小曲率半径盾构隧道施工期管片上浮分析

苑强 王鑫 仇青山 夏洪波 宁耀强

摘要：为解决小曲率半径盾构隧道施工中出现的管片上浮现象，依据天津地铁项目，通过分析造成管片上浮的原因，建立了小曲率半径盾构隧道管片上浮受力分析模型。结果表明：注浆产生的浆液浮力是造成管片上浮的主要原因;而曲线隧道中的千斤顶推力不均而产生的侧向分力也是影响管片上浮的重要因素;由此对于控制管片上浮提出了针对性措施。

关键词：管片上浮小曲率半徑盾构隧道理论分析模型

中图法分类号TU91;              文献标志码  A

Analysis of segment floating during construction of shield tunnel with small curvature radius.

YUAN Qiang1， WANG Xin1， QIU Qingshan2， XIA Hongbo2， NING Yaoqiang1

（1. China Communications Third Bureau First Co.， Ltd.， Beijing， 100012 China; 2. China Communications Construction Corporation Rail Transit Branch， Tianjin， 300000 China）

Abstract： In order to solve the segment floating phenomenon in shield tunnel construction with small curvature radius， according to Tianjin Metro project， the force analysis model of segment floating in shield tunnel with small curvature radius was established by analyzing the causes of segment floating. The results show that the buoyancy of slurry produced by grouting is the main cause of segment floating. The lateral component force caused by uneven jack thrust in curved tunnel is also an important factor affecting segment floating. Therefore， targeted measures are put forward to control the segment floating.

Key Words：Segment floating; Small radius of curvature; Shield tunnel; Theoretical analysis model

盾构隧道施工阶段管片脱离盾尾时，容易出现管片上浮情况，而管片上浮极易造成管片的错台、破损从而导致渗漏水情况的发生。

傅鹤林[1]等通过数值模拟，明确了施工期各因素对管片上浮的影响程度及作用机理;付艳斌[2]等基于弹性地基梁模型推导出了考虑注浆填充率的大直径盾构管片上浮解析解;胡勇[3]等基于温克尔弹性地基梁理论，建立了考虑施工动态的管片上浮模型，并与实测值进行了验证;杨志勇[4]等在建立管片受力模型的基础上建立了管片上浮的分析模型并提出了控制措施;黄旭民[5]等基于弹性地基梁矩阵传递法理论，在考虑注浆浆液特性的基础上，提出了一直管片上浮预测方法;魏纲[6]等通过对施工期管片进行受力分析，建立了施工期管片上浮受力分析模型并推导出了相应公式;李明宇[7]等通过现场实测探求了管片上浮量的变化规律并提出了一种简化算法。

目前，国内对于管片上浮的研究大都通过数值分析或工程实测来分析管片上浮的机理，很少对管片上浮进行理论模型分析。而且在小曲率半径盾构隧道施工过程中，由于千斤顶的不对称推力而造成的管片侧向上浮情况也是一个值得重视的问题。

本文通过建立管片上浮理论分析模型，着重于研究不对称推力作用下的管片侧向上浮，从而推导出理论计算公式，对管片上浮的预测有重要的参考作用。

1工程概况

天津地铁11号线内江路—陈塘站区间长396.1m;本段区间出内江路站后以半径350m曲线，向东转至东江道，到达陈塘站。隧道结构覆土厚度在11.8～10.3m。区间自内江路站起，沿内江路路下敷设，向东到达陈塘站。区间为一端曲线盾构隧道，左、右线盾构推进均为陈塘站双始发、内江路站双接收，如图1所示。

由于本阶段盾构区间地层处于中粗砂、粉细砂和粉质粘土夹层，稳定性较差，同时地下水非常丰富。盾构施工部分穿越该地层时，极易因浆液稀释而达不到预期强度导致管片上浮，且该区间为曲线隧道，更加容易造成管片的上浮及侧移。因此研究小曲率半径盾构隧道管片上浮的受力模型对于该工程具有重要的实际意义。

2管片上浮机理

管片上浮问题对于盾构隧道的施工质量有着重要影响，众多专家和学者都对其进行了广泛的研究。研究表明，造成管片上浮的原因主要有以下几种。

（1）水土浮力：盾构隧道在富水地层中施工时，而水土泥浆对管片的浮力造成了管片的上浮。

（2）浆液浮力：盾构管片脱离盾尾时与土体存在间隙，此时需要及时进行注浆，但浆液凝固需要时间，此时管片将受到浆液所产生的浮力，从而导致管片上浮。

（3）注浆压力：管片在脱离盾尾时需要及时进行同步注浆以防止土体变形，当注浆压力较大的时候就容易出现管片的一系列质量问题。

（4）千斤顶推力：盾构隧道在掘进过程中采用千斤顶分区控制行进，而由于上覆地层压力及管片自重，下分区千斤顶推力往往会大于上分区，此时会产生一个向上的竖向分力，该分力会导致管片的上浮。

（5）卸载回弹：盾构隧道底部开挖土体重量与盾构机的自重存在偏差，此时会形成一個卸载回弹力.

（6）盾尾间隙：盾构隧道的开挖外径需要大于管片的外径，由此而形成的盾尾间隙往往需要及时进行注浆填充来防止土体变形.

