王 新,李庭平,王印昌

(上海市城市建设设计研究总院，上海 200125)

软土大直径泥水盾构隧道施工期上浮的控制措施

王 新,李庭平,王印昌

(上海市城市建设设计研究总院，上海 200125)

大直径盾构公路隧道在近工作井区段覆土较浅，施工期易产生上浮现象。借助以往软土地区泥水盾构隧道的设计经验，通过分析影响隧道上浮的物理环境和工艺操作，得到可能产生隧道上浮力的主要因素为地下水、同步注浆浆液、盾构姿态调整、地基回弹、泥浆后窜；间接影响隧道上浮趋势的主要因素有覆土厚度、地下水位、结构尺寸和材料重度、上覆土压缩特性、掘进速度和管片接头刚度。隧道抗浮的主要措施有增加上覆土临时压重、优化盾构施工参数与姿态控制、打设门式抗浮结构、改善注浆工艺及浆液性能、二次注浆、加强管片纵向连接等。

软土；大直径；泥水盾构；隧道上浮；影响因素；控制措施

0 引言

随着盾构工法在我国城市道路隧道工程的应用，大量的设计和施工经验得到了积累。传统的大断面盾构隧道最小覆土厚度一般在0.6D(D为隧道外径)左右，且最小覆土段位于工作井处。从上海修建的14条越江隧道(见表1)可见，随着技术的成熟，隧道的最小覆土厚度开始有所减少。在隧道总长不变的情况下，随着工作井处隧道覆土厚度的减少，盾构段长度增加，明挖施工减少，因此可以减少深大工作井带来的施工风险，对环保降耗和安全施工也有着积极的意义。

然而，江浙沪等软土地区水位较高，当隧道覆土较少时，隧道结构在施工期易产生上浮。如上海大连路隧道的平均上浮量约8 cm；上海翔殷路和耀华支路越江隧道的最大上浮量最大约15 cm和8.6 cm[1]。隧道结构上浮易引起隧道变形过大、防水失效及轴线偏离等一系列工程质量问题。前人已经对隧道结构上浮做了一定的研究，沈鑫国等[1]、郭宏宇等[2]、叶飞等[3]、杨方勤[4]结合盾构施工工艺探讨了影响隧道上浮的因素；沈林冲等[5]、张庆贺等[6]、王新等[7]针对影响隧道上浮的覆土厚度进行了探讨；邢慧堂[8]、沈征难[9]、皮景坤等[10]针对具体工程实践提出了施工期抗浮的一系列措施。施工期隧道上浮的影响因素较为复杂，学术界尚没有达成共识，还有待进一步研究。

本文借助以往软土地区大直径盾构隧道的设计经验，通过分析影响隧道上浮的物理环境和工艺操作流程，总结影响隧道上浮的主要因素，并进一步探讨有效的控制措施。

表1上海越江隧道最小覆土厚度统计
Table 1 Statistics of minimum thickness of overburden of river-crossing tunnels in Shanghai

隧道名称开工年代结构外径D/m最小覆土厚度h/mh/D复兴东路隧道200111．07．70．707大连路隧道200111．07．00．64翔殷路隧道200311．366．90．61上中路隧道200414．58．030．55西藏南路隧道200511．368．50．75军工路隧道200614．59．20．63崇明越江隧道200615．07．00．47新建路隧道200611．366．00．53外滩通道200713．959．00．65人民路隧道200711．366．00．53长江西路隧道200815．09．40．63仙霞西路隧道200811．367．00．62龙耀路隧道200811．368．350．74迎宾三路隧道201013．956．60．47

1 上浮的影响因素

盾构隧道施工阶段产生结构上浮的原因较多，其中主要分为物理环境和工艺操作2方面。物理环境主要包括覆土厚度、地质条件、地下水位和结构尺寸及材料重度等。工艺操作主要包括开挖卸载、盾构姿态、同步注浆、掘进速度、建筑空隙及管片接头刚度等。隧道结构的浮力可分为静态和动态浮力。地下水或浆液包裹对隧道结构形成静态浮力，姿态调整、注浆压力等施工因素对隧道结构形成动态浮力。

