m以上时，通过提高该值来改善接缝防水效果的方法是不经济的。
随着城市地下空间使用的增加，盾构施工技术以其对周围环境影响小、安全性高、成型质量高、施工进度快等优点，被广泛应用于各种地下工程。盾构施工已成为地铁隧道工程、市政管道工程等大型地下工程的主要施工方式。基于盾构施工的概念和特点，壁后注浆引起盾构隧道上浮对结构的影响。
参考文献：
[1]黄飞．软土盾构隧道施工期上浮机制分析及控制研究.2017
[2]朱华.基于弹性地基梁的盾构隧道纵向上浮分析.2017
论文作者:倪飞
论文发表刊物:《基层建设》2018年第28期
论文发表时间:2018/11/11
标签：盾构论文; 隧道论文; 注浆论文; 地基论文; 管片论文; 结构论文; 纵向论文; 《基层建设》2018年第28期论文;