摘 要:采用盾构通过矿山法施工软硬不均地层的隧道，能达到快速安全经济效果。管片脱出盾尾后盾构隧道上浮问题是该工法技术难题之一。本文以深圳地铁 2 号线东港路站—招商东路站区间盾构通过矿山法隧道段为背景，运用有限元法，分析了回填材料属性、回填层厚度等因素对管片上浮的影响规律。提出了施工、设计过程控制管片上浮的对策和措施，可为同类工程施工和设计提供参考。

关键词:盾构 矿山法 回填层 管片上浮

 

      目前，国内广州、深圳等地的地铁施工过程中都会碰到复杂地层、软弱不均地层。一条区间隧道的大部分经过软黏土，粉土等，只有几十米甚至上百米穿过强度较高的岩层，单独采用盾构或 TBM 均遇到不适应地层风险，矿山法难以通过大段软土地层，此时采用盾构通过矿山法隧道的复合工法能达到事半功倍效果。刘建美等^［1］以广州地铁四号线大学城专线小新区间隧道为例，详细介绍了盾构通过矿山法施工隧道段时的回填、盾尾注浆和分阶段压注浆等工艺;杨书江等^［2-3］从解决空推无法对已拼装管片隧道施加足够轴向压力角度出发，提出了在盾构通过矿山法施工隧道段拼装管片时，采用焊接联结钢筋、支挡牛腿和复紧螺栓三步走的措施，保证隧道的防水效果。汪茂祥^［4］等结合广州地铁 5 号线区杨盾构区间盾构隧道，介绍了盾构通过矿山法施工隧道段的导台施工、盾构“磕头”、管片错台控制和增大盾构总推力压紧管片等施工关键技术。

      盾构隧道施工过程中衬砌管片上浮问题是客观存在的，且一直是较难解决的问题之一。针对这一问题，张庆贺等从盾构开挖面平衡状态，推导了土压平衡盾构开挖工作面水土压力与密封舱内压力动态平衡式，得到了盾构施工过程土体及隧道稳定所需的最小覆土厚度^［5-6］;肖明清等分析了软土普通盾构施工过程中管片上浮的影响因素，并提出了控制管片上浮对策和措施^［7］。

 

      盾构通过矿山法施工隧道段的通常做法是:①从地表打一竖井下至隧道设计岩层处，先采用矿山法将较坚硬岩土层爆破挖除，施工断面稍大于盾构外径的初期衬砌;②在矿山法隧道内回填土或者细石子;③盾构在预先做好的矿山法隧道里空推并完成管片拼装(此阶段基本无同步注浆);④补压浆(见图 1)。

      与软土地区的普通盾构施工相比，在已经施工完毕的矿山法隧道内进行盾构空推施工，存在如下几大技术难题:

      1) 管片上部缺少上覆土的作用，导致脱出盾尾后上浮较严重;

      2) 盾构施工掌子面缺少土压力作用，土压平衡得不到实现，导致管片环缝挤压不密实，管片成环后整体防水性能较差。

 

      从查阅文献结果来看，引起隧道上浮主要有以下三个方面的因素:①注浆浆液或泥浆、水等液体包裹管片从而产生了向上的浮力;②注浆产生的静态压力及动态上浮力;③盾构施工控制不当，产生了“蛇行”现象。

      对于普通盾构隧道而言，当因素①产生的浮力小于隧道上覆土重力^［4］时，不足以引起隧道上浮。但是，对于盾构通过矿山法隧道而言，隧道上覆土重力主要由矿山法衬砌来承担，实际作用在盾构管片的压力很小。于是，对于盾构通过矿山法隧道而言，因素①产生的浮力是导致管片上浮的一大主要因素。

      盾构通过矿山法施工隧道时，基本无同步注浆;补压浆亦只是为了控制隧道上浮。因此注浆因素^［5］将不在本文的分析范围之内。本文将从回填材料属性、回填层厚度、回填层回填密实程度、隧道建筑间隙内充水程度和覆土厚度等因素进行分析。

 

      深圳地铁 2 号线东港路站—招商东路站区间隧道从东港路站出发，下穿新建澳城花园，地质条件复杂，隧道下部将遇到高强度微风化岩层。隧道断面内为最不利的第四系中更新统残积层、拱顶上部为具有高渗透性(渗透系数达到 15 m/d)的砾砂(含淤泥)层。

      区间隧道整体设计为土压平衡盾构施工。采用预先矿山法暗挖，然后盾构通过矿山法隧道的施工方法通过其间的高强微风化岩层段。左右线矿山法段分别长 147. 5 m 和 287. 0 m，埋深约 10. 0 m。

      矿山 法 隧 道 衬 砌 为 C25、S6 喷 射 混 凝 土，内 径6 600 mm，外径7 300 mm，厚 350 mm;盾构管片为 C50、S10 预制管片，内径5 400 mm，外径6 000 mm，厚 300 mm。

      采用等效刚度(刚度折减系数取为 0. 9) 的方法，将管片视为均质弹性梁结构。有限元计算模型如图 2所示。其中喷射混凝土和管片均采用梁单元(beam3 单元)，土体及回填层采用实体(plane42)单元，且服从 D－ P 屈服准则。各材料的物理、力学特征参数见表 1。

      根据深圳地铁 2 号线东港路站—招商东路站区间盾构通过矿山法隧道施工过程，分五个计算步进行数值模拟:第一计算步，计算自重应力;第二计算步，开挖土体，并考虑开挖时的应力释放(释放率取为 50% );第三计算步，施作喷射混凝土;第四计算步，回填(实际工程中回填至矿山法隧道初衬一半深度);第五计算步，盾构空推通过矿山法施工隧道段。

      考虑到隧道拱顶上部为具有高渗透性的砾砂(含淤泥)层，第四计算步中，回填后，假设矿山法施工隧道内充满地下水。

      第五计算 步的位移场减去第四计算步的位移场^［5］，得到盾构空推通过矿山法施工隧道段时的地层位移变化情况，如图 3。盾构空推通过矿山法施工隧道段时，管片上浮 9 mm。

      国内已有的成功案例选择回填材料大体分为二种，一种是回填土，另一种是回填中细石子。本文为了考察回填材料的物理力学性质对管片上浮的影响，分别取表 2 所列的几种材料进行计算。回填材料的性质对管片位移有较大影响:回填材料强度越高，管片上浮值越小，因此回填中细石子时管片上浮最小。

      从工程的具体实际来说，在地铁隧道的建筑限界一定的情况下，回填层厚度应尽可能地小。因为回填层直接影响到矿山法的开挖量。从经济角度考虑，应尽可能地减小回填层厚度。但从盾构施工角度来说，回填层厚度亦不能太小，否则会影响盾构机的正常工作。本文单纯从探寻回填层厚度与管片上浮量之间关系出发，在合理范围内，选取了几种不同的回填层厚度进行计算。随着回填层厚度的增加，管片上浮值有增加趋势，但影响较小。

      盾构正常安全施工要求回填材料全部均填矿山法隧道内;但实际施工中，在矿山法隧道内全部均填回填材料需要花费巨大的人力和物力。选择一个既能满足盾构施工要求亦能最低程度地减少工程量的填充密实程度，是盾构空推通过矿山法施工隧道段的一个重要问题。回填层回填密实程度分别为回填 1 /2 以及回填3 /4。随着回填深度的增加，管片上浮值有减小的趋势，但减小不明显。