1.1 覆土厚度

一定的覆土厚度是保证盾构顺利掘进的前提条件，也是影响结构上浮的客观因素。以外径11.36 m、内径10.36 m的上海西藏南路隧道为例，地下水浮力为1 013 kN/m，结构重426 kN/m，浮力大于结构自重。因此，一定的覆土厚度可以提供抗浮力。隧道结构竖向力计算见表2。

表2 隧道结构竖向力计算Table 2 Calculation of vertical force on tunnel structure

随着隧道直径的增加，地下水浮力与结构自重的差别越大，所需要的覆土厚度也越大。以结构施工期抗浮安全系数1.1，地下水假定为地表以下0.5 m，对不同直径盾构隧道最小覆土厚度进行计算，如图1所示。由图1可知，各大断面隧道施工阶段抗浮最小覆土厚度为5.7～7.8 m((0.5～0.54)D)。当隧道施工阶段覆土厚度小于该值时，需考虑临时抗浮措施。

图1 施工阶段隧道抗浮最小覆土厚度Fig.1 Minimum thickness of overburden of tunnel to resist floating in construction phase

1.2 上覆土的压缩特性

一般简化的抗浮计算假定隧道上覆土为无限刚度体，没有考虑上覆土的可压缩性。实际上，当上浮力作用在结构上，结构通过力的传递挤压被扰动过的上覆土体，而上覆土体作为颗粒介质必然产生一定的压缩变形，进而产生隧道的上浮。因此，隧道上覆土的压缩特性一定程度上影响着隧道结构的上浮。

当隧道穿越地层或上覆地层存在淤泥、淤泥质等高压缩性软土时，需考虑增加结构内部配重或采取抗拔等措施以减少向下压力与浮力的差值，从而减缓隧道因压缩上覆土体产生局部或整体上浮。

1.3 地下水位

江浙沪软土地区水位较高，隧道基本上均位于地下水位以下，因此水位变化并不影响结构所受的水浮力。然而，地下水位能够影响上覆土的有效压重和压缩特性，成为影响隧道上浮的间接因素。通过抗浮计算，得到最小覆土厚度随水位线性变化，水位越高最小覆土越厚(如图2所示)。

图2 隧道最小覆土厚度与地下水位关系Fig.2 Relationship between minimum thickness of overburden and water level

1.4 结构尺寸及材料重度

由表2可知，隧道结构尺寸也是影响上浮的因素之一。此外，隧道结构材料的重度也是自重抗浮的主要影响因素。目前，国内外隧道结构多采用钢筋混凝土管片拼装而成，少数隧道采用了铸铁等高重度管片，如1880年修建的伦敦地铁隧道。起初，隧道采用铸铁管片并不是考虑抗浮。铸铁管片价格昂贵，后续逐渐被钢筋混凝土管片所替代。因此从隧道的经济性考虑，通过改变结构尺寸及重度满足抗浮需求的代价较高，不宜采用。

此外，施工阶段隧道内部存在一定的内部配重，由于其难以精确计算，抗浮计算时通常将这部分的有利作用忽略。

1.5 地基回弹

盾构掘进时，被刀盘切削下来的土体远远比隧道结构重。当管片脱出盾尾时，同步注浆浆液填充底部建筑空隙，并在一定时间内凝固，由于地层应力释放产生的地基回弹使得管片和注浆体共同发生向上的位移。隧道覆土较深时，地基回弹作用主要造成管片结构的自身变形，不会产生隧道结构的整体上浮。当隧道覆土较浅时，地基回弹成为结构整体上浮的影响因素之一。图3为南京某地铁隧道0.3D覆土深度下竖向位移的有限元计算结果。由图3可知，浅覆土隧道的地基回弹作用更加明显，土体开挖后隧道结构呈整体上浮状态。因此，当隧道覆土较浅时，控制开挖卸载引起的地基回弹可以作为隧道上浮的预防措施之一。

1.6 盾构姿态

盾构在掘进过程中存在上坡和下坡。郭宏宇等[2]对2.7%的下坡盾构隧道进行实测数据分析，认为下坡盾构隧道上浮的主要原因除了浆液或地下水的浮力外还有管片脱出盾尾形成的可上浮空间和管片所受千斤顶的顶推力。事实上，盾构在下转竖曲线或下转调向时，管片除了受浮力外，还受到盾尾千斤顶向上的顶推分力，可能使隧道结构产生上浮。

