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摘要：加强盾构隧道管片上浮控制是确保隧道线型符合设计要求和隧道建筑限界的关键，本文主要对盾构掘进过程中管片产生上浮的现象、原因进行了分析研究，并提出了控制措施。
关键词：盾构；管片上浮；原因；措施
Abstract: strengthening of shield tunnel segment buoyancy control is to ensure that the tunnel line conform to the requirements of the design and the key of tunnel clearance, this paper segments in the shield tunneling process, this paper analyzes the buoyancy of the phenomenon, causes, and the control measures are put forward.
Key words: shield; Segments floating; The reason; measures
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
盾构隧道施工过程管片上浮是比较普遍的现象，因此，控制管片上浮、确保隧道线型符合设计要求，是盾构隧道施工的重要环节。对于管片上浮，国内外进行了广泛的分析与研究，引起管片上浮的原因包括：地质条件、壁后注浆、管片接头形式、盾构姿态、隧道坡度、盾构直径、隧道覆土厚度等。但多是根据具体工程经验，分析管片上浮的具体原因或单一原因。管片上浮是多种因素作用的结果，本文主要从以下几个方面分析了管片上浮的原因。
一、管片上浮的因素分析
1、管片上浮的外部条件
1.1衬背环形建筑空间
盾构机的切削刀盘直径D与隧道衬砌管片的外径d有一定的差值，即△D = D-d 。由于盾构掘进过程中的蛇形运动，会产生超挖和理论间隙，管片与地层间存在一环形建筑空间。在软岩地层中，当管片脱出盾尾后，如果不及时进行同步注浆填充环形建筑空间，拱顶围岩便有可能产生变形引起地表过量沉降，但这种变形消除了隧道管片与围岩间的建筑空间，有利于即时约束管片上浮的趋势。但在硬岩地层中，管片脱出盾尾后，由于其岩层的稳定性，环形建筑空间在相对长的时间内是稳定的，如不及时充填此空间，脱出盾尾的管片便处于无约束的状态，给管片的位移提供了可能的条件。
1.2过量超挖
无论是矿山法还是盾构法隧道施工，都必须随着隧道的掘进准确地掌握工程地质与水文地质条件的变化，通过对地质信息的反馈及时修正施工方法。盾构法隧道地质的变化更需要准确地判断，其目的是：决定刀具的适应性；控制和调整盾构机的掘进参数；控制盾构隧道管片的变形和位移。在均质连续的地层中掘进，盾构机刀盘所承受前方开挖面的掘进阻力是均匀的，(包括均匀作用在面板上的水平阻力和面板上的扭矩)，这时候盾构机的掘进是连续均衡的，掘进参数也保持相对不变，盾构姿态沿轴线的控制也较容易。
2、管片上浮内部原因分析
2.1衬砌环受力分析
2.1.1衬砌成环时受力状态
当衬砌管片刚拼装成环后，衬砌环处于盾尾保护之内，仅受自霞作用，其整体运动受盾构机支配。当盾构机掘削土体同时自重作用于地层后，由于一般盾构机重量小于开挖土体的重量，故地层应力会进行重分布，使盾构机在地层作用下略有上浮。这种上浮是一种平均效果，由于盾构机熟量沿纵向分布不均匀，所以在软土地层中较重的刀盘部分一般会下沉，而盾尾部分则表现为上扬，即出现“磕头”现象。
