2011 年第 2 期地下工程与隧道UNDERGROUND ENGINEERING AND TUNNELS2011No．2设计与研究超大直径泥水盾构隧道抗浮关键技术综述杨方勤( 上海长江隧桥建设发展有限公司)摘 要 : 介绍了盾构法隧道上浮原因 、影响因素 、横向与纵向相互影响的上浮分析模型，以及隧道在单液浆中上浮力确定与隧道抵抗上浮能力 以上海长江隧道为例，分析了其抗浮分析结果，提出了超大直径盾构法隧道上浮控制措施，为类似工程设计提供借鉴 关键词 : 超大盾构法隧道; 隧道直径; 抗浮; 单液浆; 试验; 工程应用随着地下空间开发的不断发展，道路隧道的直径已越来越增大 例如，已通车的上海长江隧道( 外径 15 m) ，目前正在筹建中的莫斯科隧道( 外径19．2 m) ，以及上海沿江隧道( 外径 15．25 m) 等 随着盾构法隧道直径的增大，隧道受到的浮力将成倍增加 因此，解决抗浮问题将成为软土盾构法隧道向超大直径发展的关键 1 超大直径盾构隧道的上浮问题1．1 问题的提出位于饱和软土的盾构法隧道施工中，对于刚脱出盾尾的管片，由于泥浆 、注浆浆液或地下水包裹管片，造成局部管片浸泡在液态环境中，从而产生上浮力 。
一般认为，隧道上浮力系由水或者早期流塑态浆液产生 为了保证浆液在注浆过程中能够完全填充土体与管片之间的空隙，要求浆液具有良好的流动性而并非 “纯固态 ”介质 然而，随着浆液龄期的增大，其逐渐由流塑态变为固态( 时变特性) ，隧道在浆液中的浮力逐渐减小，此时认为浆液对隧道产生了上浮力 引起隧道上浮因素很多，而注浆均匀则证明了隧道外围水对其上浮并非占主导作用 为此，可认为隧道受到的浮力主要由浆液引起 鉴于注浆压力为瞬间载荷，笔者认为注浆压力不至于引起隧道上浮，而流塑态浆液将会引起隧道上浮 超大直径隧道由于断面大，其上浮力随着直径增大而成倍增加( 见表 1) ，尤其是在穿越浅覆土时，由于管片环间摩擦力较小而使其抵抗上浮能力差，导致上浮现象更为严重 因此，本文将主要研究流塑态浆液对超大直径盾构隧道产生的上浮力，以及隧道抵抗上浮的能力 表 1 隧道外径与所受浮力大小的关系隧道外径 /m 6 11 13 15 18每延米隧道在水中上浮力 /kN·m－1282 950 1 327 1 767 2 5441．2 大直径隧道上浮问题研究的特点和难点传统抗浮设计对隧道所受浮力进行假设( 其受到浮力为排开同体积水或浆液的重量) ，并利用简单公式校核，未能考虑隧道实际处于时变特性的浆液中而使其受到的浮力动态变化 。
据此提出的抗浮施工措施也存在一定的缺陷，且现行相关设计规范也没有对盾构法隧道施工期抗浮设计和技术措施做出明确的规定 因此，超大直径隧道抗浮研究存在诸多的特点和难点:1) 隧道周围浆液的物理力学性质研究，如何定量研究浆液时变特性与隧道上浮的关系 2) 建立反映隧道上浮特性的理论分析模型，能准确地进行抗浮验算 3) 隧道在时变浆液中浮力动态变化，需模型试验确定 4) 对实际错缝拼装的盾构隧道结构自身抵抗上浮的能力，用传统计算公式难以准确确定，需采取隧道足尺结构试验确定 5) 可实际操作的抗浮措施，以及措施的效果评估等 1．3 大直径隧道上浮实例及分析在上海 、广州 、南京等地越江隧道施工中，都不同程度地出现过管片脱出盾尾后上浮的现象 上海大连路隧道使用的是直径 11．22 m 泥水平衡盾构—1—地下工程与隧道 2011 年施工，管片在脱出盾尾后即发生上浮，平均上浮量约 80 mm上海延安东路南线隧道盾构出洞 10 d后隧道呈上浮趋势，上浮速率约为 1 mm/d，以后随着浆液凝固，隧道逐渐停止上浮 上海耀华支路隧道采用直径 14．88 m 泥水平衡盾构施工，盾构出洞后隧道的上浮较为严重，在出洞段( 浅覆土 9． 2 m)隧道的上浮较为明显，最大上浮量达到 8． 6 cm。