3管片上浮计算模型

管片上浮受力模型如图2所示，在小曲率半径盾构隧道中，由于左右不对称推力会造成侧向分力从而导致管片侧移。因此，将小曲率半径盾构隧道中的管片上浮分解为水平向和竖直向进行分析。图中，F1为同步注浆产生的浆液浮力，F2为千斤顶推力不均而产生的竖向分力，F3为千斤顶推力不均而产生的横向分力，F4为侧向浆液压力，G为管片自重，F5为螺栓剪切力，F6为管片环间摩擦力。

3.1管片竖向受力

由图3可得到管片竖向受力公式：

（1）

式中，F竖为管片所受竖向合力。从上式中可以看出管片所受竖向合力的组成部分，管片所受竖向合力的大小决定了其上浮的程度。可对各分力逐个进行分析以确定影响管片上浮的重要原因。

（1）浆液浮力F1。

盾构隧道开挖时的外径需要大于管片的外径，由此会在管片与土层间形成一个间隙，此时需要对间隙及时进行注浆以防止出现较大的土体沉降。注浆浆液凝固需要时间，因此管片在脱离盾尾时会受到浆液为凝固时产生的浮力作用。管片所受浆液浮力按下式计算：

（2）

式中，γg为注浆浆液容重。

（2）千斤顶推力产生的竖向分力F2。

盾构隧道在掘进过程中，由于盾构机自重及上覆土体压力导致下部千斤顶推力要大于上部，而这个推力差值并无法准备控制，往往会形成一个竖向分力从而导致管片上浮。

千斤顶推力产生的竖向分力F2：

（3）

其中，T为盾构机推力，α为盾尾轴线与水平线方向夹角。

（3）管片自重G。

（4）

式中，R为管片外径;r为管片内径;γ1为管片容重。

（4）螺栓剪切力F5。

螺栓剪切力计算公式为：

（5）

其中，F为上浮力作用下管片受到的剪力;Ra为管片环向平均半径;l为管片厚度;[τ]为螺栓允许抗剪强度。

（5）管片环间摩擦力F6。

（6）

式中，n为两管片间纵向连接螺栓数;μ为两管片间摩擦系数;Ni为螺栓间预紧力;Nj管片上的残余推力。

3.2管片横向受力

由图4可得到管片横向受力公式：

（7）

式中，F横为管片所受横向合力。

由公式可知，由于千斤顶左右不对称推力而产生的侧向推力将使管片侧向移动。

（1）千斤顶推力产生的横向分力F3。

小曲率半径盾构隧道中需要通过千斤顶施加不对称的推力来控制盾构机进行转弯从而形成曲线隧道，而千斤顶左右不对称的推力会形成一个横向分力从而导致管片侧移。

横向分力F3：

（8）

（9）

式中，T为千斤顶总推力;β为拼装管片与隧道设计轴线夹角;Rc为隧道转弯半径;R为管片外径;l为一环管片的厚度。

（2）侧向浆液压力F4。

由于管片侧向同样会受到浆液的压力作用，侧向浆液压力按下式计算：

（10）

式中，γg为注浆浆液容重。

4管片上浮控制技术

（1）浆液浮力是造成管片上浮的重要因素，而浆液浮力主要是由于浆液不能及时凝固达到早期强度而产生的。因此当浆液的凝固时间适宜，早期强度越高，抗浮能力就越好。可以通过加入合适的外加剂来减少凝固时间及增加早期强度，以达到减少浆液浮力的效果。

（2）对于千斤顶推力而产生的侧向分力而引起的管片上浮及侧移，可以采用间歇性施工的方法，通过逐步加载以消除因推力不均而产生的侧向分力。

（3）在不影响管片使用及隧道安全的前提下，可在管片上浮区堆放重块来防止管片上浮。堆放重量可以通过试确定。

（4）对管片上浮的控制也可以采用预偏的方法，通过理论计算和测量经验，提前预估管片的拼装姿态和位移变化，设置合理的预偏值。从而保证在按照计划轴线行进的同时减小管片的上浮和侧移。

5结论

本文通过分析盾构管片上浮机理，建立了小曲率半径盾构隧道管片上浮理论分析模型，对管片上浮期间的受力进行了分析，得到以下结论。

（1）管片上浮主要是由浆液浮力引起的，浆液在未凝固时，浆液浮力远远大于管片自重及摩擦力，导致管片形成上浮。因此浆液的凝固时间和早期强度是控制管片上浮的重要施工参数。

（2）小曲率半径盾构隧道中由于千斤顶推力不均引起的侧向分力也是造成管片位移的重要原因。而侧向分力的大小与偏转角有关，偏转角越大，侧向分力越大，管片位移越大。

参 考 文 献

[1]    傅鹤林，史越，陈俐光，等.盾构隧道施工期管片上浮机理数值模拟研究[J].中外公路，2019，39（1）：174-179.

[2]    付艳斌，梅超，卞跃威，等.考虑注浆填充率的大直径盾构管片上浮解析解与应用[J/OL].中国公路学报：1-17[2022-01-01].

[3]    胡勇.考虑施工动态影响的施工期管片上浮分析[J].铁道建筑技术，2021（9）：144-147.

[4]    杨志勇，杨星，张长旺，等.盾构管片上浮量理论计算模型及上浮控制措施研究[J].矿业科学学报，2021，6（5）：591-597，605.

[5]    黄旭民，黄林冲，梁禹.施工期同步注浆影响下盾构隧道管片纵向上浮特征分析与应用[J].岩土工程学报，2021，43（9）：1700-1707.

[6]    魏纲，洪杰，魏新江.盾构隧道施工阶段管片上浮的力学分析[J].岩石力学与工程学报，2012，31（6）：1257-1263.

[7]    李明宇，吴龙骥，赵世永，等.盾构管片上浮量变化规律及简化算法研究[J].公路，2021，66（3）：337-341.