2.1.2衬砌环脱出盾尾时受力状态
（1）软弱土层中的隧道衬砌环刚脱出盾尾时，衬砌环管片在同步注浆材料的包裹下置于地层中，不计土的拱效应，拱顶压力力，隧底压力p=(h+2R)r（R为隧道半径）。假定土压力沿深度方向均匀分布，此时结构受力模式如图1所示。
（2）岩层中的隧道
当盾构隧道处于地层自稳能力很强的地层（如岩层）中时，管片脱出盾尾后开挖轮廓自身稳定，故衬砌环不受围岩压力作用，在地下水丰富时仅受水的压力作用。同步注浆未凝固时，由于浆液的重度一般大于水的重度，故浆液产生的浮力与自重的比值大于2.4。通过上述计算可知，水或注浆压力的浮力均大于衬砌环自重。
二、管片上浮影响因素分析
1、覆土厚度
在其他条件不变的情况下分别取覆土厚度h为8、10、12、15、20m和30m共6种工况进行计算。根据计算结果，相对覆土厚度h/D（jd为隧道外径）对地表位移和隧道位移的影响如图所示。从图可知，随着覆土厚度的增加，地表隆起和隧道的向上位移均逐渐下降
2、地层性质
为了考察隧道所处地层的物理力学性质对管片上浮的影响，左图为地层类型与隧道位移的关系。从图中可以看出，地层性质对管片位移有较大影响；土质地层中土体强度越高，管片上浮越小，因此软黏土地层中管片上浮最大。
通过同步注浆材料和隧道上浮的影响关系可以看出，采用强度很低的惰性浆液，管片位移明显减小：采用瞬凝浆液和硬性浆液时，管片位移较大，可塑浆液引起的位移居中。
三、管片上浮控制及处理措施
1、选择适当的注浆浆液
注浆材料主要有单液型浆液和双液型浆液。单液型又可分为惰性浆液和硬性浆液。惰性浆液浆液中没有掺加水泥等胶凝物质，早期强度和后期强度均很低。硬性浆液在浆液中掺加了水泥等胶凝物质，具备一定早期强度和后期强度。双液型浆液的胶凝时间通常较短，按凝结时间来分，又可分为缓凝型、可塑型、瞬凝型三种类型。
2、选择适当的注浆方法
注浆有盾尾注浆和管片注浆两种方法。盾尾注浆能够及时、均匀注浆，自动化程度高，施工控制相对容易，浆液在盾尾间隙的分布相对均匀。但堵管时清洗困难；一般只适于单液注浆，若选双液浆，需配置专门清洗装置。管片注浆操作灵活，容易清理，既可选单液浆，也可选双液浆；可对局部地段进行二次补浆，适合对隧道偏移、地表建筑物变形控制等特殊情况的处理。但易造成注浆不均匀，注浆孔是潜在的渗漏点；易有时差，很难做到真正的同步注浆。
3、选择适当的注浆参数
3.1控制注桨压力。注浆过程中，靠增加注浆压力来改善注浆加固效果，因为在增大注浆压力的同时也给管片增加了压力。
3.2控制注浆时间。在相同注浆压力下，浆液扩散半径及对管片的压力均随注浆时间的增长而增加，相比之下，对管片的压力增长更快。在施工中为防止注浆时间过长对管片产生不利影响，往往待浆液初凝后再继续注浆。
3.3控制浆液黏度。在相同的注浆压力与注浆时间条件下，随着浆液黏度的增大，浆液的扩散半径与对管片的压力均随之减小。在施工中通过控制浆液黏度和注浆压力，来控制浆液扩散半径。浆液黏度不能过大。
4、考虑上覆土的抗浮效应
上覆土对隧道有很好的抗浮作用，应充分发挥。特别是浅埋隧道或隧道穿越江河，必要時应改良上覆土体的性能，对隧道顶部土体进行注浆加固，或者增加覆土厚度。隧道注浆时还应依据上覆土特性，验算浆液扩散范围，使浆液不通过土体间隙流出地表或流入水中，并避免造成上覆土的的隆起。
5、控制盾构机姿态及参数
盾构机过量的蛇形运动必然造成频繁纠偏，纠偏过程就会使管片环面受力不均。所以必须控制好盾构机姿态，发现偏差时应逐步纠正，避免突然纠偏而造成管片环面受力严重不均。要合理调整各区域千斤顶油压，使油压差不宜过大。同时要跟踪测量管片法面的变化，及时利用环面黏贴石棉橡胶板纠偏，黏贴时上下呈阶梯状分布。
