地铁隧道施工中管片上浮的原因是什么？
摘要：从地铁施工实践中，通过理论分析，寻求到在软土层进行盾构法施工，避免管片上浮的关键性原因，是在地铁建设工程的施工中探索到的一种可靠施工措施，值得提倡。
关键词：地铁 盾构法施工措施
笔者在参与杭州地铁工程建设时，A区间隧道盾构法的施工过程中，时常出现拼装好的管片上浮现象，导致隧道轴线高程偏差难以控制，远远超过设计要求（高程偏差的设计要求在±50mm范围内），其最大的偏差值已达到270mm,远远大于设计要求；也大于成型隧道轴线高程偏差±100mm的标准。盾构施工方在掘进30环后，不得不向杭州地铁建设公司呼吁，要求建设方聘请地铁建设工程的行家里手、专家学者来现场把脉诊断、分析原因，寻求解决这一施工难题的办法。在隧道推进的前后两个月里，先后召开了两次专家会议，施工方根据专家意见，采取了相应措施，使管片上浮问题逐渐得到改善。见图一中曲线—1，但在日后的施工中，又会不断出现时好时坏，难以控制，使施工方感到非常困惑，不得其解，只好听凭自然，且超差段只好要求设计方调整设计轴线以适应现状，这给设计造成一种尴尬，也给该条线路留下了终身的缺陷。
后来，笔者又参与相邻的一个B区间隧道盾构法施工，B区间隧道与A区间隧道施工有着相同的地质状况，均在④2层和⑥1的土体层中，轴线埋深也相近，B区间隧道轴线比A区间隧道轴线稍微偏深一些，见图二中曲线—2.4。④2层和⑥1层都属于淤泥质粘土层，呈灰色、饱和流塑状，含少量有机质，夹薄层状粉土，且具有高压缩性的特性，物理力学性能较差。在动力作用下，极易造成土体结构破坏，使土体的强度降低。对于相同的地质状况，B区间的隧道施工方为防止管片上浮，刚开始也采取A区间隧道施工方的经验，首先将盾构机头朝下方压低20~30mm,观其上浮情况，略有上浮，其上浮量在10~20mm之间。后来就放弃这一方法，按其常规方法保持盾构机头水平姿态（直线段，不是下坡段），上浮情况得到有效控制，就这样摒弃了A区间隧道的施工经验，一直保持着常规操作方法，控制了管片上浮现象，使掘进轴线在设计规范值之内，见图一中，曲线—3。参建各方对这一现象感到异常奇怪，相同的地质状况，相同类似的盾构机组，均为日本产的盾构机，为什么在B区间施工时，就没有这一顽症的出现，百思不得其解。笔者对于这一问题，作了初步的分析和探究。奉献于同行们共同探索，以解决施工难题，避免不必要的经济损失。
笔者认为，出现管片上浮的主要原因是施工措施造成的。A区间隧道施工方（以下简称：A施方）的盾构机在出洞后，就将盾构机的台车机组轨道与电瓶运输车机组的轨道分离，见图三A区间隧道施工分离式结构图，将此种形式称为分离式结构；而B区间隧道施工方的盾构机，出洞后一直保持着盾构机的台车机组轨道与电瓶运输车机组的轨道在同一轨枕平面上，见图四 B区间隧道施工板式结构图，将此种形式称之为板式结构。结构形式的不同导致对管片上浮制约力量也不同。现分析如下：
第一步，将电瓶运输车及出土料车，不在台车机架之间，视为已驶离该区域。这样，在该区域内只有台车机架的本身重量，且A施方盾构机与B施方盾构机为同一类型，可以将它们的机架重量视为相等，它们在原地时对地面重力F1，可以视为相等，见图五，两种结构型式的力学分析图。当管片出现上浮时，两种结构型式对管片上浮制约力F2与 F3，是有很大区别的，板式结构型式的F2要大于分离式结构形式的F3，因为F2的作用是通过轨枕工字钢梁对管壁刚性制约力，远比分离式车架承台对管壁的制约力F3大，同时，随着盾构机的掘进，台车机架向前延伸，板式结构的工字钢轨枕每增一环，便添置一根，通过四根10号工字钢轨将这些轨枕联为一体，成为一个板式结构，则F2对管片上浮制约力不断增强，从B施方开始掘进时有上浮现象，随着盾构机不断向前掘进，板式结构不断向前延伸，上浮现象很快减少至零，可以证实这一分析。
第二步，将电瓶车和出土料车处在台车机架之间，在掘进过程中，一般要逗留30~40分钟，这是因为出土工序的需要。这样电瓶车组的自重加在轨枕上产生的分力与台车机架自重在轨枕上产生的分力之和为F2’比第一种分析的分力F2更加大（见图六）。这对板式结构才有此利。而分体式结构自重所产生的分力F3”与F3’,不在同一水平面上，叠加效果远远小于板式结构得到制约力。分离式的电瓶机车轨枕，采用的是50×50等边角钢长度1.0米，紧贴在隧道拱底为嵌入方式安装，产生对管片上浮制约力，远比板式结构小。
综合上述分析，板式结构的盾构施工设施，远比分离式结构的盾构施工设施对抗管片上浮作用大，且起着关键性的作用。笔者在上海工作期间曾参与4号线、8号线的地铁建设工程，盾构施工措施也是采用板式结构，没有出现管片上浮现象。在杭州从事地铁建设过程中，也走访了其他区间的盾构施工，采用了板式结构的施工，都没有出现管片上浮的现象。所以笔者认为，在软土层地铁建设过程中，采用盾构法施工的轨枕施工措施，应优先选择板式结构型式。当然，板式结构设施所使用的钢材远比分离式大得多，以百环计算要多用5000㎏的钢材。不过，多耗用的钢材是可以多次反复使用，只不过是第一次的投资费用增大而已。但是，它却能使隧道轴线在有效的控制范围内，这对工程的质量、进度的控制能得到有效的保证，更不会出现让设计部门修改隧道轴线来适应离谱的施工隧道轴线，而造成终身遗憾。所以，笔者认为板式结构的施工措施，在软土层施工中值得提倡。
