張旭

（南京市公共工程建設(shè)中心，南京210019）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，超大直徑泥水盾構(gòu)隧道在長(zhǎng)江中下游的大型越江隧道中得到了大量應(yīng)用。目前，長(zhǎng)江南京段建成的有應(yīng)天大街長(zhǎng)江隧道（外徑14.5 m）、定淮門長(zhǎng)江隧道（外徑14.5 m）、江心洲大橋夾江隧道（外徑15 m），在建的有和燕路過(guò)江隧道（外徑14.5 m），這些隧道在淺覆土段盾構(gòu)始發(fā)后都不同程度地出現(xiàn)過(guò)管片脫出盾尾后上浮的現(xiàn)象。由于相鄰管片間采取螺栓、剪力銷等半剛性連接形式，管片上浮引起的變形、滲漏、甚至連接螺栓剪斷，都將對(duì)盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、安全和壽命產(chǎn)生不利影響。

目前，國(guó)內(nèi)眾多專家針對(duì)盾構(gòu)區(qū)間淺覆土段管片抗浮技術(shù)進(jìn)行分析研究。莊國(guó)清[1]等學(xué)者針對(duì)在淺覆土（最小覆土約3 m）泥水盾構(gòu)掘進(jìn)的情況下的風(fēng)險(xiǎn)和困難，通過(guò)對(duì)抗浮方式研究增加配重管片抗浮、優(yōu)化切口水壓設(shè)定、加強(qiáng)注漿質(zhì)量等措施實(shí)施，成功完成了風(fēng)險(xiǎn)極大的淺覆土段泥水盾構(gòu)施工；朱寶石[2]通過(guò)管片抗浮方式研究，采用大配筋率管片，盾構(gòu)過(guò)程中輔助以低滲透高質(zhì)泥漿進(jìn)行施工，確保了泥水盾構(gòu)淺覆土掘進(jìn)順利施工。李旸[3]等學(xué)者通過(guò)進(jìn)一步對(duì)管片受力情況，同步注漿，盾構(gòu)姿態(tài)等上浮原因分析與排查，采取了控制盾構(gòu)掘進(jìn)出土量，調(diào)整同步注漿漿液配合比，對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行控制等措施，取得了良好的效果。

綜上，國(guó)內(nèi)專家已多次針對(duì)盾構(gòu)區(qū)間淺覆土段管片抗浮技術(shù)進(jìn)行分析研究，可見其關(guān)鍵性。本文根據(jù)南京已建或在建越江隧道的管片抗浮經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)分析管片上浮的原因，研究建寧西路過(guò)江通道淺覆土段盾構(gòu)抗浮技術(shù)，為今后的超大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)提供了參考。

2 工程概況

在建的南京建寧西路過(guò)江通道（外徑14.5 m）位于長(zhǎng)江大橋和揚(yáng)子江隧道之間，距離上游的揚(yáng)子江隧道約1.8 km，距離下游的長(zhǎng)江大橋約2.4 km。目前左線盾構(gòu)已從江北工作井出發(fā)開始掘進(jìn)，右線盾構(gòu)即將始發(fā)。以左線隧道為例，盾構(gòu)段平面長(zhǎng)度為2 349.066 m，盾構(gòu)隧道共設(shè)置管片環(huán)1 174環(huán)，其中江北始發(fā)淺覆土段64 m，覆土厚度最淺處11.57 m，江中淺覆土段232 m，覆土厚度最淺處10.76 m，均屬于飽和軟土地質(zhì)中超大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)，極容易發(fā)生管片上浮問(wèn)題。

3 管片上浮原因分析

盾構(gòu)隧道在掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)開挖直徑大于管片外徑，管片在脫出盾尾后存在盾尾間隙，需通過(guò)注漿孔對(duì)盾尾間隙進(jìn)行同步注漿。注漿漿液需要一定的時(shí)間才能達(dá)到足夠強(qiáng)度以約束固定管片，若注漿漿液不能初凝和達(dá)到一定的早期強(qiáng)度，則剛脫出盾尾的管片將包裹在由泥漿、流塑態(tài)的注漿漿液和地下水組成的液體環(huán)境中，從而受到較大浮力，導(dǎo)致管片上浮。同時(shí)當(dāng)盾構(gòu)在淺覆土段掘進(jìn)時(shí)，在長(zhǎng)江南京段軟土地層中，由于地下水豐富而上方淺覆土的約束壓力不夠，上浮問(wèn)題更難控制。管片上浮示意見圖1。

圖1 管片上浮示意圖

隨著隧道直徑的增大，隧道管片受到的浮力成倍增加，超大直徑盾構(gòu)在淺覆土段掘進(jìn)時(shí)的抗浮技術(shù)的研究對(duì)于盾構(gòu)隧道的應(yīng)用發(fā)展具有重要意義。

在隧道軸線方向上，脫出盾尾管片的一側(cè)受已凝固漿液管片的約束，另一側(cè)則受盾尾的約束。隨著盾構(gòu)向前掘進(jìn)，時(shí)間逐步推移，注漿漿液逐漸凝固，管片受到的浮力將逐漸降低，因此剛脫出盾尾的管片受到的浮力更大。