在盾构隧道推进中，根据管片拼装后上浮经验值，将盾构机推进轴线高程降至设计轴线下一定数值，以此来抵消管片衬砌后期的上浮量。
6、控制掘进速度
如果同步注浆过程中，浆液不能达到及时有效地固结和稳定管片的条件时，应适当控制盾构掘进速度，一般以缓推为宜，推进速度不大于3cm/min。确保管片脱出盾尾时形成的空隙量与注浆量平衡，尽量避免注入的浆液被水稀释而降低浆液性能。
7、合理控制盾构机推进工程
在隧道推进中，技术人员根据统计的管片拼装后上浮经验值，将盾构机推进轴线高程降至设计轴线下50mm，以此来抵消管片衬砌后期的上浮量，使隧道中心轴线近可能地接近设计轴线。
8、管片上浮后的处理
管片上浮后的处理比较难，一般可尝试在隧道底部打开注浆孔泄压，释放管片底部的注浆浆液，根据我公司经验，此方法效果不理想，并且污染隧道。一旦发现管片上浮超限，立即停止盾构掘进，对已上浮的管片通过注浆孔进行二次注浆。注浆材料以瞬凝双液浆为最好，注浆压注顺序应顺着隧道坡度方向，从隧道拱顶至两腰，最后压注拱底。终止注浆以打开拱底注浆孔无渗水为条件，以防止盾构恢复掘进后管片继续上浮。对于上浮段长、上浮量大、超限严重的隧道，只有进行设计调坡才首岂满足隧道限界的要求。
四、结束语
在实际盾构隧道工程中应紧紧抓住“地质”这条主线，进行准确的地质预测预报，并对复杂多变的地质情况进行分析研究，对各种施工信息进行动态控制，通过技术与经济对比，适时作出合理的适应不同地质条件的浆液配合比，动态地管理注浆作业。最大可能地控制隧道管片在施工过程中的上浮，使隧道轴线满足设计规范要求。
参考文献
[1] 沈征难．盾构掘进过程中隧道管片上浮原因分析及控制[J]．现代隧道技术，2004．
[2] 肖明清．盾构隧道管片上浮问题研究[J]．岩土力学，2009．
[3] 张海涛．盾构同步注浆材料试验及隧道上浮控制技术[D]．同济大学，2007．
关键词：盾构；管片上浮；原因；措施
Abstract: strengthening of shield tunnel segment buoyancy control is to ensure that the tunnel line conform to the requirements of the design and the key of tunnel clearance, this paper segments in the shield tunneling process, this paper analyzes the buoyancy of the phenomenon, causes, and the control measures are put forward.
Key words: shield; Segments floating; The reason; measures
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
盾构隧道施工过程管片上浮是比较普遍的现象，因此，控制管片上浮、确保隧道线型符合设计要求，是盾构隧道施工的重要环节。对于管片上浮，国内外进行了广泛的分析与研究，引起管片上浮的原因包括：地质条件、壁后注浆、管片接头形式、盾构姿态、隧道坡度、盾构直径、隧道覆土厚度等。但多是根据具体工程经验，分析管片上浮的具体原因或单一原因。管片上浮是多种因素作用的结果，本文主要从以下几个方面分析了管片上浮的原因。
一、管片上浮的因素分析
1、管片上浮的外部条件
1.1衬背环形建筑空间
