1. 引言
盾构隧道工法具有扰动小、适应性强、施工质量好、机械程度高等特点，因而广泛用于城市轨道交通的建设。在实际施工过程中，盾构施工经常会面临隧道上浮、管片不均匀上浮的问题，尤其在软土地区上浮现象更加明显 [1] ，管片不均匀上浮会导致管片开裂、破损、错台，破坏隧道正常使用的工作性能和防水性，过大的上浮还会导致隧道超过偏移轴线界限，增加施工的风险。因此需要对管片进行及时的监测，并提出隧道上浮的控制措施，控制上浮。
吴永 [2] 和门小熊等 [3] 通过实际监测数据和数值模拟说明可以通过控制注浆压力以及浆液性质，控制盾构姿态和管片姿态来控制上浮。谭毅俊等 [4] 提出可以加固厚度控制软土地层隧道上浮。蓝淦洲 [5] 提出一种基于门式抗浮框架控制隧道上浮的方法。叶飞等 [6] 提出增加纵向螺栓数量，加大螺栓直径，设置剪切键的方法增加整体纵向抗弯刚度，改善抗弯性能。沈征难 [7] 提出可以通过隧道底部打开注浆孔泄压，释放管片底部的有压水和未凝固的水泥砂浆的方法作为隧道上浮后的处理。曾学艺等 [8] 提出可以通过二次注浆，二次补浆时，隔几环补注一次双液舜凝浆，切断地下水与管片的水力联系通道的方法来作为隧道上浮后处理。冷建等 [9] 研究了地面堆载对地面出入式盾构隧道上浮的影响。
上述研究均基于盾构隧道上浮的机理提出了一系列措施。本文依托的上海北横通道项目区间隧道具有超大直径和浅覆土的特点，对上浮控制提出了更高的要求。依托该项目典型区间建立了三维精细化数值模型，对常用的三种上浮控制措施进行对比分析，提出了各类上浮控制措施间的差异和应用场景，分析结论对大直径隧道上浮控制具有普适意义。
2. 工程背景
2.1. 上海北横通道VIII标
北横通道是中心城区北部东西向小客车专用通道，服务北部重点地区的中长距离到发交通，是三横北线的扩容和补充。北横通道西起北虹路，东至内江路，贯穿上海中心城区北部区域，全线经长宁路–长寿路–天目西路–天目中路–海宁路–周家嘴路，向西接北翟快速路，向东接周家嘴路越江隧道，长约19.1 km。本工程新建隧道外径15,000 mm，内径13,700 mm，环宽2000 mm，管片厚度650 mm，盾构首先从工作井始发至杨树浦港井过站，至安国路井完成本标段盾构掘进施工。区间采用一台德国海瑞克公司生产的Φ15,560 mm泥水气平衡盾构机进行掘进。
图1显示了施工地区的地质剖面图。土体从地表到底部分别为②1粉质黏土、③t粉土夹淤泥质粉质黏土、③灰色淤泥质粉质粘土、④灰色淤泥质粘土、⑤1灰色粘土、⑤3-1灰色粉质粘土、⑤4-2灰绿~灰色粘质粉土、⑧1灰色粘土⑧2粉质粘土与粉砂互层、⑨粉砂。
Figure 1. Engineering geological profile
图1. 工程地质剖面图
2.2. 常用控制上浮措施
控制隧道上浮需要根据隧道上浮的机理采用相应的抗浮措施。隧道上浮的主要成因有超浅覆土施工，管片受到的向上的应力如尚未凝固的浆液的上浮力，盾构姿态偏移导致推力在竖直方向上产生向上应力大于向下的管片自重，覆土重量等应力，浆液质量差、填充不充分给隧道上浮留有空间。因此可以针对这些成因对隧道的上浮进行有效控制 [1] 。