當(dāng)盾構(gòu)在軟土地層中掘進(jìn)時(shí)，尚未脫出盾尾、未發(fā)生上浮的管片，與剛脫出盾尾、受到較大浮力的管片之間的環(huán)縫面上，在不考慮同步注漿的動(dòng)態(tài)壓力的情況下，主要存在浮力（F）、上方覆土壓力（E）、管片自重（G）、管片之間連接的剪力（Q）以及初凝的注漿漿液斷面上產(chǎn)生的剪力（Q′）。見圖2。當(dāng)受力平衡時(shí)，Q+Q′=F-E-G。

圖2 管片環(huán)縫面受力示意圖

當(dāng)剪力Q+Q′處于管片連接以及初凝漿液抗剪能力范圍內(nèi)（Qmax+Q′max），即F-E-G≤Qmax+Q′max時(shí)，可以認(rèn)為管片連接是安全的，因此，控制管片上浮應(yīng)當(dāng)主要解決管片環(huán)縫面上的受力情況。

4 管片抗浮措施

4.1 提高管片連接抗剪能力

建寧西路過(guò)江通道的管片環(huán)縫面上除了連接螺栓外，還增設(shè)了剪力銷，增大了管片之間連接的剛性。

4.2 提高同步注漿漿液的抗剪能力

調(diào)整同步注漿漿液的配合比，在保證漿液流動(dòng)性的情況下，提高漿液早期剪切強(qiáng)度。

4.3 降低管片受到的浮力

1）縮短管片處在液態(tài)或流塑態(tài)環(huán)境中的時(shí)間?？梢栽诙軜?gòu)始發(fā)井端頭加固區(qū)后適當(dāng)擴(kuò)大地下水降水范圍，提前降低淺埋段的地下水位，盡量減少盾尾間隙中的地下水。也可以調(diào)整同步注漿漿液的配合比以縮短初凝時(shí)間。

2）降低漿液的密度，根據(jù)不同地層調(diào)整同步注漿漿液的配合比，從而降低浮力。

3）控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度，為同步注漿漿液凝固留更多的時(shí)間。建寧西路過(guò)江通道根據(jù)在不同的地質(zhì)中掘進(jìn)情況，配制了不同配合比的漿液。同步注漿配合比見表1。

表1 建寧西路過(guò)江通道左線盾構(gòu)同步注漿配合比

管片成環(huán)后在上部安裝測(cè)量棱鏡，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)VMT導(dǎo)向系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量，每20~30 min，給出棱鏡的絕對(duì)高程變化。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，若發(fā)生管片上浮現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)處理。

4）盾尾完全脫出始發(fā)加固區(qū)范圍（20 m，即10環(huán)）后容易發(fā)生上浮。通過(guò)降低推進(jìn)速度（每天掘進(jìn)1-2環(huán)），并在一號(hào)臺(tái)車前段頂部設(shè)置二次注漿平臺(tái)，管片脫出盾尾后通過(guò)頂部的二次注漿孔進(jìn)行二次注漿，管片穩(wěn)定后再恢復(fù)掘進(jìn)。二次注漿配合比見表2。第11~20環(huán)上浮及二次注漿量統(tǒng)計(jì)見表3。

表2 建寧西路過(guò)江通道左線盾構(gòu)二次注漿配合比

表3 建寧西路過(guò)江通道左線盾構(gòu)11~20環(huán)上浮及二次注漿量統(tǒng)計(jì)

4.4 增大上方覆土壓力

和燕路過(guò)江隧道采取了在淺覆土段盾構(gòu)上方采取了堆土的方式增加負(fù)重。在掘進(jìn)線路上方，從11環(huán)開始至65環(huán)，中心線兩側(cè)各9 m范圍內(nèi)，堆放3 m高渣土，覆土增加至12 m，通過(guò)增加覆土高度與降水固結(jié)，壓實(shí)土體，進(jìn)而增加土體對(duì)于同步注漿漿液、管片及盾尾的約束力。

4.5 增加管片自重

在盾構(gòu)機(jī)尾部增加配重，來(lái)增加管片自重，降低上浮影響。

和燕路過(guò)江隧道在每環(huán)推進(jìn)時(shí)，將重為80 t的拼裝機(jī)后退至1號(hào)臺(tái)車前端，以增加剛脫出盾尾的管片的受力，盡可能地減小上浮。

建寧西路過(guò)江通道左線盾構(gòu)在1號(hào)臺(tái)車前端下部設(shè)置了約200 t的壓重及行走機(jī)構(gòu)（見圖3）。

圖3 1號(hào)臺(tái)車下方壓重

5 結(jié)語(yǔ)

1）盾構(gòu)區(qū)間淺覆土段管片抗浮要綜合考慮各項(xiàng)盾構(gòu)掘進(jìn)要素，不能僅依靠控制同步注漿作為主要因素。

2）優(yōu)化管片設(shè)計(jì)，增加管片自重也是盾構(gòu)區(qū)間淺覆土段管片抗浮的重要措施之一，可與同步注漿各項(xiàng)參數(shù)的控制相結(jié)合，大大減小管片上浮量。

3）加強(qiáng)淺覆土盾構(gòu)施工的信息化管理，根據(jù)具體實(shí)施過(guò)程中的問(wèn)題及測(cè)量信息，及時(shí)地進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整。