摘要：饱和软土盾构隧道施工中，就频繁出现部分或整个隧道盾尾的浮力，直径越大，覆盖的浅埋隧道，浮动的现象越来越突出，表现为大隧道，螺栓切割和轴线偏差，影响隧道稳定性和施工质量等。传统抗浮设计失败是因为没有考虑浮力的动态因素，隧道设计规范中有关隧道抗浮设计和建设做出了明确的规定和措施。本文简单介绍分析了隧道施工期上浮控制和作用机理。
关键词：盾构隧道；施工；上浮控制
1、引言
盾构法以其安全、可靠、快速、环保等优点，被广泛应用于大城市的地铁、隧道工程的河流，如北京、上海、南京、广州和天津为例，在城市地铁盾构施工约占总数的70%以上，更有专家建议地铁采用盾构法，然后在盾构的基础上扩挖车站的视野，然而，盾构隧道施工过程中，就出现了盾尾段往往部分或全部上浮，显示故障段裂缝，破损，甚至轴偏差、截面等多种常见的工程问题，盾构隧道施工的管片上浮问题已经引起了广泛关注。隧道工程主要采用弹性地基圆环法（美国），周弹簧法或Muir Wood法（英国，法国，德国，澳大利亚，奥地利），考虑到地层结构相互作用的Buqera（西班牙），固定使用或均匀圆法和梁-弹簧（日本）和弹性变形基础环的方法或自由环方法（中国）对盾构隧道的设计，基本上可以满足正常段盾构隧道工程设计和施工的要求。相比之下，由于对盾构施工过程中浮体的机理和规律缺乏了解，盾构施工的上浮问题已成为亟待解决的关键技术问题。
2、国内外研究现状及存在的问题
研究盾构隧道横、纵向上浮量预测问题，需深入研究以下几个问题:（1）上浮作用机理；（2）盾构横、纵向刚度计算方法；（3）横、纵向上浮力分布及大小规律；（4）横、纵向上浮计算模型。
2.1上浮机理
根据现有的实例，从城市地铁、河流的水下盾构隧道实例看，因为在盾构隧道和复杂因素如抗拔承载力损失作用下壁后注浆段将上升。监测数据表明，标准断面的盾构隧道浮力在0～6厘米，但部分管片管片上浮超过10厘米或以上，隧道的侵入范围较深，需要调整线路以解决问题。关于浮动机制，许多工程师与国内外的学者作了深入的分析和研究，从不同的角度，Lo和梁忻亮认为盾尾和建筑空间围岩不及时充填或合并为管片上浮提供了上升的空间，但工程实践部分表明，管片上浮量增加的数量随注浆的增加而增加，反之则降低；根据张海涛的研究，不合理的注浆浆液，导致屏蔽管的长时间被上浮；Maidl，戴小平和沈林冲认为盾构隧道连接螺栓或薄覆土的抗剪能力不足而上升，但管片上浮现象在硬岩地层中和较大的隧道覆土中也出现了；肖明清和魏岗认为，注浆压力会在同步注浆中对管位移产生一定的影响，但这是偶然的，地面上的应力分布是管片流动的根本原因。唐孟雄和叶飞总结出以下五个方面：（1）由浆包产生的静态浮力；（2）对同步或后壁后注浆盾尾注浆和压实动态浮力：（3）上覆土壤的反压缩；（4）纵向偏心载荷不均匀的顶力引起的；（5）在隧道上方基坑开挖的卸荷效应对隧道结构。关于浮力因素和浮力机理，因此，有必要进一步明确各种因素对浮力贡献的影响，抓住主要影响因素分析，为浮力计算模型提供理论依据。
2.2盾构横、纵向刚度及浮力研究
在研究盾构横向刚度时，许多学者本着方便工程运作的原则转化为横向弯曲刚度有效率η和弯矩有效提高率§来考虑，关于两者的取值，学术界一直存在争议。主要有三种取值方法：一是经验或试验取值；二是以“梁-弹簧”模型为基础，获得修正惯用法所需要的η再通过惯用法求解；三是理论推导取值。
