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盾构法施工隧道衬砌管片上浮的产生机理及控制措施探究

1 问题探究背景
本文以西安市地铁5号线2标盾构区间为例，该区间东起阿房宫站，西止和平村站。该区间深度45m范围内的地层主要为第四系堆积物，即由全新统人工填土、冲洪积黄土状土、中砂、粉质黏土、上更新统冲积粉质黏土、粗砂及中更新统冲积粉质黏土、中砂等组成。该地区地下水水位埋深13.9～17.1m，水位高程382.20～383.38m。覆盖层为第四系松散层，含水层主要为弱透水的黏性土夹砂层透镜体，潜水含水层厚度大于50m。本地区潜水补给来源主要来自侧向径流补给、大气降水入渗以及绿化带灌溉的入渗补给。地下水的总体流向为北北西。潜水排泄方式为人工开采、蒸发、向下游径流等。
叶飞认为，对管片吊装孔即时注浆，软土地区盾构管片受到的上浮力必须大于隧道上覆土柱荷载与管片重力之和才能导致管片上浮，管片下部的注浆压力为施工期隧道上浮的主要原因。
2 管片上浮造成影响
2.1 管片上浮导致错台裂缝
管片出现错台和裂缝的直接原因是已成型管片出现相对位移。这种相对位移集中出现在管片脱出盾尾的过程中，是由于受到来自轴向和径向的不平衡力导致出现的相对位移。出现上浮后，脱出盾尾的管片之间会出现不可避免的错台，如果不采取有效措施阻止管片之间的相对位移，管片受到的管片螺栓拉力会越来越大，当管片本身无法承受螺栓的拉力时，管片螺栓孔处在所受浮力和管片螺栓拉力的相互作用下会出现破损。
2.2 隧道轴线超限漏水
因隧道管片在脱出盾尾后，持续受到上浮力的影响，导致管片持续上浮，严重时会发生隧道轴线垂直偏差超过规范值，影响后期地铁运营。因上浮造成的管片错台导致三元乙丙止水胶条及遇水膨胀止水胶条无法严密贴合，甚至造成止水胶条破损。管片裂缝严重时出现的破损，将影响管片的抗渗能力，降低隧道管片的自防水效果。
3 管片上浮成因探究
3.1 地质条件及水文条件
西安地铁5号线2标施工使用了ZTE6250盾构机（开挖直径6280mm），开挖直径与管片衬砌外径之间有14cm的间隙，给管片上浮提供了足够的空间。不同于砂层，因隧道周边土体收敛性较强，在开挖至衬砌后，土体将迅速包裹管片外壁，管片无上浮空间。区间水文条件主要影响2方面因素：（1）地下水会由于阿基米德原理对隧道衬砌管片形成浮力，进而导致隧道管片上浮；（2）地下水会影响浆液形态的变化，增长壁后同步浆液凝结时间。
3.2 注浆压力及浆液性态
注浆压力会直接对管片形成向上的分力，导致隧道上浮。根据现场施工情况，浆液性态对管片上浮的影响尤为显著。在浆液初凝前，浆液为液态，同样由于阿基米德原理，会对隧道衬砌管片形成较大的浮力。不同的是，地下水水位随着隧道的不同埋深而不断变化，但浆液始终完全填充管片与周边土体间的间隙，持续造成管片上浮。浆液初凝后成为胶体，将不遵循阿基米德原理，相反，会对管片形成抓紧力，抑制管片上浮。因此，本文认为控制浆液性态是控制管片上浮的最主要措施之一。
根据阿基米德原理，单环管片受到的浮力等于其排出的液体的重量，且穿过管片的形心竖直向上。管片环外半径R=3m，浆液密度ρ=1900kg/m³，重力加速度g=9.8m/s，管片质量m=21000kg。
单环管片所受浮力为:F_浮=1.5πR²ρg=789301.8N；
单环管片受到的重力为:G_管=mg=205800N，F_浮>G_管，因此，管片有向上运动的趋势。
3.3 二次补浆工艺及时效性
通过二次补浆，可以防止管片壁后的地下水形成汇水通道，减小地下水对管片产生的浮力以及对浆液性态产生的影响，另外，补浆可迅速填补管片顶部壁后间隙，减少管片上浮空间。
3.4 盾构姿态及油缸分力影响
如图1所示，在隧道下坡区段，由于管片上浮，导致管片姿态与盾体姿态形成错位，盾构机油缸对隧道衬砌管片的顶推力始终存在向上的分力（见图2），且因管片与盾体最终形成闭合曲线，管片需成较大向下角度满足曲线闭合要求。

注：θ为F_推与水平分力的夹角。

根据西安地铁5号线2标盾构区间实际情况：盾构机推力F_推=11000kN，坡度=2.2%，向上的分力：F_上=F_推sinθ=242kN。
4 隧道衬砌管片上浮控制措施
二次补浆从管片壁厚进行二次注浆，注浆点位选择在管片顶部，双液浆凝固时间控制在30s左右，通过二次注浆，使管片顶部快速充满浆液，阻止管片上浮，降低推进速度，从而延长管片脱出盾尾的时间。另外，在同步浆初凝时间不变的情况下，降低推进速度可以使更少的管片处于液态同步浆中，从而加强了管片的稳定性。通过调整同步浆液配合比，减少同步浆液的初凝时间，可以使脱出盾尾的管片尽早进入稳定状态，从而减小上浮量。每隔5环做一次环箍，环箍又称止水环，采用双液浆通过二次注浆的方式制作。在相邻的2环上选择不同的点位对管片进行壁后注浆，点位在相邻的2环管片中交叉选择5～6个沿管片环向一周，确保管片外壁与土体之间的缝隙可以充满双液浆。由于脱出盾尾的管片有5环的浮动区间，为了保证已成型管片的垂直姿态与设计姿态不发生较大偏差，需要适当调低盾构机的垂直姿态，调低的量可以比管片的实际最大上浮量略低15~20mm，从而及时控制盾构姿态，防止盾构机与成型管片形成较大夹角，进一步加剧管片上浮。
5 结论
隧道管片上浮问题在软土地层发生频率较高，造成管片上浮的原因主要有地质及水文原因、同步注浆压力及姿态、二次补浆不及时或效果不达标、盾构姿态与管片夹角较大造成油缸垂直向上分力过大。可根据实际施工情况从同步浆液配比及初凝时间、二次补浆工艺及时效性、盾构姿态控制等方面着手，综合上述措施减小管片上浮。

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