盾构机中管片磨损以及上浮是盾构掘进常见的问题^[1,2,3], 导致出现此类问题的主要因素包括当地水文条件、盾构机械设备、注浆施工技术、地质条件等^[4,5,6]。尤其是近年来地下空间开发力度的加大, 盾构隧道线型受限情况日渐增多, 大坡度、小半径曲线施工案例越来越常见, 管片破损与上浮问题备受关注^[7,8,9]。天津地铁3号线水上北路站—吴家窑站盾构区间左线隧道从453环进入小半径曲线左转弯与大坡度纵坡后, 测量所得结果显示管片已经出现上浮、破损、位移等明显现象, 并预计盾构掘进过程中此类问题将进一步恶化。隧道施工过程中会由于盾构掘进管片问题而导致实际掘进轴线偏离设计轴线, 出现错台等现象, 甚至可能在盾构过程出现透水、断面断裂等安全问题。所以, 需要加强对大坡度、小半径曲线盾构施工技术的深入研究, 加强盾构掘进技术控制, 保证盾构施工质量。

天津地铁3号线水上北路站—吴家窑站采用盾构施工技术, 全线长878.827m, 其中曲线半径305~1 000m, 隧道呈V字纵断面, 坡度在2‰~30‰, 隧道有9~22m不等的覆土深度, 区间隧道平面如图1所示。盾构隧道的DK9+260.321—DK9+533.177段曲线半径为305m, 纵坡度为30‰, 且经过地表面有4栋建筑物, 建筑物间距13.636~34.620m。

该地区地层自上而下主要为填土、粉质黏土、淤泥、淤泥质粉质黏土、黏土、粉土, 盾构区间断面主要穿越地层为 (4) ₁淤泥质粉质黏土、 (4) ₂黏土、 (5) ₁粉质黏土、 (6) ₂粉土、 (7) ₁粉质黏土、 (7) ₂粉土, 隧道上覆土层主要是 (3) ₁粉质黏土、 (4) ₂黏土、 (4) ₅淤泥质黏土、 (5) ₁粉质黏土、 (6) ₁粉质黏土等地层。地质具有较差的可塑性特点, 给施工造成一定难度。盾构区间场地内表层地下水类型为第四系孔隙潜水, 赋存于第Ⅱ陆相层以下的粉砂及粉土中的地下水具有微承压性, 为微承压水。潜水存在于人工填土层 (1) 、新近堆积层 (2) 、第Ⅰ陆相层及第Ⅰ海相层 (4) 中。微承压水以第Ⅱ陆相层的湖泊相层 (5) ₁粉质黏土为隔水顶板, 地铁工程影响范围内承压水主要赋存于第Ⅱ、第Ⅲ陆相层的粉土及粉砂内, 微承压水稳定水位稍低于潜水位, 一般为1.0~3.0m。

本工程采用盾构管片为内径5.5m、外径6.2m、厚35cm、环宽度1.2m, 采用6分块形式, 其中包括标准块3块、邻接块2块和封顶块1块。管片由C50P10混凝土支撑, 拼装方式为错缝拼装, 连接方式为M30、长40cm弯螺栓。

盾构工程施工需要占用较大空间, 盾构机这一刚性实体较大, 其最小极限转弯半径在305m左右。盾构在极限转弯半径曲线段上掘进时, 会发生内外侧千斤顶及管片受力严重不均的现象。外侧千斤顶推力转弯过程中会在水平方向达到最大, 而此时内侧千斤顶处于最小推力, 内外侧千斤顶推力及行程差使盾构发生转向。掘进过程中, 外侧千斤顶油压力会达到很高, 而内侧千斤顶压力则相反, 达到最低, 靴撑与管片接触时易出现推力超出外侧管片承受压力范围, 最终压碎管片局部, 导致管片损坏。同时, 盾构机在掘进小半径曲线隧道过程中, 还可能会在千斤顶推力作用下在管片端面和轴线夹角处产生一个水平分力, 这个分力会随着盾构的继续推进而逐步加大。在侧向分力作用下, 管片环在脱出盾尾后偏移向曲线外侧, 导致管片发生局部剪切破裂, 如图2所示。

此外, 盾构机掘进中遇到小半径曲线段其盾构姿态会出现较大的变化, 管片局部受力可能会因为千斤顶靴撑与管片之间非常微小的变化而产生问题, 比如出现侧向滑移时可能会崩裂管片或者管片发生裂纹。在盾构机不断推进过程中, 侧向滑移趋势会随之不断增大。图3为本工程在R305m曲线上掘进左转弯时的施工情况, 盾构需要向左持续保持大约0.50°的夹角推进, BC段的10.5mm为盾构向左发生的位移数值。将AB段视为推进过程中总推力的方向, 其分力则可用BC段和AC段代表, 其中侧向力为BC段, 盾构机推进正推力方向为AC段。那么, 图中BC段的一半则为DE段 (直角三角形底线为中线的2倍) 。由此推理, 在R305m曲线段上千斤顶侧向分力会随着盾构机的不断推进而呈现增长的情况, 两者存在正比关系, 即盾构机推进长度增加的同时侧向推力增长, 直到曲线段施工完毕为止。