研究盾构纵向刚度时，大多数分析会忽略横向变形的影响。应用最广泛的当属日本志波由纪夫为代表额纵向等效连续梁模型，田敬学和徐凌等在此基础上深化了此模型，获得了考虑轴向刚度和纵向等效抗弯刚度的计算方法。这些都考虑不全面，张文杰等在传统模型基础上考虑横向刚度和纵向环缝影响，提出了广义的盾构纵向连续化模型；叶飞等在横向修正惯用法基础上，将η引入到模型中，推出了新的纵向计算公式。上述模型还是忽略了螺栓预紧力的影响。综合考虑上述因素，监理更完善的等效刚度理论，摒弃传统的研究放大，提出新的简化模型，避免梁-弹簧模型参数不易确定和等效忽略局部変形的不合理性是志在必行的。
横向上浮计算模型方面有叶飞提出的局部康复计算模型；魏纲采用修正惯用法计算上浮阶段管片内力；戴志仁从设计者的角度提出了修正惯用计算模型等。叶氏模型虽然考虑了上覆土体的反向压缩特性，但未解决管片受力及上浮量问题；魏氏和戴氏以修正惯用法为基础，不仅没考虑上覆土体的反向压缩特性，而且不能取得管片上浮量的预测值。
纵向上浮计算模型方面：余占奎创建了双面弹性地基梁理论，但理论正确性有待进一步论证；叶飞等通过数据计算，建立的模型与实际情况存在偏差；朱令等基于弹性地基梁理论建立的模型，在求解时让建立在数值建模计算之上。上述模型虽然以纵向等效刚度和弹性地基梁为基础，但是存在探讨证实的空间。
3、深入研究管片刚度、浮力计算
3.1管片横、纵刚度计算
盾构管片横、纵刚度计算可从两方面展开研究，一是从η和§方面入手，这是传统的模型（如图1所示）；二是摒弃传统模型，提出横、纵向折中的简化模型，暂定为“局部刚度修正梁-梁模型”（如图2所示）。
3.2管片横、纵向上浮计算模型及解答
梁-弹簧模型和壳-弹簧模型因为弹簧参数不易选取，故实际多采用弹性地基圆梁法和修正惯用法。弹性地基圆梁法计算向下位移，与实际不符，修正惯用法不能考虑管片上浮时土体反向压缩的特性，所以将全周弹簧模型改良为局部考虑反向压缩特性的局部弹簧模型，并以等效刚度理论为依据，施加主动荷载，建立局部上浮计算模型，在进一步研讨中，建立地应力和上浮力、阻力及反向压缩力共同作用的模型。(如图4所示)。
4、结语
随着地铁和越江盾构在中国主要城市隧道施工，浮管的问题在施工过程中越来越突出。盾构的设计不仅要从管片的设计考虑的角度考虑，更应该增加量预测盾构管片设计的控制，而不是仅仅把浮动位移控制在施工过程中，为了避免隧道污染由于浮力问题，更需要调整生产线来解决由浮力引起的管片漂移。通过对国内外现有研究现状的分析，指出现有研究中存在的问题，并进一步提出研究方向和方法，希望能为同类研究学者提供一些参考和借鉴。
（1）盾构隧道研究过程中浮力计算模型必须首先解决段尺寸分布及压力大小的问题，现有的研究灌浆，渗透之间，压实和连续过程的分裂，如何设置和实际的计算模型更贴切的仍然是一个难点，为今后的研究找准了方向。
（2）现有的研究成果一直延伸出等效刚度的概念，通过模型试验和数值计算的方法，着重研究刚度效率和弯矩增加率的研究，以方便截面设计。为了进一步阐明横向和纵向刚度之间的内在关系，建立盾构隧道的有效纵向计算模型是隧道中亟待解决的问题。
参考文献
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论文作者:马帅
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/25
标签：盾构论文; 隧道论文; 管片论文; 模型论文; 刚度论文; 浮力论文; 纵向论文; 《基层建设》2018年第6期论文;