盾構隧道壁后注漿研究現狀及發展趨勢

葉 飛，毛家驊，紀 明，孫昌海，陳 治

(長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

盾構工法因具有施工安全、快速、勞動強度低和對環境影響小等優點［1］，被廣泛應用于城市地鐵和水下隧道的施工;但盾構法施工時不可避免地會對周圍地層造成擾動，引起地表沉隆。控制盾尾地表沉降的關鍵在于對盾尾間隙的有效充填，而盾尾間隙的充填需要由壁后注漿來實現。但是，在注漿過程中經常發生漿液堵管、泄露;漿液進入盾尾間隙后，漿液與土體及管片相互作用;漿液固結硬化過程和后期填充效果的評估等一系列問題目前都未得到較好的解決。總而言之，關于盾構隧道壁后注漿存在的諸多問題需要學者們進行持續和深入的探索。

1 盾構隧道壁后注漿概述

從巖土注漿技術的發展歷程來看，盾構隧道壁后注漿技術總是作為巖土注漿的一個分支，或者說是因其在盾構法隧道施工中的應用而存在的。法國土木工程師Charles Berigny于1802年在修理迪耶普(法國)沖砂閘時，利用木制沖擊筒裝置，采用人工錘擊的方法向地層注入石灰和黏土，開啟了注漿技術在巖土工程領域應用的大門［2］。直到 1864 年，P.W.Barlow 利用水泥漿液在倫敦和巴黎地鐵隧洞襯砌背后充填注漿，并獲得了第1個用于盾構的注漿專利［3］。從此，隨著盾構施工技術的改進與發展，盾構隧道壁后注漿技術在巖土注漿領域占據了一席之地。

1.1 壁后注漿的作用

盾構隧道施工中進行壁后注漿的作用有以下5 點［4］。

1.1.1 緩解地層變形

盾構施工過程中，盾尾脫離管片襯砌后，襯砌外圍形成的盾尾間隙導致周圍土體出現臨時無支護狀態，此時若不及時對盾尾間隙進行充填處理，極易導致周圍土體向盾尾間隙移動，進而引起地層變形;而盾構隧道壁后注漿作為一種彌補地層損失的手段，在緩解地層變形方面起到了重要的作用。

1.1.2 確保管片襯砌受力均勻

盾構隧道應是一種管片襯砌和地層一體化結構穩定的構造物，管片上作用的外力也是在這個假定條件下考慮的。這意味著管片背面空隙的均勻注入充填是確保外力(土壓)作用均勻的先決條件。壁后注漿使得管片襯砌和地層緊密結合在一起，地層對管片襯砌產生的壓力均勻化，管片結構受力狀態更為良好，結構更為安全。

1.1.3 提高盾構隧道的抗滲性

盾構壁后注漿層作為盾構隧道抗滲漏的第1層防護圈，能夠有效地緩解因盾構管片襯砌出現裂縫或防水墊層損壞而導致的滲漏水。

1.1.4 固定管片襯砌的位置

當盾尾脫出管片襯砌后，從盾構隧道管片襯砌的角度來看，此時的管片處于懸空狀態，如果漿液無法及時填充盾尾間隙，由于管片自身重力作用，管片縱向螺栓將承受較大的剪切應力，這對襯砌整體受力性能將產生不利影響。

1.1.5 承受盾構后備設施產生的荷載

盾構作為一種隧道掘進的專用工程機械，其在金屬外殼的保護下將進行土體開挖、土渣排運、整機推進和管片安裝等一系列作業。為了完成上述施工任務，在盾構后部將配備大量的輔助設施，而由此產生的荷載將直接作用在管片襯砌上，如果盾尾間隙未及時得到填充，管片縱向螺栓及管片本身同樣將承受較大的剪切應力。

1.2 壁后注漿工藝

1.2.1 注入位置

壁后注漿按照注入位置可分為盾尾注漿(通過安裝在盾構盾殼上的注漿管注漿，見圖1(a))和管片注漿(通過管片上的注漿孔，見圖1(b))，2種注漿方式的優缺點比較如表1所示。

圖1 漿液注入位置示意圖Fig.1 Sketch of grouting location

表1 盾尾注漿及管片注漿的優缺點比較［5］Table 1 Comparison and contrast between grouting at shield tail and grouting through segments［5］

