地鐵隧道施工中管片上浮的原因是什么？
摘要：從地鐵施工實(shí)踐中，通過理論分析，尋求到在軟土層進(jìn)行盾構(gòu)法施工，避免管片上浮的關(guān)鍵性原因，是在地鐵建設(shè)工程的施工中探索到的一種可靠施工措施，值得提倡。
關(guān)鍵詞：地鐵 盾構(gòu)法施工措施
筆者在參與杭州地鐵工程建設(shè)時(shí)，A區(qū)間隧道盾構(gòu)法的施工過程中，時(shí)常出現(xiàn)拼裝好的管片上浮現(xiàn)象，導(dǎo)致隧道軸線高程偏差難以控制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)要求（高程偏差的設(shè)計(jì)要求在±50mm范圍內(nèi)），其最大的偏差值已達(dá)到270mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求；也大于成型隧道軸線高程偏差±100mm的標(biāo)準(zhǔn)。盾構(gòu)施工方在掘進(jìn)30環(huán)后，不得不向杭州地鐵建設(shè)公司呼吁，要求建設(shè)方聘請地鐵建設(shè)工程的行家里手、專家學(xué)者來現(xiàn)場把脈診斷、分析原因，尋求解決這一施工難題的辦法。在隧道推進(jìn)的前后兩個(gè)月里，先后召開了兩次專家會(huì)議，施工方根據(jù)專家意見，采取了相應(yīng)措施，使管片上浮問題逐漸得到改善。見圖一中曲線—1，但在日后的施工中，又會(huì)不斷出現(xiàn)時(shí)好時(shí)壞，難以控制，使施工方感到非常困惑，不得其解，只好聽?wèi){自然，且超差段只好要求設(shè)計(jì)方調(diào)整設(shè)計(jì)軸線以適應(yīng)現(xiàn)狀，這給設(shè)計(jì)造成一種尷尬，也給該條線路留下了終身的缺陷。
后來，筆者又參與相鄰的一個(gè)B區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工，B區(qū)間隧道與A區(qū)間隧道施工有著相同的地質(zhì)狀況，均在④2層和⑥1的土體層中，軸線埋深也相近，B區(qū)間隧道軸線比A區(qū)間隧道軸線稍微偏深一些，見圖二中曲線—2.4。④2層和⑥1層都屬于淤泥質(zhì)粘土層，呈灰色、飽和流塑狀，含少量有機(jī)質(zhì)，夾薄層狀粉土，且具有高壓縮性的特性，物理力學(xué)性能較差。在動(dòng)力作用下，極易造成土體結(jié)構(gòu)破壞，使土體的強(qiáng)度降低。對于相同的地質(zhì)狀況，B區(qū)間的隧道施工方為防止管片上浮，剛開始也采取A區(qū)間隧道施工方的經(jīng)驗(yàn)，首先將盾構(gòu)機(jī)頭朝下方壓低20~30mm,觀其上浮情況，略有上浮，其上浮量在10~20mm之間。后來就放棄這一方法，按其常規(guī)方法保持盾構(gòu)機(jī)頭水平姿態(tài)（直線段，不是下坡段），上浮情況得到有效控制，就這樣摒棄了A區(qū)間隧道的施工經(jīng)驗(yàn)，一直保持著常規(guī)操作方法，控制了管片上浮現(xiàn)象，使掘進(jìn)軸線在設(shè)計(jì)規(guī)范值之內(nèi)，見圖一中，曲線—3。參建各方對這一現(xiàn)象感到異常奇怪，相同的地質(zhì)狀況，相同類似的盾構(gòu)機(jī)組，均為日本產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)，為什么在B區(qū)間施工時(shí)，就沒有這一頑癥的出現(xiàn)，百思不得其解。筆者對于這一問題，作了初步的分析和探究。奉獻(xiàn)于同行們共同探索，以解決施工難題，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
筆者認(rèn)為，出現(xiàn)管片上浮的主要原因是施工措施造成的。A區(qū)間隧道施工方（以下簡稱：A施方）的盾構(gòu)機(jī)在出洞后，就將盾構(gòu)機(jī)的臺(tái)車機(jī)組軌道與電瓶運(yùn)輸車機(jī)組的軌道分離，見圖三A區(qū)間隧道施工分離式結(jié)構(gòu)圖，將此種形式稱為分離式結(jié)構(gòu)；而B區(qū)間隧道施工方的盾構(gòu)機(jī)，出洞后一直保持著盾構(gòu)機(jī)的臺(tái)車機(jī)組軌道與電瓶運(yùn)輸車機(jī)組的軌道在同一軌枕平面上，見圖四 B區(qū)間隧道施工板式結(jié)構(gòu)圖，將此種形式稱之為板式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式的不同導(dǎo)致對管片上浮制約力量也不同�，F(xiàn)分析如下：
