盾構隧道壁后注漿壓力對地表沉降的影響分析

孫 闖，張建俊，劉家順，王 敏

（遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新 123000）

盾構隧道壁后注漿壓力對地表沉降的影響分析

孫 闖，張建俊，劉家順，王 敏

（遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新 123000）

為直觀了解盾構隧道施工過程中壁后注漿壓力對土體變形的影響，分析盾構隧道注漿壓力大小對管片上浮的影響，保證在隧道施工過程中采用合理的注漿壓力，控制地表變形量。采用FLAC3D軟件對上海某越江隧道施工過程進行了數值模擬，分析注漿壓力對管片上浮的影響。結果表明：在不同注漿壓力及不同分布形式情況下，土體受擾動程度差異較大；當注漿漿液充填等待層后，隨著注漿漿液逐漸硬化，盾構隧道管片會逐漸形成上浮趨勢，上浮量與注漿壓力有關，當注漿壓力控制在0.2～0.3MPa時，地表變形量可以得到有效控制，所以施工中應該值得注意。同時也為今后的盾構隧道數值模擬與現場施工提供參考。

隧道；注漿；土體；數值模擬；FLAC3D

1 研究背景

盾構隧道施工中，由于壓力艙的支護壓力與地層水、土壓力不平衡導致開挖面前方土體運動以及盾尾空隙的閉合引起周圍地層移動［1］。而控制地層沉降的主要手段是對盾尾空隙進行及時注漿回填，壁后注漿控制技術是盾構施工的關鍵。當壁后注漿完成后，注漿體仍處于液相流動狀態，圍巖土體和管片襯砌主要承受漿體壓力的作用。

在研究盾構支護結構方面，Lee［2］等提出了將拼裝的盾構支護結構簡化為一連續的環狀結構的方法。王敏強［3］采用遷移法模擬盾構推進過程，并應用三維非線性有限單元法進行分析。張忠苗［4］等通過冪律流體假設，對樁底劈裂注漿中裂隙高度、注漿壓力、漿液的擴散半徑等因素之間的關系進行研究。胡欣雨［5］等通過真三軸實驗研究，提出了基于一般應力狀態下泥漿的強度指標來進行開挖面支護壓力的計算方法。張云［6］將襯砌周圍的土體與注漿情況概化為一均質、等厚的等待層。韓月旺［7］等設計了壁后注漿單元模型試驗裝置，通過試驗研究了不同土質條件下，不同注漿壓力、注漿材料對漿體變形及漿體壓力消散的影響。以上文獻都對盾構隧道注漿環節的重要性進行了詳細闡述與研究，但都沒有直觀深入地研究注漿壓力對隧道上地表的變形以及管片上浮等的影響，本文針對盾構隧道施工過程，建立隧道土體沉降變形數值模型，通過數值分析對盾構隧道開挖與注漿過程進行模擬分析，并得出了一定的規律。

2 數值模擬實例分析

2.1 工程概況

擬建龍耀路越江隧道長約3.07 km，自龍耀路龍吳路交叉口起，向東穿越黃浦江，至成山路長青路交叉口，隧道外徑為φ11.36m，鋼筋混凝土襯砌厚度0.45 m；地質物理參數如表1所示，隧道結構與地質柱狀圖如圖1所示。

表1 地層物理參數Table 1 Physical param eters of strata

2.2 注漿壓力分布

盾構施工中，壁后注漿是關鍵技術環節，注漿壓力要克服地下水壓力、土壓力才能將漿液壓注到盾尾空隙中，但是注漿壓力過大，會對周圍土體產生劈裂注漿效果，導致盾尾密封損壞，甚至引起地表隆起變形［8－9］。空隙率較大、滲透性較好的砂性土中，在注漿后漿液泡會包裹整個剛脫離盾尾的管片，此時的注漿壓力在整個管片環上的應力分布可假設為如圖2所示的整環均勻分布和整環非均勻分布［10］。