盾构机的切削刀盘直径D与隧道衬砌管片的外径d有一定的差值，即△D = D-d 。由于盾构掘进过程中的蛇形运动，会产生超挖和理论间隙，管片与地层间存在一环形建筑空间。在软岩地层中，当管片脱出盾尾后，如果不及时进行同步注浆填充环形建筑空间，拱顶围岩便有可能产生变形引起地表过量沉降，但这种变形消除了隧道管片与围岩间的建筑空间，有利于即时约束管片上浮的趋势。但在硬岩地层中，管片脱出盾尾后，由于其岩层的稳定性，环形建筑空间在相对长的时间内是稳定的，如不及时充填此空间，脱出盾尾的管片便处于无约束的状态，给管片的位移提供了可能的条件。
1.2过量超挖
无论是矿山法还是盾构法隧道施工，都必须随着隧道的掘进准确地掌握工程地质与水文地质条件的变化，通过对地质信息的反馈及时修正施工方法。盾构法隧道地质的变化更需要准确地判断，其目的是：决定刀具的适应性；控制和调整盾构机的掘进参数；控制盾构隧道管片的变形和位移。在均质连续的地层中掘进，盾构机刀盘所承受前方开挖面的掘进阻力是均匀的，(包括均匀作用在面板上的水平阻力和面板上的扭矩)，这时候盾构机的掘进是连续均衡的，掘进参数也保持相对不变，盾构姿态沿轴线的控制也较容易。
2、管片上浮内部原因分析
2.1衬砌环受力分析
2.1.1衬砌成环时受力状态
当衬砌管片刚拼装成环后，衬砌环处于盾尾保护之内，仅受自霞作用，其整体运动受盾构机支配。当盾构机掘削土体同时自重作用于地层后，由于一般盾构机重量小于开挖土体的重量，故地层应力会进行重分布，使盾构机在地层作用下略有上浮。这种上浮是一种平均效果，由于盾构机熟量沿纵向分布不均匀，所以在软土地层中较重的刀盘部分一般会下沉，而盾尾部分则表现为上扬，即出现“磕头”现象。
2.1.2衬砌环脱出盾尾时受力状态
（1）软弱土层中的隧道衬砌环刚脱出盾尾时，衬砌环管片在同步注浆材料的包裹下置于地层中，不计土的拱效应，拱顶压力力，隧底压力p=(h+2R)r（R为隧道半径）。假定土压力沿深度方向均匀分布，此时结构受力模式如图1所示。
（2）岩层中的隧道
当盾构隧道处于地层自稳能力很强的地层（如岩层）中时，管片脱出盾尾后开挖轮廓自身稳定，故衬砌环不受围岩压力作用，在地下水丰富时仅受水的压力作用。同步注浆未凝固时，由于浆液的重度一般大于水的重度，故浆液产生的浮力与自重的比值大于2.4。通过上述计算可知，水或注浆压力的浮力均大于衬砌环自重。
二、管片上浮影响因素分析
1、覆土厚度
在其他条件不变的情况下分别取覆土厚度h为8、10、12、15、20m和30m共6种工况进行计算。根据计算结果，相对覆土厚度h/D（jd为隧道外径）对地表位移和隧道位移的影响如图所示。从图可知，随着覆土厚度的增加，地表隆起和隧道的向上位移均逐渐下降
2、地层性质
为了考察隧道所处地层的物理力学性质对管片上浮的影响，左图为地层类型与隧道位移的关系。从图中可以看出，地层性质对管片位移有较大影响；土质地层中土体强度越高，管片上浮越小，因此软黏土地层中管片上浮最大。
通过同步注浆材料和隧道上浮的影响关系可以看出，采用强度很低的惰性浆液，管片位移明显减小：采用瞬凝浆液和硬性浆液时，管片位移较大，可塑浆液引起的位移居中。
三、管片上浮控制及处理措施
1、选择适当的注浆浆液
注浆材料主要有单液型浆液和双液型浆液。单液型又可分为惰性浆液和硬性浆液。惰性浆液浆液中没有掺加水泥等胶凝物质，早期强度和后期强度均很低。硬性浆液在浆液中掺加了水泥等胶凝物质，具备一定早期强度和后期强度。双液型浆液的胶凝时间通常较短，按凝结时间来分，又可分为缓凝型、可塑型、瞬凝型三种类型。
2、选择适当的注浆方法