管片存在一个水平方向的受力, 不但会使整段隧道衬砌管片发生水平偏移, 导致隧道结构侵入行车限界, 还会导致管片之间发生相对位移, 形成错台, 从而影响结构安全及隧道正常运营。由于管片的特殊受力状态, 管片与管片之间存在斜向应力, 使得前方管片内侧角和后方管片外侧角形成两个薄弱点, 如图4所示, 进而导致管片在薄弱点处发生破裂。此外, 因相邻两环管片产生相对位移, 使得管片螺栓对其附近混凝土产生挤压和剪切作用, 导致该处的混凝土发生局部开裂。

当盾构在小半径曲线段推进时, 由于盾构姿态纠偏过快, 管片往往难以及时做好纠偏措施, 造成管片和盾尾之间逐渐接近, 最终会由于两者间隙过小出现卡壳问题, 甚至破坏管片。在卡壳的情况下, 不仅盾尾会对管片造成挤压破坏, 而且管片会反作用于盾尾, 最终使盾尾刷也造成损坏, 严重时会导致透水漏砂事故。为了避免出现这种问题, 应当增加盾构过程中纠偏的次数, 但是要减少纠偏量, 避免矫枉过正, 进而避免出现损坏管片或者渗水漏水等问题。

通过对管片破损的原因进行分析可知, 在盾构机掘进过程中, 处于小半径305m曲线段时千斤顶的行程和靴撑对管片产生的侧向分力出现正相关的关系, 可以充分利用这一性质采取解决办法。为了避免出现这种问题, 可采取间歇性施工措施, 在掘进过程中每隔0.4m停顿一次, 减缓千斤顶的压力, 置换到“管片安装”模式, 依次收回及顶进千斤顶 (见图5) :收回对称的第1, 7组千斤顶, 使靴撑脱离管片以消除侧向力, 再顶进第1, 7组千斤顶恢复行程;然后收回第2, 8组千斤顶, 再顶进第2, 8组千斤顶恢复行程;继续收回12, 6组千斤顶……在施工中不断重复以上操作, 可有效减小管片所受到的侧向力, 同时也降低了挤坏管片的概率。在盾构推进过程中注意及时做好纠偏处理, 控制好盾尾和管片的间距, 保证两者在合格范围内, 从而降低破坏管片的可能性。采取上述方案后, 在后续盾构掘进施工过程中, 管片错台量较小, 也未发现管片开裂、破损、渗漏现象, 表明该施工方案对解决管片破损问题较有效。

本工程施工路段土层为河床~河漫滩人工填土层, 经过测量和计算分析得出在工程施工过程中管片会出现最多8cm上浮的可能性, 但是这同样会对隧道施工的质量产生严重影响。因此, 要分析其上浮受力情况, 如图6所示, 其中F₁为静态上浮力;F₂为分力;F₃为覆土的抗浮力;F₄为纵向螺栓抗浮剪切力;F₅为管片环间抗浮摩擦力。F₁浮力主要是由于水、泥浆等产生, 方向为垂直向上;F₂分力来自于设计轴线法线, 是千斤顶推力的分力, 方向是垂直于隧道轴线向上;F₃是重力影响下管片和覆土产生的力, 其方向为垂直向下;F₄, F₅的方向为垂直向下。

地下水、泥浆、注浆浆液包裹管片时, 管片所受上浮力可利用浮力计算公式得到:

式中:F_静为注浆液体产生的静压力 (k N/m) ;R₀为管片环外半径 (m) ;γ_j为混合物容重 (k N/m³) 。经计算, 本工程中注浆液体静压力为:F_静=3.14×3.1²×12=362.105k N/m。

盾构过程中如果遇到较大的坡度, 应当对各组千斤顶进行纠偏处理, 保证盾构轴线、线路曲线变化处于可控范围内。尤其在处理下坡盾构施工过程时更要做好各方向力的分析, 避免管片上浮受制于设计轴线法线上的分力, 造成管片的损坏或者实际盾构轴线的偏离。在没有约束力时, 该分力可根据下式进行计算:

式中:F_分力为轴线上千斤顶的推力分力 (k N) ;α为隧道坡度;T为千斤顶的平均推力 (k N) 。

本工程轴线推力分力计算结果:F_分力=30‰×18 000=540k N。

覆土重力和管片自重是影响盾构施工中抗浮力的主要因素, 所以只需考虑这两点因素。本工程隧道覆土为20~22mm厚, 盾构上覆地层地质情况如表1所示。结合表1, 按照下式计算覆土产生的抗浮力σ_V:

式中:γ为覆土平均重度 (k N/m³) ;H为覆土厚度 (m) ;c为土的黏聚力 (k Pa) ;φ为摩擦角 (°) ;P₀为覆土荷载 (k Pa) ;K为侧压力系数;B_t为1/2滑落土体宽度 (m) 。