第一次上浮为施工中轴线控制偏差引起，第二次上浮一般在管片脱出盾尾后，平均上浮量高达 4 cm1．4 国内研究隧道上浮问题现状沈征难专家从地质条件 、壁后注浆 、盾构姿态入手，对盾构掘进过程中管片上浮的原因进行了分析研究，提出了隧道上浮控制措施 由同步注浆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，因其大小 、分布形式等都与壁后注浆施工过程密切相关，是一个动态变化的力 张海波等专家将其定义为 “动态上浮力 ”，该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 崔岩 、崔京浩等专家针对浅埋地下结构浮力的确定进行了模型试验，模型用玻璃制作，试验采用砂土和黏土两种介质 试验结果表明，无论是砂质土还是黏性土，浮力均按排开同体积的水重来计算，亦即结构底部所受的向上的正应力等于地下水位的静水头，不应折减 实际上隧道抵抗上浮的能力与结构自身构造有关 由于错缝拼装的隧道管片与接头构造都较复杂，一般传统解析公式对于管片环间螺栓抗剪能力确定均作了不少假设，对模型上的简化，材料属性的不确定等都导致实际隧道抵抗上浮能力的不确定，而关于这方面足尺结构试验最能反映该问题的本质 。
遗憾的是，这方面的试验甚少 黄威然等专家从盾构工法特性 、地质条件 、盾构姿态 、壁后注浆和抗浮设计等 5 个方面对施工阶段的盾构隧道上浮控制提出了技术措施 同时，经查阅，系统研究盾构隧道施工中抗浮措施的文献并不多见 现以上海长江隧道工程为例，对软土条件下大直径隧道抗浮问题进行研究分析，并据此提出控制超大直径隧道上浮的措施 2 超大直径隧道上浮机理与分析模型影响超大直径隧道上浮因素很多，其中占主导性因素的上浮原因较难确定 理论与实践分析表明，引起隧道上浮的主要因素为同步注浆体的强度 、强度增长速度以及盾构掘进速度 在保证浆液可泵送能力的情况下，其早期剪切强度或屈服强度值越大且增长得越快，隧道在该类浆液中上浮力越小; 盾构掘进速度越慢，隧道受到浆液浮力的影响范围相应较小，上浮合力也就越小 隧道上浮计算模型应为纵向与横向相互影响( 见图 1 ～ 图 3) 在隧道周围浆液时变特性 、隧道受到浆液浮力动态变化 、隧道实际抵抗上浮的能力等因素的计算模型中，浆液的剪切强度 、隧道的上浮力 、隧道在上浮力作用下的承载能力 、以及横向计算模型中隧道刚度折减系数与弯矩传递系数等均需通过试验或分析得出 图 1 隧道上浮模型示意图图 2 上浮纵向计算模型简图图 3 横向计算模型简图—2—第 2 期 杨方勤: 超大直径泥水盾构法隧道抗浮关键技术综述3 影响隧道抗浮新型单液浆研究新型单液浆应为高比重 、高剪切强度 、抗浮性能优良的单液浆，利用其对管片外围建筑空隙进行充填，以控制隧道施工期上浮稳定和工后沉降 。
通过对浆液配比试验 、抗泥水稀释 、充填孔隙和阻挡泥水后窜，以及泵送能力等方面的研究，得出了新型单液浆的最佳配比( 见表 2) 实践证明，新型单液浆能保证其工作性能指标 表 2 新型单液浆基本性能表项目 标准密度 ＞1．80 g/cm3坍落度( 新拌) 12-18 cm坍落度( 10-30 h) ≥5 cm屈服强度( 10-30 h) 800 kPa泌水量 ＜5 ml可使用时间 10-30 h抗压强度 90 d， ＞1．0 MPa注浆率 /% 100-120经过测试新型单液浆的早期剪切屈服强度与其固化体的抗压强度，可得出其强度指标满足高比重 、高剪切强度 、抗浮性能优良的单液浆的指标要求 根据该强度指标得出了土体与单液浆等价弹簧系数，为隧道上浮分析模型提供了参数 4 隧道在浆液中上浮的模型试验通过模型隧道上浮力确定试验，得出了隧道在新型单液浆中所受浮力的规律: 浮力随时间动态变化( 逐渐减小) ，浮力大小主要与浆液密度与龄期 、隧道表面积和体积以及隧道埋深有关( 见式 1) ，揭示了隧道在浆液中上浮的本质 将隧道在新型单液浆中浮力与传统地铁浆液中浮力进行了比较，证明了隧道在新型单液浆中抗浮性能优良 。