图3 南京某地铁隧道竖向位移有限元计算结果(单位：mm)Fig.3 Result of finite element calculation of vertical displacement of a Metro tunnel in Nanjing(mm)

此外，为保证隧道设计轴线，盾构在掘进中不断进行姿态调整。盾构姿态调整易使管片受到纵向偏心荷载，造成隧道纵向发生竖向的弯曲变形。当隧道覆土较浅时，这种弯曲变形更为突出，致使隧道结构局部上浮。因此，盾构姿态一定程度上影响着隧道结构的上浮。

1.7 同步注浆

叶飞等[3]从盾构隧道上覆土的最小覆土厚度计算入手，提出注浆浆液或泥浆、水等液体包裹管片而形成的静态浮力不足以使隧道上浮，认为注浆压力产生的动态浮力是施工阶段隧道上浮的主要原因。杨方勤[4]认为注浆压力为瞬间荷载，不至于引起隧道上浮，而流塑态浆液是引起隧道上浮的主要原因。事实上，施工中同步注浆浆液通过流动填充管片脱出后的建筑空隙，浆液压力也随之开始消散。鉴于注浆压力消散的不确定性，其作为隧道上浮的主要原因还值得商榷。

施工阶段，地下水产生的浮力大于结构自重，而同步注浆浆液的重度一般比水重度大得多。结构成型的前期阶段，浆液有较好的流动性，其对结构的上浮作用较明显。随着时间推移，同步注浆浆液逐渐凝固，作用在结构上的浮力则主要由地下水产生。

因此，同步注浆浆液的重度、凝固时间、可稀释性等特性在一定阶段影响着隧道结构的上浮。当隧道覆土较浅，由浆液产生的上浮力对结构的影响更明显。

1.8 掘进速度

盾构的掘进速度影响着隧道结构的稳定时间。盾构掘进速度过快，同步注浆浆液没有足够的时间达到预期的强度，管片长时间受到比水浮力更大的浆液浮力而上浮。盾构的掘进速度与同步注浆浆液特性共同影响着隧道结构的抗浮稳定。当覆土较浅时，盾构掘进过快易导致地层的剧烈扰动，隧道结构稳定时间较长，为抗浮控制带来一定的难度。

1.9 管片接头刚度

管片接头分为环向和纵向接头。纵向接头的提高能够增强单环的整体性和抗变形能力，并不能改变隧道上浮的趋势。纵向接头也不能影响结构上浮力的产生，不是结构上浮的主要影响因素，但其刚度增强能够为结构抗浮提供一定的贡献。环向接头通过纵向螺栓和凹凸榫将上浮力产生的剪力传递到邻近管片，通过隧道纵向刚度的提升减缓每环结构的上浮趋势。沈林冲等[5]考虑纵向螺栓的抗剪作用对最小埋深进行了探讨分析，得到了考虑螺栓抗剪作用下的最小埋深值。

纵向螺栓可以为隧道整体抗浮提供一定的抗剪力，但实质上一旦隧道开始上浮，主要发挥抗剪作用的螺栓仅为抗浮临界覆土处的某几环或仅一环螺栓。考虑到隧道结构的重要性，螺栓抗剪应仅作为一种安全储备，不宜针对螺栓抗剪进行抗浮设计的优化。

1.10 泥浆后窜

目前，国内大断面盾构隧道多采用泥水盾构施工。泥水盾构通过掌子面泥水压力来保持开挖面的稳定，施工中不可避免地出现泥浆向隧道后方流窜，从而产生较大的浮力，造成隧道上浮。泥浆比重比地下水大，通过泥浆配优化，研发高性能低比重泥浆材料可以减少因泥浆后窜产生的隧道上浮。

综上所述，可能产生隧道上浮力的主要因素为地下水、同步注浆浆液特性、盾构姿态调整、地基回弹、泥浆后窜；间接影响隧道上浮趋势的主要因素为覆土厚度、地下水位、结构尺寸和材料重度、上覆土压缩特性、掘进速度、管片接头刚度。