图2为典型区间2、3、4环处实施控制上浮措施前后的地表沉降监测图，可见在25日之前地表存在明显的隆起。其中第3环处尤为明显，地表隆起达到了107 mm，而第2环和4环处也有着93 mm左右的明显地表隆起。在25日之后，在此区域进行施加上浮控制，可以看见地表隆起迅速下降，分别下降了10~25 mm。为了能对地表隆起进行有效控制，此项目采用了多种控制措施。改变隧道上浮掘进参数，在施工过程中不断总结归纳和调整掘进参数的设置，使其能适应不同的地质条件，最大限度的限制隧道管片在施工过程中的位移与变形，如适当地放慢掘进速度，保证浆液有足够的时间凝固，减少管片受到的上浮力 [2] 。针对超浅覆土施工和隧道管片上浮力过大，此项目在地面进行压密注浆和在隧道内增重的方法增加向下应力，还通过控制注浆压力以对隧道受到的上浮力进行控制 [6] 。在掘进过程中通过慢纠缓纠，适当选点，尽量减小盾构机与管片折角的方法，控制掘进过程中的盾构姿态，即管片与轴线的偏移角度，尽量减少垂直于轴线应力的产生 [10] 。
本文为了使计算结果更具有普适性意义，选择地面压重、隧道内压重以及设置抗浮板这些可以在施工过程进行实施动态调整的控制措施，结合本项目浅覆土、超大直径的工程特点建立数值模型，通过不同的简化数值模拟方法，分析对比这些控制措施控制上浮的效果。
3. 上浮控制分析数值模型
3.1. 模型参数
为了对比分析上浮控制技术，建立了数值模型，此模型的规格为：长度140 m，宽度200 m，高度75 m。如图3所示，新建隧道的挖掘方向与Y轴正向一致。
该模型的分析过程共分为64个步骤，包括初始阶段挖掘以后的61个施工步骤。为消除边界效应，从X = 0处预设了19环已经施工完毕的隧道结构，每个环宽2 m。盾构和注浆段共占据6环。在隧道模拟中，盾尾的土体损失率为0.2%，且土体损失率在纵向上设置−0.02%的增量。隧道顶部支护压力设定为338.7 kPa，并设置11.6 kPa的向下增量。注浆压力在顶部为450 kPa，竖向增量为14.5 kPa。隧道的平均轴向推力为2725 kN/m2。隧道衬砌结构的材料属性为：密度2500 kN/m3，弹性模量34.5 GPa，泊松比0.167。
模型土体本构选择采用摩尔–库伦模型。土体从地表到底部分别为②1粉质黏土、③t粉土夹淤泥质粉质黏土、③灰色淤泥质粉质粘土、④灰色淤泥质粘土、⑤1灰色粘土、⑤3-1灰色粉质粘土、⑤4-2灰绿~灰色粘质粉土、⑧1灰色粘土⑧2粉质粘土与粉砂互层、⑨粉砂。从上到下各地层土体参数如表1所示：
Table 1. Physical and mechanical properties of stratum
表1. 土体参数表
3.2. 上浮控制技术模拟方法
为了模拟各种上浮控制技术，根据实际工程的地质条件，几何尺寸等参数建立一个隧道坡度为7.5%的模型，以此模拟不同埋深时上浮措施的控制效果。在进行分析时取隧道施工结束时隧道位移，同时根据不同措施对上浮技术(见图4)进行模拟，据此建立相应的模型进行对比分析。
(a) 
(b) 
(c)
Figure 4. Simulation methodology for uplift control technology: (a) Ground weight; (b) Tunnel weight; (c) Setting anti-floating plate
图4. 上浮控制技术模拟方法：(a) 地面压重；(b) 隧道内压重；(c) 设置抗浮板
为了模拟地面堆载，选择堆载范围为隧道在地表的投影范围，建立两个模型在堆载范围内分别施加10 kPa、20 kPa的均布荷载来模拟地面堆载，模型如图4(a)所示。为了模拟隧道内压重对隧道上浮的影响，对隧道的下表面施加均布荷载分别为10 kPa、20 kPa来模拟隧道内的堆载，模型如图4(b)所示。为了模拟抗浮板的影响，在隧道投影区施加抗浮板，模型如图4(c)所示，盖板采用C40混凝土模拟，厚度为0.7 m，宽度为14.36 m。不考虑塑性变形，采用线弹性本构模型，参数如表2所示。