注浆有盾尾注浆和管片注浆两种方法。盾尾注浆能够及时、均匀注浆，自动化程度高，施工控制相对容易，浆液在盾尾间隙的分布相对均匀。但堵管时清洗困难；一般只适于单液注浆，若选双液浆，需配置专门清洗装置。管片注浆操作灵活，容易清理，既可选单液浆，也可选双液浆；可对局部地段进行二次补浆，适合对隧道偏移、地表建筑物变形控制等特殊情况的处理。但易造成注浆不均匀，注浆孔是潜在的渗漏点；易有时差，很难做到真正的同步注浆。
3、选择适当的注浆参数
3.1控制注桨压力。注浆过程中，靠增加注浆压力来改善注浆加固效果，因为在增大注浆压力的同时也给管片增加了压力。
3.2控制注浆时间。在相同注浆压力下，浆液扩散半径及对管片的压力均随注浆时间的增长而增加，相比之下，对管片的压力增长更快。在施工中为防止注浆时间过长对管片产生不利影响，往往待浆液初凝后再继续注浆。
3.3控制浆液黏度。在相同的注浆压力与注浆时间条件下，随着浆液黏度的增大，浆液的扩散半径与对管片的压力均随之减小。在施工中通过控制浆液黏度和注浆压力，来控制浆液扩散半径。浆液黏度不能过大。
4、考虑上覆土的抗浮效应
上覆土对隧道有很好的抗浮作用，应充分发挥。特别是浅埋隧道或隧道穿越江河，必要時应改良上覆土体的性能，对隧道顶部土体进行注浆加固，或者增加覆土厚度。隧道注浆时还应依据上覆土特性，验算浆液扩散范围，使浆液不通过土体间隙流出地表或流入水中，并避免造成上覆土的的隆起。
5、控制盾构机姿态及参数
盾构机过量的蛇形运动必然造成频繁纠偏，纠偏过程就会使管片环面受力不均。所以必须控制好盾构机姿态，发现偏差时应逐步纠正，避免突然纠偏而造成管片环面受力严重不均。要合理调整各区域千斤顶油压，使油压差不宜过大。同时要跟踪测量管片法面的变化，及时利用环面黏贴石棉橡胶板纠偏，黏贴时上下呈阶梯状分布。
在盾构隧道推进中，根据管片拼装后上浮经验值，将盾构机推进轴线高程降至设计轴线下一定数值，以此来抵消管片衬砌后期的上浮量。
6、控制掘进速度
如果同步注浆过程中，浆液不能达到及时有效地固结和稳定管片的条件时，应适当控制盾构掘进速度，一般以缓推为宜，推进速度不大于3cm/min。确保管片脱出盾尾时形成的空隙量与注浆量平衡，尽量避免注入的浆液被水稀释而降低浆液性能。
7、合理控制盾构机推进工程
在隧道推进中，技术人员根据统计的管片拼装后上浮经验值，将盾构机推进轴线高程降至设计轴线下50mm，以此来抵消管片衬砌后期的上浮量，使隧道中心轴线近可能地接近设计轴线。
8、管片上浮后的处理
管片上浮后的处理比较难，一般可尝试在隧道底部打开注浆孔泄压，释放管片底部的注浆浆液，根据我公司经验，此方法效果不理想，并且污染隧道。一旦发现管片上浮超限，立即停止盾构掘进，对已上浮的管片通过注浆孔进行二次注浆。注浆材料以瞬凝双液浆为最好，注浆压注顺序应顺着隧道坡度方向，从隧道拱顶至两腰，最后压注拱底。终止注浆以打开拱底注浆孔无渗水为条件，以防止盾构恢复掘进后管片继续上浮。对于上浮段长、上浮量大、超限严重的隧道，只有进行设计调坡才首岂满足隧道限界的要求。
四、结束语
在实际盾构隧道工程中应紧紧抓住“地质”这条主线，进行准确的地质预测预报，并对复杂多变的地质情况进行分析研究，对各种施工信息进行动态控制，通过技术与经济对比，适时作出合理的适应不同地质条件的浆液配合比，动态地管理注浆作业。最大可能地控制隧道管片在施工过程中的上浮，使隧道轴线满足设计规范要求。
参考文献
[1] 沈征难．盾构掘进过程中隧道管片上浮原因分析及控制[J]．现代隧道技术，2004．
[2] 肖明清．盾构隧道管片上浮问题研究[J]．岩土力学，2009．
[3] 张海涛．盾构同步注浆材料试验及隧道上浮控制技术[D]．同济大学，2007．