盾构法隧道施工属于地下工程, 不仅受到盾构机本身施工工艺和参数的影响, 还会受到隧道设计线型、结构形式和水文地质情况的影响。因此, 盾构隧道施工中的错台、破损、渗漏等质量问题的控制难度相当高。

刘仁鹏^[1]针对隧道施工对盾构机类型及其特性进行了比较分析。胡珉等^[2]采用多评价策略融合方法设计了一种盾构隧道渗漏的预测算法, 提出了优化施工参数解决渗漏问题的方法, 取得了良好的效果。李宇杰等^[3]采用三维非连续-接触计算模型分析, 并通过现场试验验证, 得出盾构管片错台会增大管片局部内力以及破损的结论。曾格华等^[4]通过工程实例, 比选确定了防水最不利管片环初始结构, 提出了一些对管片环拼装质量控制及其运营期防水的参考性建议。吴惠明等^[5]基于FP-Growth算法研究了盾构掘进参数与隧道管片渗漏关联性并应用到工程中。

隧道建成通车后, 交通不允许中断导致无法对隧道进行系统全面的结构劣化程度检测, 因此无法了解当初的施工参数是否合理, 也就难以提出优化建议。

针对延安东路隧道北线和南线检测到的隧道劣化指标和壁后注浆厚度, 分析盾构施工对大直径隧道劣化的影响因素。

延安东路北线隧道浦西连接延安东路, 穿越黄浦江, 浦东连接世纪大道, 隧道全长2 261m, 其中圆隧道段长1 452m (见图1) 。隧道采用φ11 300mm超大型网格盾构进行隧道掘进。圆隧道外径为11.00m, 内径9.90m, 采用钢筋混凝土平板型管片, 通缝拼装。管片脱出盾尾3~4环后进行壁后注浆, 注浆率一般为120%~150%, 局部达到200%。浆液配合比为水泥∶膨润土∶粉煤灰=1∶0.5∶6, 加50%水和适量水玻璃。压注位置为两侧腰部和顶部2处, 共4处。

延安东路隧道南线圆隧道段全长1 310.498m。圆隧道外径11m, 内径9.9m。采用8块预制钢筋混凝土管片, 环宽1m, 通缝拼装。采用外径φ12.2mm泥水平衡式盾构掘进施工, 双液浆盾尾同步注浆, 注浆率为150%~200%, A液配合比为水∶水泥∶膨润土∶稳定剂=785kg∶275kg∶55kg∶3.6L, B液水玻璃为77L^[6], 压注点4处。隧道在浦东段为向左的平曲线, 浦西段为向右的平曲线, 最小曲率半径为R=450m。江中段最小覆土厚度为7m, 隧道底部最低标高-32.110m, 隧道穿越的地层与北线隧道相似 (见图1) 。

根据隧道内的条件, 采用探地雷达 (Ground Penetrating Radar, GPR) 探测方法进行数据采集。采集的方向选择从浦东向浦西方向, 共计布置了3条轴向测线, 如图2所示, 分别位于11点, 12点和7点钟方向。鉴于高空作业车的移动控制难度非常大, 采集时会根据实际情况 (绕开路面及空中障碍物等) 调整。

拱顶11, 12点方向2条测线采集数据时, 由2名工人托举雷达天线, 使天线紧贴管片表面, 车辆由浦东向浦西方向前进, 每100mm停车保存数据, 遇到障碍时暂停采集, 越过障碍物继续采集。在下通道内7点方向采集测线雷达数据时, 采用雷达设备自配的检测车 (由浦西向浦东方向) , 将检测车放置在管片表面, 一人在前方维持检测车的平衡 (管片表面是一个斜面) , 后面的操作人员控制检测车, 由触发轮来控制雷达信号的发射与接收。

延安东路隧道北线和南线劣化指标检测数据对比如表1所示。从表中可以看出, 南线隧道管片错台和破损点个数和比例均小于北线隧道。

南、北线隧道封顶块错台量比较如图3所示, 北线隧道和南线隧道在两侧岸边曲线段的错台现象相似, 错台点的个数均比较多。而在江中段, 北线隧道错台点依然比较多, 南线隧道错台却很少发生。经过分析, 主要原因有以下3点。

盾构隧道在曲线段推进中, 为了盾构机顺利地拟合设计曲线, 作用在管片上的推进反力是不均匀的, 这时管片的受力情况非常复杂, 容易产生错台和破损。当曲率半径较小, 盾尾间隙较小的情况下, 盾构推进在纠偏时盾尾钢板内侧容易挤压管片外侧, 导致管片产生较大的错台和破损。