除此之外，影响隧道结构上浮的不确定因素还有成型隧道内的后续施工、台车前行卸载效应、跟踪注浆、砂土液化及地面卸载等。

2 控制措施

隧道施工期的受力较为复杂，成环管片脱出盾尾前，主要受自重和盾尾的支撑力；管片脱出盾尾后，管片受到地层压力、水压力及壁后注浆压力。抗浮控制措施应以改善隧道结构受力状态和受力环境为主。从经济可行性的角度，隧道施工期可以针对地下水位、同步注浆浆液特性、盾构姿态调整、泥浆后窜、覆土厚度、上覆土压缩特性、掘进速度、管片接头刚度采取改善或控制措施以减缓隧道的上浮。

2.1 上覆压重

上覆压重是指在浅覆土段沿隧道断面宽度将黏土包(见图4)、混凝土碎渣(见图5)、钢渣等重物预先压在隧道顶部地表。在盾构掘进过程中，上覆压重提供的压力有利于刀盘的切削稳定。管片脱出盾尾后，上覆压重提供了抵抗隧道上浮的竖向力，减弱了隧道结构上浮的程度。

上覆压重的高度

式中：d临界为满足施工期抗浮要求的临界覆土厚度；d实际为满足隧道顶部实际覆土厚度；γ土为原状土加权平均重度；γ渣为压重材料平均重度。

图4 黏土包

图5 混凝土渣

2.2 改善上覆土特性

江浙沪地区软土分布广泛，地下暗浜时有存在。在穿越这些区域时，浅埋隧道的上浮趋势将造成上覆土体的压缩变形，进而为隧道上浮提供了可能性。通过旋喷桩、水泥土搅拌桩、注浆等加固手段，可以对浅埋隧道不满足抗浮的区段进行土体改良。目前，加固程度和范围可借助数值软件分析得到指导数据，尚不能做到精确计算。

2.3 优化盾构施工参数与姿态控制

盾构的施工参数需根据地质条件、盾构姿态及施工经验综合确定。

选择泥水盾构的切口水压时，需根据盾构姿态的缓坡段和直线段分别进行设定。在浅埋段，在不影响工期情况下适当放慢掘进速度和提高拼装速度可以为同步注浆浆液提供足够的凝固时间，进而减缓隧道的不稳定时间，达到延缓上浮的目的。例如南京长江隧道浅覆土段控制推进速度在30 mm/min以内。

控制管片的拼装质量可以减少管片脱出后隧道结构的变形。浅覆土隧道受到较明显的上浮作用，纵向剪力效应较明显，提高拼装质量增强纵向刚度可以延缓隧道结构的上浮趋势。

另外，浅覆土段盾构姿态控制尤为重要。施工中，机组人员应严格遵照规程操作，避免人为因素超挖引起的频繁纠偏。在陡坡与缓坡的过渡段，要缓慢匀速纠偏，每前进一段进行掘进参数复核和变形控制分析，进行动态信息化施工。

2.4 打设门式抗浮结构

当隧道覆土极浅时，一般需在注浆等加固措施的基础上施作抗浮结构。目前国内存在应用先例的抗浮结构主要为抗浮板和抗拔桩，其组合形式常被称为门式抗浮结构。张庆贺等[6]以南京1号线下穿内秦淮河为背景，研究了门式抗浮结构在隧道上覆土仅0.7 m工况下的应用效果(见图6(a))。通过实测数据显示，门式抗浮结构在控制盾构上飘和隧道上浮方面起到了预期的效果。此外，上海东方路下立交在上穿地铁2号线时也采用了门式抗浮结构的原理(见图6(b))。

(a) 南京地铁1号线

(b) 上海东方路下立交

从力学机制上分析，抗浮板和抗拔桩的组合对隧道周围土体产生了约束，受约束的土体抑制了隧道结构的上浮。但抗浮板结构的合理尺寸设计、抗浮效果的评价等经验相对较少，有待针对其设计参数的优化开展进一步研究。

2.5 改善注浆工艺及浆液性能

同步注浆工艺的改善主要是针对其同步性、注浆点位、注浆量及注浆压力进行实时控制。为保证壁后注浆的同步性，在试掘进阶段应针对注浆系统进行测试和评价，并对钢丝刷质量和止浆效果进行检查。在设备和内部空间允许的情况下，根据地层情况合理布置注浆孔的位置和数量。同时，调整合理的注浆压力(一般不大于0.3 MPa)和注浆量使得浆液能够及时均匀地填充到建筑空隙内，提高注浆工艺的水平。根据隧道整体上浮情况，隧道掘进中可采取上部点位多注浆，下部点位少注浆，抑制隧道上浮。压力设置时，可根据地层压力情况，顶部稍提高，底部稍降低。