以土力学作为基础, 按下式计算覆土重度γ:

由表1可得γ=20.03k N/m³。

滑落土体宽度的一半用B_t表示, 有:

式中:R₀为管片外半径 (m) 。将H=22m, c=18k Pa, φ=18.2°, R₀=3.1m, P₀=200k Pa, K=1代入 (3) 式和 (5) 式, 得B_t=9.86m, 覆土产生的抗浮力σ_V=250.8k Pa。

按下式计算管片自重所产生的抗浮力:

式中:F_G为管片自重产生的抗浮力 (k N) ;r₀为管片内半径 (m) ;γ_混凝土为混凝土重度 (k N/m³) ;B为管片环宽 (m) 。

将R₀=3.1m, r₀=2.75m, γ=25k N/m³, B=1.2m代入式 (6) 得F_G=192.87k N。

螺栓将管片相互连接, 在上浮力作用下, 管片会通过螺栓孔壁将这个作用力转移给连接螺栓, 剪切力由此作用在螺栓上, 具体受力情况如图7所示。

按照下式计算螺栓可承受的最大剪切力:

式中:Q_max为螺栓最大抗剪力 (k N) ;l_b为螺栓有效长度 (m) ;r_b为螺栓半径 (m) ;[τ]为螺栓许用剪应力 (k Pa) ;δ为剪力接触点间距 (m) ;N为纵向连接螺栓个数。

在本工程中, 螺栓有效长度为0.4m, 半径为1.5cm, 剪应力为175k Pa, 接触点间距为0.05m, 螺栓个数共计16个, 将这些数值带入 (7) 式可计算得到螺栓的最大抗剪力为2.261k N。

通过下式可计算管片间的摩擦力:

式中:f为接头摩阻力 (k N) ;n为螺栓数;μ为摩擦系数;N_i为单根螺栓紧固所产生的压力 (k N) ;N_j为环缝面压力 (k N) 。

其中在顶进过程中, 环缝面压力主要来自于千斤顶的分力, 当力传到环缝上时, 已经有一定程度的消减, 此处按经验取N_j=1 800k N, μ=0.1, n=28, N_i≈Q_max=2.261k N, 代入式 (8) 得:f=186.33k N。

通过图6能够发现, 管片会受到F₁与F₂方向的压力, 两压力值经计算得到如下结果:

同时管片受到F₃, F₄, F₅的压力, 压力值分别为:

经计算:F₁+F₂- (F₃+F₄+F₅) =158.64k N。

通过计算可知, 管片上浮主要是因为受到了向上的力, 这符合本工程实际施工情况。在上述管片上浮分析中, 并没有考虑同步注浆压力的影响, 这主要是因为在大坡度、小半径且连续穿越建筑物时, 为了控制地面沉降, 不可能只选择隧道上部的注浆管进行注浆, 因而注浆压力的方向具有不可预见性。但可以预见的是, 在确保安全的情况下, 适当增大隧道拱顶注浆压力、减小隧道拱底注浆压力, 使隧道拱顶、拱底注浆压力形成一个向下的压力差, 对于隧道抗浮具有重要作用。同时, 因砂浆具有黏滞性, 其黏滞阻力对管片上浮也具有一定的制约作用。因此, 为了能够有效控制地面沉降, 需要在穿越建筑物或者大坡度、小半径的施工段配合使用其他措施, 具体如下。

1) 盾构施工中管片受到淤泥质黏土层的影响会受到较大上浮力作用, 上浮力的大小直接受到砂浆密度、黏稠度、注浆压力等多方面因素的影响。应当适当提高砂浆的密度和黏稠度, 在施工前充分做好准备工作, 根据设计轴线适当降低盾构姿态, 并做好纠偏处理措施, 以弥补隧道上浮产生的限界损失。

2) 大坡度段施工中管片上浮情况在很大程度上受到盾构推力大小的影响, 所以在此阶段应当将推力和管片的上浮力适当减小。

3) 在隧道上方存在较大超载作用的情况下, 可能会导致管片环过大变形和破损, 所以应当将地表施工荷载尽量减小, 同时严格控制管片的质量。

采取上述方案后, 在后续盾构掘进施工过程中, 管片上浮量显著减小, 表明上述措施对解决管片施工期的上浮问题较为有效。

1) 管片破损的高发区为小半径曲线段, 主要是因为此段管片会受到千斤顶推力侧向分力的压迫, 且顶进行程增大的同时会导致侧向分力增大。

2) 保证管片能够均匀受压, 对千斤顶油缸压力进行严格控制。

3) 科学选择盾构机掘进姿态。

4) 根据地质条件合理配制注浆浆液, 尽量降低管片上浮问题的出现。

5) 施工中及时做好记录和总结, 及时改善不良施工情况, 从而保证盾构施工按照设计要求进行。