北线隧道采用的是网格挤压式盾构机, 在纠偏推进过程中, 只能通过超挖和欠挖来调整推进方向。导致盾尾通过后, 管片外侧建筑空隙不能准确计算, 壁后浆液不能及时填充这些空隙, 管片容易产生错台, 受力不均后继而产生破损。南线隧道采用了当时新型的泥水平衡盾构机, 在开挖面平衡和纠偏推进上, 都优于网格挤压式盾构机。说明这种盾构机在隧道直线段找到合理施工参数后, 可以解决管片错台问题。

南、北隧道壁后注浆层厚度统计如图4所示。从图4中可以看出, 北线隧道壁后注浆层厚度大部分处于5~20cm, 南线隧道壁后注浆层厚度大部分处于10~20cm, 变化相对较小。这是因为2条隧道施工的注浆工艺不一样, 北线隧道采用管片壁后及时注浆, 待管片脱出盾尾3~4环后进行注浆, 南线隧道采用盾尾同步注浆方式。因此, 南线隧道盾尾建筑空隙可以得到及时填充, 最大限度减少了盾尾建筑空隙存在的时间, 减少了管片脱出盾尾后与相邻环管片间的竖向力, 错台和破损相对较少。

为了获得壁后注浆对管片错台和渗漏影响的实际情况, 对运营时间较长的北线隧道江中段检测数据进行了进一步分析

江中段封顶块湿迹统计如图5所示, 对应的壁后注浆层厚度统计如图6所示。首先分析590~690环, 从图5看出, 650~670环之间没有出现湿迹, 而其余区域均发现湿迹。从图6看出, 无湿迹区域对应的壁后注浆层厚度较大, 均>13.8cm。说明这一区域, 壁后浆液>13.8cm即可满足无渗漏要求。

再分析760~850环, 从图5看出, 这个区域只有4处湿迹。从图6看出, 对应的壁后注浆层厚度大部分都超过了15cm。图5中, 760~790环间的12点方向的厚度大部分<10cm, 而图6中11点方向的壁后注浆厚度均>20cm。因此, 可以判断在这一区域, 壁后注浆厚度>15cm可满足无渗漏要求。

最后分析850~1 000环, 图5中850~910环间无湿迹, 其余区域均发现湿迹。图6中无湿迹区域对应的壁后注浆厚度>12.5cm, 说明这一区域壁后浆液厚度>12.5cm即可满足无渗漏要求。

根据以上分析可知, 就江中段而言, 中间段由于埋深和水深均较大, 因此无渗漏所需壁后注浆厚度最大。两侧江边段, 浦西侧由于水深较小, 覆土较大, 无渗漏所需壁后注浆厚度最小。浦东侧由于水深较大, 覆土较浅, 无渗漏所需壁后注浆厚度比浦西侧稍大。

图7为江中段封顶块错台量统计, 对比图5与图7, 错台量出现的较大量 (608, 610, 611, 787环的2.5cm, 840, 841环的3cm) 恰是壁后浆液厚度局部较大区域或整体最大区域。在其余部分壁后注浆厚度<15cm, 这些区域错台的数量较多, 但是错台量大多为2cm。说明了壁后浆液压注量局部较大时会引起压注点处较大错台, 且会一直存在。

对比图5和图7 (图中有些点是连续出现的) , 可以发现错台数量较多处, 湿迹数量较多且湿迹面积较大。江中段中部区域虽然几处错台量较大, 但是错台数量较少, 因此湿迹点只有4处。说明了错台数量多也即隧道在纵向方向发生连续变形容易导致隧道渗水情况的发生。

1) 通过对比分析延安东路隧道南、北两条隧道的检测数据, 得到隧道产生劣化的主要因素是:隧道线型、盾构机类型和壁后注浆。隧道曲线段由于推进时纠偏频繁容易产生错台和破损。对开挖面土体扰动较小的盾构机类型容易计算壁后注浆量, 从而使管片受力均匀, 不容易产生劣化。同步注浆由于其及时性, 使得外部建筑空隙得到快速填充, 减少了脱出盾尾管片与相邻环间的竖向力, 减少了错台和破损。

2) 通过分析延安东路隧道北线江中段中的检测数据可知, 能够保证不渗漏的壁后注浆厚度并不一样:埋深或水深越大, 所需注浆厚度越大;埋深相同时, 水深越大, 所需注浆厚度越大。壁后浆液压注量局部较大时会引起压注点处较大错台, 且会一直存在。错台现象较多时容易导致隧道渗水情况的发生。

本文针对延安东路隧道北线和南线检测到的隧道劣化指标和壁后注浆厚度, 深入分析盾构施工对大直径隧道劣化的影响因素, 最终找到盾构机类型、壁后注浆厚度、隧道线型、水文地质情况为主要影响因素。研究成果可以用来优化大直径盾构隧道的线型设计和施工参数, 减缓其运营过程中的劣化。