4. 上浮控制技术对比分析
图5所示为不同地面堆载下，穿越结束后不同覆土厚度隧道位移对比图，可以观察到地面堆载会使隧道位移明显下降，且随着堆载的增大，隧道位移呈正相关。压强P每增加10 kPa，隧道位移减小1 mm左右，但在隧道埋深较大时，地面堆载从10 kPa增加到20 kPa，对隧道位移变化影响明显小于从0 kPa变化到10 kPa，仅有50%的效果，相同荷载变化下的隧道上浮控制效果减弱。因此在覆土厚度较大时，考虑到附加应力随深度变化，增加地面堆载对隧道位移的影响会逐渐减小，埋深较浅时选择施加地面堆载作为辅助措施更为有效。
Table 2. Parameter of anti-floating board
表2. 抗浮板参数
Figure 5. Comparison of tunnels displacement with different ground pressure
图5. 不同地面压重下隧道位移对比图
图6所示为不同隧道内压重条件下，不同覆土厚度情况下隧道位移对比图，可以发现在所有覆土厚度条件下隧道内压重P从0 kPa增加到10 kPa，隧道位移变化明显，且基本不受覆土厚度变化的影响，但从10 kPa增加到20 kPa，隧道位移变化速度明显放缓，隧道位移变化约为从0 kPa到10 kPa的60%，因此，隧道内压重适合作为隧道埋深较大时的辅助控制措施。
Figure 6. Comparison of tunnel displacement with different internal pressure
图6. 不同隧道内压重下隧道位移对比图
图7所示为穿越结束后是否设置抗浮板时，不同覆土厚度隧道位移对比图。由结果可知设置抗浮板使隧道位移有所下降，但在埋深较大时，抗浮板对隧道位移变化的影响降低，隧道位移变化约为其他埋深工况下的80%，但总体而言，抗浮板受覆土厚度变化影响较小。但是设置抗浮板需要进行额外的施工，成本明显较大，因此该措施更适用于上浮控制要求较高，适用于永久对隧道上浮进行控制的区间。
Figure 7. The effect of setting anti floating board
图7. 设置抗浮板效果图
横向对比三种抗浮措施，隧道内堆载和地面堆载在埋深较浅时，抗浮的效果相差不大，但在埋深较大时，地面堆载的效果低于隧道内堆载，因为埋深较大时，地面堆载会导致隧道受到的应力显著降低。在埋深较大时，增加地面堆载以及隧道内堆载的影响具有显著非线性，随着埋深增加不断增加荷载来控制隧道上浮的效果会逐渐降低。因此使用地面堆载和隧道内堆载的方法，均更适宜作为辅助措施来控制隧道上浮，且地面堆载适用于浅埋隧道的辅助措施，隧道内堆载适用于埋深较大情况下的辅助措施。与设置堆载的方法相比，设置抗浮板下埋深的影响不敏感。
5. 结论
本文基于北横通道实际工程，建立三维数值模型分析不同抗浮措施下的抗浮效果得出以下结论：
1) 地面堆载对于隧道上浮的控制效果呈正相关，但在埋深较大时，地面堆载带来的效果会使抗浮效果显著降低，因此地面堆载更适用于浅埋隧道的上浮控制。
2) 隧道内堆载在施加荷载时，随着荷载的增加，上浮控制的提升效果降低，因此隧道内堆载适用于埋深较大时的辅助措施。
3) 设置抗浮板同样能有效提高抗浮能力，且几乎不受埋深影响，但成本较大，因此适用于对隧道位移变化控制要求较高位置。
基金项目
上海市科技创新行动计划(21DZ1201103)。