虹梅南路越江隧道工程浅覆土风险分析

管片脱出盾尾后某一临界时间点，衬砌结构抵抗上浮的能力将大于衬砌结构受到的上浮力。因此，刚脱出盾尾的管片，需要采取一定的措施保证其能抵抗上浮。当采取抗浮措施以后，隧道抵抗上浮的能力将大于隧道在浆液中的上浮力，而未采取任何抗浮措施时，管片表现为错台量大，出现裂缝、破损现象，甚至螺栓被剪断乃至隧道漏水，直接影响到隧道的安全稳定和施工质量等。管片在脱出盾尾的同时实施同步注浆，通过注浆孔注出的浆液需经过一段时间达到一定的强度后方能起到阻止隧道上浮的作用。盾构脱出盾尾后，刚脱出盾尾的管片受到浆液的浮力作用，早期浆液流塑态，隧道此时受到的浮力较大，离盾构较远处管片外浆液已凝固，此处隧道受到的浮力较小，隧道可被看作约束固定。鉴于盾构机刚度较大，一般认为盾构机不上浮或上浮量很小。

影响上浮的因素有很多，地质条件、盾构工法特性、盾尾壁后注浆工艺及浆液性质、盾构姿态、管片接头、覆土厚度等都会对其产生影响。通常这些因素是联合作用的。

1.盾构出现上浮的地质原因

通过查阅文献并进行理论分析，盾构隧道是衬砌和围岩一体化的稳定构造物，计算模型为两端简支的弹簧梁。但实际上地质条件可能会更加复杂，可能在隧道周围的三维空间上发生非线性变化，而且这些土层还受到盾构掘进的扰动，各地层中不同的水土应力显然存在让隧道衬砌变形的趋势。水中土应力、有无地下水、围岩的形态及软硬程度的变化都可能会导致隧道上浮。如在硬岩无地下水工况下，隧道有下沉的趋势。有水地层因围岩不同，隧道受力也不同：淤泥或砂层极易崩塌，可能会抑制隧道的上浮；围岩如果较为坚固，则隧道上浮的可能性就极大。而在冲击黏土、洪积黏土地层，隧道上浮较大，在软岩、砂质土层，隧道上浮较小。

地层的变化还会影响盾构的掘进。在均质连续的地层中，盾构刀盘受力均匀，可采取稳定的参数连续掘进且保证轴线控制。隧道穿过均匀的土层时，上浮较小，但实际工况下，隧道穿越的往往是“上软下硬”的地层。若在典型的“上软下硬”地层中掘进，因下部硬岩降低了掘进速度，旋转的刀盘很容易造成上部软弱土层塌方从而形成超挖空间，若注浆不当，可能引起隧道上浮或者地面沉降。为克服下部硬岩阻力，一般要加大下部千斤顶推力，而不均衡千斤顶编组不仅造成盾构控制困难，也对隧道的受力不利。

2.盾构工法的特性

由于盾构的开挖直径D＞盾壳外径＞管片外径d，于是在盾构开挖的洞身与管片外径间存在建筑间隙Δ=D-d。建筑间隙如不能及时有效填充，会造成两个后果：一是地面下沉，二是隧道位移。如图5.7所示。

图5.7　建筑间隙形式

3.浆液特性及注浆

当管片脱离盾尾时，若同步注浆的浆液不能初凝和达到一定的早期强度，隧道被包围在壁后注浆的浆液中，从而比水、泥浆形成更大的浮力。盾构隧道施工中，管片壁后注浆是一道关键工艺，其主要作用有：防止地层变形；提高隧道抗渗性；确保管片衬砌的早期稳定。

浆液性质与隧道上浮有很大的关系，盾尾浆液要能够裹紧隧道以抵抗其自身产生的浮力。对于含水泥和不含水泥的浆液，Green Heart隧道(荷兰)使用了不含水泥的惰性浆液，通过试验得出，在盾构开挖后20 m或更远的范围内，衬砌的浮力决定了环绕衬砌的浆液压力分布等。同步注浆的施工过程产生的引起管片上浮、局部错台、开裂、压碎或其他破坏形式的力，其大小、分布形式等都与壁后注浆施工过程密切相关，是一种动态变化的力，有学者将其定义为“动态上浮力”。“动态上浮力”主要由注浆过程引起，浆液的种类、配比、注浆压力、注浆位置等都会对管片上浮产生一定影响。日本隧道规范及中国国家标准《地铁设计规范》(GB 50157—2013)中提到，需考虑施工荷载与壁后注浆对隧道上浮的影响。

针对盾构隧道盾尾间隙和壁后注浆的研究方法主要有：理论分析、现场实测、模型试验及数值计算等。已有研究表明，盾构隧道的上浮与浆液特性、注浆工艺与效果，以及管片受到的施工荷载密切相关。

4.盾构姿态(www.xing528.com)

《地铁设计规范》(GB 50157—2013)规定：“盾构掘进中应严格控制轴线平面位置和高程，其允许偏差均为±50 mm，发现偏差应逐步纠正，不得猛纠硬调。”盾构机在掘进过程中的运动轨迹实际上是一条蛇形运动轨迹，始终围绕着隧道轴线作蛇形运动，要通过不断调整各分区油缸千斤顶的推力使盾构机运动中不断逐渐靠近隧道设计轴线。在软弱土层中，由于盾构刀盘较重，盾构机的姿态可能始终处于“磕头”状态，一旦出现这样的状态就很有可能发生隧道上浮。这些盾构姿态会使管片受力不均，如图5.8所示。其中，图5.8(a)盾构管片下沉，图5.8(b)盾构管片基本保持稳定，图5.8(c)盾构管片上浮。

图5.8　推力不均对隧道管片的影响

5.上覆土层厚度

上覆土层厚度会直接影响隧道上浮。当上覆土层较浅时，易产生冒顶通透水流；当上覆土层较厚时，上覆土中受到扰动的土体出现挤压变形，从而可能导致隧道局部或总体上浮。在注浆压力分布模式上推导的最小覆土层厚为

当土层厚度一定时，最大注浆压力为

从盾构开挖面平衡状态及隧道水底抗浮平衡条件分析得到盾构安全推进所需最小覆土厚度为

6.其他因素

当盾构推进速度加大时，同一时间上浮力变大，合力增加，导致隧道上浮。此外，注浆压力也会引起隧道上浮。管片接头会影响整个隧道的刚度及防水性，在接头处预埋钢板、增大螺栓直径、增加螺栓数量可提高隧道横向及纵向刚度，以抵抗隧道上浮。