圖1 隧道結構與地質柱狀圖Fig.1 Tunnel structure and the geological condition

盾尾的注漿壓力一般大于隧道上覆土壓力，可抵消部分沉降。有限元模擬時根據注漿壓力大小，在盾尾處盾構殼外圍的土體單元施加遠離隧道中心的結點荷載，施加方式如圖3所示。

圖2 注漿壓力均勻分布與非均勻分布示意圖Fig.2 Uniform and nonuniform distributions of grouting pressure

2.3 數值模擬分析方法

計算模型尺寸（長×寬×高）為：80.0 m（沿主隧道軸線方向）×40.0 m（沿隧道徑向）× 37.0 m（沿豎直方向），總共劃分了34 268個單元，44 781個節點，模型如圖4所示。模型左右對稱，取一半分析，模型底部為x，y方向約束，隧道模型軸線方向邊界為y方向約束，兩側為x方向約束。土體采用彈塑性材料，隧道管片采用線彈性材料，彈性模量為35 GPa，容重為25 kN／m3，泊松比為0.2，厚度為0.45 m。

圖3 有限元注漿壓力示意圖Fig.3 Uniform and nonuniform grouting pressure distribution by finite elementmethod

圖4 盾構隧道數值計算模型圖Fig.4 Numerical calculation model of shield tunnel

注漿模擬計算中假設注漿漿液膠凝時間為初凝3～4 h，強度為0.05 MPa，終凝4～12 h，強度為0.5 MPa，計算中假設剛剛注漿后等待層處于液態狀態，強度低，漿液對四周圍巖產生壓力（如圖5所示），當開挖第3個管片時，漿液逐漸固化，注漿壓力逐漸消失，等待層材料強度逐漸增強，最終達到終凝強度，注漿壓力能從徑向直接作用在圍巖上。

圖5 盾構隧道開挖土體、管片單元及等待層Fig.5 Excavated soil，tunnel segment and grouting layer of the shield tunnel

3 計算結果分析

3.1 盾構隧道施工引起土體沉降變形分析

由圖6至圖8可以看出，在注漿壓力分布形式不同的情況下，地表沉降曲線有明顯差異：在注漿壓力均勻分布情況下，地表沉降槽曲線變化平緩；當注漿壓力達到0.3 MPa時，沉降量達到最小值－0.01 m，而隨著注漿壓力的增大，地表出現隆起現象，表明注漿壓力大于土體的自重而產生土體向上運動的現象；在非均勻注漿壓力情況下，不同注漿壓力下，隧道中心線兩側10m范圍內，地表沉降槽位移均為負值，并沒有出現地表隆起的現象，這主要是由于注漿壓力沿著隧道管片的埋深逐漸增加，上部注漿壓力并沒有與隧道上部土體達到平衡；由以上2種不同注漿方式的對比情況可以看出，在均勻注漿壓力下，注漿壓力達到0.2～0.3 MPa時，地表的沉降量控制比較理想。

圖6 開挖60 m距離不同注漿壓力下豎向位移Fig.6 Vertical displacements under different grouting pressures when excavated to 60m

圖7 壓力均勻分布下地表沉降槽Fig.7 Ground surface subsidences under uniform pressure distribution

圖8 壓力非均勻分布下地表沉降槽Fig.8 Ground surface subsidences under nonuniform pressure distribution

3.2 管片上浮引起土體變形分析

盾構隧道施工中，對于剛脫離盾尾的管片，經常會出現局部或整體上浮，表現為管片錯臺、裂縫、破損，乃至軸線偏位等現象。尤其是大斷面盾構隧道在穿越河底淺覆土時，該問題尤為突出［5］。本文在分析過程中也同樣出現了管片上浮現象，并引起了地表土體的隆起。由圖9和圖10可知，隨著盾構在推進過程中，工作面上方土體產生沉降現象，但是在注漿漿液硬化后，管片有上浮趨勢，隨著注漿壓力的增加，地表隆起量也隨之增加，當開挖距離達到60 m左右時，上浮量趨于穩定。在注漿壓力非均勻分布情況下，當注漿壓力控制在0.2 MPa時，土體的變形量趨于平緩，地表最大沉降量為－0.01 m，最大隆起量為0.04 m，地表沉降與隆起的位移量均較小。在注漿壓力均勻分布情況下，各注漿壓力下地表沉降與隆起的位移量均較大，可見均勻注漿壓力控制地表沉降，效果不是很理想。