第一步，將電瓶運(yùn)輸車及出土料車，不在臺(tái)車機(jī)架之間，視為已駛離該區(qū)域。這樣，在該區(qū)域內(nèi)只有臺(tái)車機(jī)架的本身重量，且A施方盾構(gòu)機(jī)與B施方盾構(gòu)機(jī)為同一類型，可以將它們的機(jī)架重量視為相等，它們在原地時(shí)對地面重力F1，可以視為相等，見圖五，兩種結(jié)構(gòu)型式的力學(xué)分析圖。當(dāng)管片出現(xiàn)上浮時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)型式對管片上浮制約力F2與 F3，是有很大區(qū)別的，板式結(jié)構(gòu)型式的F2要大于分離式結(jié)構(gòu)形式的F3，因?yàn)镕2的作用是通過軌枕工字鋼梁對管壁剛性制約力，遠(yuǎn)比分離式車架承臺(tái)對管壁的制約力F3大，同時(shí)，隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，臺(tái)車機(jī)架向前延伸，板式結(jié)構(gòu)的工字鋼軌枕每增一環(huán)，便添置一根，通過四根10號工字鋼軌將這些軌枕聯(lián)為一體，成為一個(gè)板式結(jié)構(gòu)，則F2對管片上浮制約力不斷增強(qiáng)，從B施方開始掘進(jìn)時(shí)有上浮現(xiàn)象，隨著盾構(gòu)機(jī)不斷向前掘進(jìn)，板式結(jié)構(gòu)不斷向前延伸，上浮現(xiàn)象很快減少至零，可以證實(shí)這一分析。
第二步，將電瓶車和出土料車處在臺(tái)車機(jī)架之間，在掘進(jìn)過程中，一般要逗留30~40分鐘，這是因?yàn)槌鐾凉ば虻男枰�。這樣電瓶車組的自重加在軌枕上產(chǎn)生的分力與臺(tái)車機(jī)架自重在軌枕上產(chǎn)生的分力之和為F2’比第一種分析的分力F2更加大（見圖六）。這對板式結(jié)構(gòu)才有此利。而分體式結(jié)構(gòu)自重所產(chǎn)生的分力F3”與F3’,不在同一水平面上，疊加效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于板式結(jié)構(gòu)得到制約力。分離式的電瓶機(jī)車軌枕，采用的是50×50等邊角鋼長度1.0米，緊貼在隧道拱底為嵌入方式安裝，產(chǎn)生對管片上浮制約力，遠(yuǎn)比板式結(jié)構(gòu)小。
綜合上述分析，板式結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)施工設(shè)施，遠(yuǎn)比分離式結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)施工設(shè)施對抗管片上浮作用大，且起著關(guān)鍵性的作用。筆者在上海工作期間曾參與4號線、8號線的地鐵建設(shè)工程，盾構(gòu)施工措施也是采用板式結(jié)構(gòu)，沒有出現(xiàn)管片上浮現(xiàn)象。在杭州從事地鐵建設(shè)過程中，也走訪了其他區(qū)間的盾構(gòu)施工，采用了板式結(jié)構(gòu)的施工，都沒有出現(xiàn)管片上浮的現(xiàn)象。所以筆者認(rèn)為，在軟土層地鐵建設(shè)過程中，采用盾構(gòu)法施工的軌枕施工措施，應(yīng)優(yōu)先選擇板式結(jié)構(gòu)型式。當(dāng)然，板式結(jié)構(gòu)設(shè)施所使用的鋼材遠(yuǎn)比分離式大得多，以百環(huán)計(jì)算要多用5000㎏的鋼材。不過，多耗用的鋼材是可以多次反復(fù)使用，只不過是第一次的投資費(fèi)用增大而已。但是，它卻能使隧道軸線在有效的控制范圍內(nèi)，這對工程的質(zhì)量、進(jìn)度的控制能得到有效的保證，更不會(huì)出現(xiàn)讓設(shè)計(jì)部門修改隧道軸線來適應(yīng)離譜的施工隧道軸線，而造成終身遺憾。所以，筆者認(rèn)為板式結(jié)構(gòu)的施工措施，在軟土層施工中值得提倡。