y = aρVln( x) + bρV + cρHAs( 1)式中: y———广义浮力( kN) ;ρ———浆液的密度( kN/m3) ;x———龄期( h) ;AS———隧道表面积( m2) ;V———隧道体积( m3) ;H———隧道埋深( m) ;a、b、c———待定系数 5 超大直径隧道衬砌环抗浮能力的结构试验利用千斤顶系统，进行了 1"1 衬砌水平整环加载试验( 见图 4) ，得到了上海长江隧道在上浮力作用下环间螺栓抵抗隧道的上浮力为 5 500 kN( 此时螺栓已屈服，混凝土已破裂) ，对应管片间的错动量为 5．5 mm对试验中螺栓应力，管片错动量发展规律等进行了分析，并得出了相关结论 通过数值模拟结果和试验结果的比较，确立了较为合适的刚度折减系数( 0． 8) 和弯矩增大系数( 1． 2) 既得出了上海长江隧道螺栓所能承受的极限上浮力，又为实际隧道上浮验算提供了有用的数据 a) 上下两个半环( b) 中间一个整环图 4 管片上浮工况千斤顶模拟加载示意图—3—地下工程与隧道 2011 年6 超大直径隧道施工期抗浮分析的工程应用上海长江隧道出洞段最浅覆土厚度为 10 m，仅0．67D，江中段最浅覆土厚度 11． 64 m，仅 0． 7D，盾构属于超浅覆土掘进，加之上海长江隧道外径超大，因此，浅覆土区域隧道抗浮问题尤为重要 。
采用前面所述的计算模型，对上海长江隧道盾构出洞段覆土厚度为 10 m、隧道推掘进速度为 2环 /d 和 2．5 环 /d 时的实际上浮力作用下进行验算 结果表明: 只有控制每天推进少于 2 环时，管片才能满足抗浮要求，其上浮力相对于由管片试验得到的纵向螺栓的强度而言，安全系数为 1． 42以 “上海长江隧道衬砌结构整环试验隧道上浮工况试验 ”中得到的允许值作为参考标准，横向计算结果表明:实际上浮力 3 876． 26 kN 作用下整环收敛变形 、接头张开量 、裂缝宽度等均满足设计要求 盾构隧道施工时，其上浮是隧道推进过程中必须重视的关键施工环节之一 作用在隧道上的浮力主要与隧道断面的大小 、同步注浆浆体的充填度 、浆体本身的性能 、强度增长速度及隧道推进速度等指标有关 而抵抗隧道上浮的因素则有隧道本身自重 、覆土深度 、盾构机正面土压力 、管片环和环之间的摩擦力以及连接环间纵向螺栓的强度等 隧道上浮力是隧道纵向上浮力和横断面方向作用力两者综合作用构成的一种复杂受力现象，而隧道上浮引起管片纵向螺栓的破坏形式属脆性破坏，没有非常明显的前兆，具有在较短时间内突然发生的特点 隧道一旦发生上浮，其后果相当严重，而且要完全修复相当困难 。
因此，必须引起高度的重视，并采取切实有效的施工技术和构造设计方面的措施，以确保工程的施工质量 6．1 提高浆液早期剪切强度单液浆( 见图 5) 早期剪切强度高是隧道抗浮性能良好的最重要保障之一，大量工程实例也证明了这一点 然而，实际工程中，由于浆液原材料的选取不当或搅拌不均匀等造成配置浆液质量较差，尽管为新型单液浆的配比，但抗浮效果并不好 为此建议:1) 浆液原材料中砂应选用河砂，且粗细颗粒级配一定要合理，细度模数 2．2 左右，或者采用不同级图 5 配置的新型单液浆别的砂进行人工晒配，以保证浆液具有良好的抗渗性和塑性 外掺剂的减水率必须为 20% －30%，水化控制能力大于 20H，以提高浆液的流动性，其他粉煤灰与石灰及膨润土须质量优良 2) 浆液早期剪切强度并非越大越好，实际上剪切强度增大，浆液流动性将会变小，从而导致注浆泵无法泵送而堵管 因此，本研究要求单液浆在20H，浆液坍落度值均 ≥5 cm，以保证注浆泵的可泵送能力 3) 浆液剪切强度的测试，在施工现场的可操作性较差，一般需要对剪切仪比较熟练的操作工，且花费较长时间 为此建议，在配置单液浆前进行剪切强度测试试验，而现场调整配比时，主要测试其重度 。
根据经验，当重度满足 19．1 kN/m，。