此外，浆液性能的改进是改善隧道上浮的重要措施。配制同步注浆浆液时，其胶凝时间应与掘进速度相匹配，同时应具有良好的抗稀释性。浆液还应该有较强的早期强度。适当降低粉煤灰和增加黄砂的掺加量降低浆液的流动性，适当增加膨润土的含量降低浆液的泌水率，通过配合比的优化得到早期强度高的浆液。而超大直径隧道由于开挖面大，浆液必须要有良好的流动性和填充性，为了能获得较高的早期强度而又不影响浆液塌落度和流动性，可通过实验对比和现场监测来进行分析总结，从而确定这个平衡点。在保证浆液的充填特性后，还应适当降低浆液的密度，以减少因高重度浆液引起的上浮。但浆液龄期一般随浆液密度的降低而增加，因此，需结合同步注浆试验对浆液性能效果进行评价，最后得到一种抗浮性能较好的浆液配比。浆液塌落度的测定见图7。

图7 浆液塌落度测定

2.6 二次注浆

在隧道成型后的一定范围内应对管片进行严密监测，如发生上浮位移过量，适当进行顶部的二次注浆，注浆量和注浆压力根据实时上浮位移监测值进行调整。

2.7 加强管片纵向连接

在一些浅覆土的特殊地段，增加纵向螺栓数量和直径，能使管片的竖向抗剪能力提高。但基于隧道长期受力的不确定性，纵向螺栓加强不宜作为永久抗浮措施，可作为临时措施。此外，管片环间还可以通过设置凸凹榫等增强摩擦力措施来提高接头的抗剪能力，从而抵抗隧道上浮。管片纵向长螺栓布置图见图8。

图8 管片纵向长螺栓布置图

2.8 其他

隧道内部增设管片整体稳定装置，增强成型隧道的纵向整体性，并为浆液稳定隧道结构提供时间条件，从而有利于隧道的抗浮。隧道施工中，浅覆土隧道结构变形和轴线监测信息的及时反馈，能够指导隧道上浮原因的剖析和抗浮措施的制定。

3 结论与建议

软土盾构隧道施工期上浮的影响因素较多，通过对盾构施工工艺的剖析和抗浮措施的探讨，主要得到以下结论：

1)可能产生隧道上浮力的主要因素有地下水、同步注浆浆液、盾构姿态调整、地基回弹及泥浆后窜。

2)间接影响隧道上浮趋势的主要因素有覆土厚度、地下水位、结构尺寸和材料重度、上覆土压缩特性、掘进速度和管片接头刚度。

3)针对施工期隧道上浮，主要的措施有增加上覆土临时压重、优化盾构施工参数与姿态控制、打设门式抗浮结构、改善注浆工艺及浆液性能、二次注浆、加强管片纵向连接等。

4)施工期隧道的抗浮措施需考虑多种措施的组合，并结合可实施性和经济性综合确定。

施工期间影响隧道上浮的任何因素都不能认为是绝对的主要因素。某一因素的影响力仅在一定范围发挥主导作用，其发挥程度也需根据具体的施工环境而定。此外，不同的环境状态下，往往多项因素共同主导了隧道施工期的上浮。目前，仅能给出理论和实践经验下的定性分析，待后续引用大量统计数据后，通过敏感度分析进一步给出较准确的判断。

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武汉光谷广场将建成国内最复杂地下工程

2014年12月3日，一份“武汉轨道交通2号线南延线光谷广场综合体工程设计中标公示”在网上热传，经向多个相关部门求证获悉，此消息属实，光谷广场综合体工程预计将在今年年内动工，工程将投资22亿元，工期1 440 d，大约4年。在光谷广场地下，公路隧道、地铁隧道、地铁站和地下商城将构成国内最复杂的地下工程。

光谷广场地下挖4层国内最复杂的地下空间

中标公告显示，光谷广场综合体位于光谷广场下方，是轨道交通2号线南延线工程的建设起点，建设工期4年。2号线南延线、9号线、11号线3条地铁线路在此交会，珞喻路和鲁磨路2条市政隧道也由此穿越。按照规划，2号线南延线将于近期开工建设，光谷广场将正式开挖。

