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摘要：随着时代的进步，安全、环保意识得加强，盾构法施工以其影响面小、安全、快速等优点，成为城市轨道交通建设的首选。盾构施工过程中，拼装完成的管片不时会出现局部或整体上浮.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。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，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。
关键词：黄土层；管片；上浮
1、管片上浮机理
1.1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。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
1.2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。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
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，在黄土地层中，同步注浆可有效地填补盾尾间隙，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：yj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
式中：P为上下注浆压力的压差（一般取0．05～0．1MPa）；θ为注浆浆液分布区域边界与竖向的夹角.
2、施工过程模拟计算
本文结合拟建的某大直径盾构隧道工程，采用有限元法对盾构施工过程进行模拟分析，并对地层性质、覆土厚度、注浆材料等因素对管片上浮的影响关系进行分析，从而揭示管片上浮的根本原因，可为制定控制管片上浮的措施提供参考和依据。
2.1衬砌成环时受力状态
当衬砌管片刚拼装成环后，衬砌环处于盾尾保护之内，仅受自重作用，其整体运动受盾构机支配。当盾构机掘削土体同时自重作用于地层后，由于一般盾构机重量小于开挖土体的重量，故地层应力会进行重分布，使盾构机在地层作用下略有上浮。这种上浮是一种平均效果，由于盾构机重量沿纵向分布不均匀，所以在软土地层中较重的刀盘部分一般会下沉，而盾尾部分则表现为上扬，即出现“磕头”现象.
2.2管片上浮原因
根据力学原理可知，衬砌环脱出盾尾时的衬砌环受力处于不平衡状态，衬砌环有发生运动的趋势。
对软弱地层中的隧道，衬砌环脱出盾尾时受到地层作用，当地层向上作用力的合力与衬砌自重的差值大于地层对衬砌环的摩擦力时，衬砌环将发生上浮。衬砌环上浮的结果引起地层应力的再次重分布，表现为隧底地层因应力释放而产生向上的位移，同时隧道顶部地层应力增加，上方覆土也随之隆起。随着地层应力的调整，衬砌环受到的竖向合力F逐渐减小，最终衬砌结构和地层达到了新的平衡而停止运动，可见软弱地层中管片上浮的发生是施工过程中地层应力重分布的结果。由于在土质地层中，地层应力释放、调整的过程较为缓慢，所以盾构管片的上浮从脱出盾尾开始，持续较长一段时间才会结束。
对于围岩能够自稳的隧道，衬砌环脱出盾尾后不受地层压力作用，如果没有水或未凝浆液的作用，一般不会发生上浮。当处于富水地层或采用惰性浆液同步注浆时，衬砌环将会发生较大的上浮，且持续时间相对较短。
超挖、推力不均衡、纠偏、注浆压力不均衡等因素对管片位移可能有影响，但其引起管片位移的方向（可能向下）有偶然性，因此不可能是管片发生规律性上浮的本质原因
基本参数
结合拟建的某隧道的设计情况，隧道内径为13.7m，外径为15.0m。盾构机参数如下：盾构机外径为15.4m；盾构机内径为15.2m；盾构机总重量为3200t，平均重度为12.27kN/m3。管片材料为C60钢筋混凝土，隧道所处地层为粉质黏土，同步注浆采用惰性浆液。各材料的物理、力学特征参数见表1。
图1基本计算参数表
2.3计算结果及分析
按照上述方法，取覆土厚12.0m计算。得到各施工阶段相对上一阶段的位移变化值。地层位移变化可以看出，盾构机掘进过程中，由于施工对地层的扰动引起部分荷载释放，造成周边地层应力释放，土体向隧道内位移；当盾构机自重荷载作用于地层上后，由于盾构机平均重度（12.3kN/m3）小于地层重度（18.5kN/m3），故在地层应力差的作用下盾构略有上浮。当衬砌环脱出盾尾与同步注浆材料共同承受地层荷载后，由于衬砌环的平均重度仅仅为4.3kN/m3，故衬砌环产生上浮，隧底管片向上位移59mm，拱顶管片上移26mm，管片呈“横鸭蛋”形，平均整体上浮43mm。
3、管片上浮的影响因素分析
3.1 衬砌环形建筑空间
盾构切削刀盘直径与隧道管片外径有一定的差值，当管片脱出盾尾后，管片与围岩间产生一环形建筑空间，就给管片提供了上浮条件。
3.2 地质
在软弱地层中，由于围岩自稳性差，应力释放快，塑性变形大，这一环形空间在管片脱出盾尾后，拱顶围岩极有可能发生变形或拱顶围岩下沉，减小了围岩与管片之间的间隙，同时建压掘进和及时地同步注浆使此间隙能得到有效填充，有利于管片快速稳定。
在稳定较好的基岩地层中，管片脱出盾尾后，由于围岩的收敛变形小，环形建筑空间在相对长时间内是稳定的；同时在此类较稳定的地层中掘进时通常采用敞开式或半敞开式掘进模式，盾尾处的同步注浆与前方掌子面间存在一定的压力差，造成同步注浆浆液前窜；若在有裂隙水的情况下，特别是在下坡段掘进时，必然导致浆液前窜现象加剧。这样，就使靠近盾尾一定范围内的脱出盾尾的管片与围岩之间的间隙长时间得不到及时有效填充。
3.3管片受力分析
由于管片与围岩的间隙的存在，使脱出盾尾后一定范围内的管片处于无约束的状态或未被固结的流体所包围，在推进缸隧道纵向力产生的两端的摩擦力和该段所有的重力不足以抵消隧道垂直方向的强大浮力时，就造成中部管片发生上浮挠曲变形或错台现象。
参考文献：
[1]黄威然，竺维彬．施工阶段盾构隧道漂移控制的研究［J］．现代隧道技术，2005，42（1）：71－76．
[2]肖明清，孙文昊，韩向阳．盾构隧道管片上浮问题研究［J］．岩土力学，2009，30（4）：1041－1045．
[3]陈仁朋，刘源，刘声向，等．盾构隧道管片施工期上浮特性［J］．浙江大学学报：工学版，2014，48（6）：1068－1074．
[4]张东晓，李朝，吕大桅，等．盾构隧道管片上浮机理分析及控制研究［J］．铁道标准设计，2011（7）：95－97．
论文作者:钟雪廷
论文发表刊物:《基层建设》2016年5期
论文发表时间:2016/7/1
标签：管片论文; 盾构论文; 地层论文; 注浆论文; 浆液论文; 隧道论文; 黄土论文; 《基层建设》2016年5期论文;