圖9 均勻壓力地表縱向沉降曲線Fig.9 Longitudinal subsidence curves of the ground surface under uniform pressure

圖10 非均勻壓力地表縱向沉降曲線Fig.10 Longitudinal subsidence curves of the ground surface under nonuniform pressure

圖12 0.3 MPa地表沉降三維曲面Fig.12 Three-dimensional subsidence of the ground surface at 0.3MPa

由圖11和圖12可直觀了解在盾構隧道開挖過程中的地表三維變形情況。產生管片上浮的原因不僅僅是由于注漿壓力的影響，它同時也與管片的重度、土體物理力學性質、盾構開挖斷面尺寸、上覆土體厚度等諸多因素有關。但是對注漿壓力進行有效控制，可以有效減少盾構隧道在施工過程中對土體產生的擾動。由以上分析可知，在該地層環境條件下，注漿壓力達到0.2～0.3 MPa時，控制管片的上浮引起土體變形的效果最為理想。

4 結 論

（1）通過FLAC3D軟件的計算，得出了在不同注漿壓力及不同分布情況下，土體受擾動程度差異較大，注漿壓力過小，會導致地表沉降量過大，而當注漿壓力過大時，地表會產生隆起現象，只有選擇合理的注漿壓力，才能有效地控制地表土體的變形量。

（2）當注漿漿液充填等待層后，隧道上部土體會有下沉趨勢，隨著注漿漿液逐漸硬化，盾構隧道管片會逐漸形成上浮趨勢。通過分析，上浮量也與注漿壓力有關，在該地層環境條件下，當注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa時，隧道上部土體的變形量可以得到有效的控制。

（3）通過不同注漿壓力下的計算分析，可知隧道管片上浮不僅與管片重度、上覆土體厚度等因素有關，它與注漿壓力及分布形式也有關系。分析結果對以后的現場工程施工起到借鑒的作用。

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［10］肖明清，孫文昊，韓向陽，等.盾構隧道管片上浮問題研究［J］.巖土力學，2009，30（24）：1041－1045.（XIAO Ming-qing，SUN Wen-hao，HAN Xiang-yang，et al.Research on Upward Moving of Segments of Shield Tunnel［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30（24）：1041－1045.（in Chinese） ）

（編輯：姜小蘭）

Effect of Shield Tunnel Back fill Grouting Pressure on the Ground Surface Subsidence

SUN Chuang，ZHANG Jian-jun，LIU Jia-shun，WANG Min
（School of Civil Engineering and Transportation，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China）

To intuitively understand the effect of shield tunnel backfill grouting pressure on the soil deformation andthus to control the ground surface deformation，numerical simulation was carried out by FLAC3Don the construction process of a river-crossing tunnel in Shanghai，and the effectof grouting pressure on tunnel segment floatingwas analyzed.It’s concluded that the soil disturbance varies largely under different grouting pressures and pressure distributions.The tunnel segments exhibits a trend of floating after the grouting slurry were hardened.Ground surface deformation could be effectively controlled when the grouting pressure is between 0.2-0.3MPa.The floating of tunnel segments is affected by theweightof itself，the depth of overburden soil，and the grouting pressure and pressure distribution.The research provides reference for the numerical simulation and construction of shield tunnels.

tunnel；grouting；soil；numerical simulation；FLAC3D

U452

A

1001－5485（2012）11－0068－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.11.015

2011－11－23；

2012－03－01

孫 闖（1983－），男，遼寧阜新人，講師，博士，主要從事巖土與地下工程方面的研究，（電話）18041800070（電子信箱）sunchuang88＠163.com。