光谷广场综合体包括2条汽车隧道、3条地铁、1个地下商城和地下停车场，地下共有4层，是目前国内最复杂的地下空间。其中，地下1层为地下公共空间；地下2层为地铁9号线站厅和站台、11号线站厅及区间隧道、鲁磨路下穿公路隧道以及部分地下公共空间；地下3层为2号线南延长线隧道、珞喻路下穿公路隧道、地下停车场以及9，11号线换乘通道；地下4层为11号线站台及区间隧道。

地铁车站埋深每增加1 m，施工风险将呈几何级数倍增，预计本工程将面临极大的施工难度挑战，或创造国内地下综合工程施工新纪录。

光谷广场将成轨道交通枢纽

未来，武汉轨道交通规划为2号线南延线、9号线和11号线将在光谷广场汇聚，其中9号线和11号线将在光谷广场的正下方实现换乘，站台也将设置于广场地下。

11号线全线西起蔡甸柏林，东止光谷左岭新城，全长约68 km，设站34座，是武汉市目前已经公布的最长轨道交通线路。该线路从光谷广场出发后，到达地铁11号线东段的起始站光谷火车站。

2号线南延线则是光谷地区的一条轨道交通大动脉，从光谷广场到高新六路和光谷一路交会处附近，能实现大光谷地区与天河机场的直接连接，是贯穿武汉市南北的大动脉。11月，该工程已进行了规划公示。

地铁9号线则是远期规划线路，大致方向为植物园—江夏城区。

充分利用地下空间解决交通问题是国际趋势

光谷广场是由5条路汇聚而成的畸形路口，大学聚集，地铁2号线引入后，带来了更大的客流量，且该区域与江夏、左岭、花山、光谷新城紧邻，是城市的一个主要堵点。多年来一直探讨解决之策，原来有人建议修高架、天桥，但经过规划、交通等部门论证，最终决定通过地下解决。未来地铁11号线东线也将从光谷广场地下穿过，光谷广场将形成一个超大型交通换乘枢纽，正好利用这一契机同步进行地下商城开发。

目前，欧美、日本、香港等国际大都市均利用地下综合体来解决平面交通拥堵问题，将人流往下引，降低对地面的影响，今后地下出入口也能与周边商业衔接，而无需从地面抵达。虽然地下开挖成本高于地上，但从长远来看，地下综合体未来所发挥出的社会和经济效益将更大。

(摘自 中国岩土网 ttp://news.yantuchina.com/20296.html 2014-12-04)

CountermeasuresforFloatingofLarge-diameter
SlurryShieldTunnelinSoftSoil

WANG Xin,LI Tingping,WANG Yinchang

(ShanghaiUrbanConstructionDesign&ResearchInstitute,Shanghai200125,China)

Due to the shallow overburden near the working shaft,tunnel floating often occurs when a large-diameter slurry shield bores adjacent to the working shaft.In this paper,the physical environment and operation techniques of slurry shield that affect the floating of shield-bored tunnels are analyzed,with considering the design experience of slurry shield-bored tunnels in soft soil area.The study results show that the main factors that affect the tunnel floating include ground water,simultaneous grouting,shield attitude control,ground reaction and grout back-flowing; the main factors that have indirect influence on the tunnel floating include overburden thickness,ground water level,tunnel dimension,material density,overburden compression characteristics,shield boring speed and segment joint stiffness; main countermeasures for tunnel floating include installing artificial overburden,optimizing the shield boring parameters and shield attitude control,installing floating-resistant portal structures,improving the grouting techniques and the grout performance,carrying out secondary grouting and strengthening the longitudinal connections between segments.

soft soil; large diameter slurry shield; tunnel floating; influence factor; countermeasure

2013-12-23；

2014-10-09

上海市科学技术委员会资助项目(11231202703)；上海城建集团A类科研攻关项目 (2011-A-02)

王新(1984—)，男，山东聊城人，2011年毕业于同济大学，地质工程专业，硕士，工程师，主要从事地下工程结构设计及相关科研工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.009

U 45

A

1672-741X(2014)12-1168-07