1.2.2 注入時期

盾構隧道壁后注漿從注入時期上可分為一次注漿和二次注漿。一次注漿按照注入時期的不同又可分為同步注漿、即時注漿和后方注漿;二次注漿是為補充一次注漿未填充到的部位和漿液體積縮減部分，或提高注漿層抗滲性等施工效果而進行的。

同步注漿是通過同步注漿系統及盾尾或管片上的注漿孔，在盾構向前推進、盾尾間隙形成的同時進行，漿液在盾尾間隙形成的瞬間及時填充，從而使周圍土體及時獲得支撐，可有效地防止土體坍塌，控制地表沉降［6］。從壁后注漿的目的考慮，這是比較理想的注漿方式，因為它是在盾尾間隙產生和注漿充填處理沒有時滯的狀態下實施的［5］。

即時注漿是指每當一環推進完畢后就立即實施注漿的方式。

后方注漿是指當盾構推進數環后才從注漿孔進行壁后注漿。

1.3 壁后注漿研究擬解決的主要問題

由于圍巖與管片是盾構隧道壁后注漿漿液在注漿及后期固結過程中所接觸的2種主要介質，所以對盾構隧道壁后注漿的研究歸根到底都是圍繞著解決下面2個主要問題而展開的:1)地表變形問題;2)管片襯砌結構受力問題。

1.3.1 地表變形問題

在盾構隧道施工過程中，目前公認的引起地表變形的主要原因有以下5個方面［7］:

1)刀盤與周圍土體間的摩擦(扭轉)作用;2)盾構開挖面支護作用(擠土效應);3)盾殼與周圍土體之間的摩擦作用;4)開挖面卸載作用;

5)地層損失(主要為盾尾間隙的生成)。

由此可以看出，盾構隧道壁后注漿作為補償地層損失的手段，對緩解地表變形起到了重要的作用。

對于這一問題的研究，國內外學者主要借鑒了早期巖土領域的研究成果，同時針對盾構隧道的施工特點，展開了大量的分析和研究。目前對于盾構隧道引起的地表變形研究的主要方法有:1)經驗公式法(Peck公式及其修正公式)。這一公式最早由R.B.Peck［8］于1969年提出，其通過大量的工程監測資料進行反分析，采用地層損失率估算地表變形，并通過工程實測資料對地層損失率的取值進行了統計，認為地表橫向沉降槽符合正態分布。此后眾多學者針對各自所面臨的不同工程地質情況，對其中的參數進行了修正。Schmidt［9］、Attewell［10］、Rankin［11］等學者分別通過自己的研究支持了Peck公式并在其基礎上完善和補充了其他相關的公式。2)彈性應變法。C.Sagaseta［12］采用鏡像法得到了彈性半空間解析解。唐曉武等［7］根據盾構隧道施工實際情況，采用Sagaseta提出的等效圓柱來模擬土體損失。葉飛等［13］則將此方法引入盾構隧道壁后注漿機制研究中，分析了注漿壓力對地表變形的影響。3)隨機介質法。朱忠隆等［14］將土體視為隨機介質，通過隨機預測法對盾構施工所引起的土體損失進行預測。4)復變函數法。王立忠等［15］在考慮隧道變形橢圓化的基礎上，利用復變函數對土層損失所引起的地表變形進行了映射求解。5)Mindlin法。魏綱等［16－17］利用空間彈性力學Mindlin解推導了正面附加推力和盾殼與土體之間摩擦力引起的縱向地面變形計算公式。6)數值計算法。于寧等［18］分別采用不同數值方法對盾構施工的動態過程進行了模擬，并對其引起的地表變形進行了分析。

各國學者對盾構隧道施工引起的地表變形在時間序列上的劃分有著不同的認識。在我國，研究者一般認為盾構推進引起的地表變形過程由以下5個階段組成:1)盾構到達前;2)盾構到達時;3)盾構通過時;4)盾尾脫出管片襯砌后;5)盾尾通過后土體的長期次固結沉降(以及壁后注漿漿液固結收縮)。而盾構隧道壁后注漿對地表變形的影響主要表現在最后2個階段。

從時間序列這一角度出發，對盾構隧道施工引起地表變形的研究主要分為2種手段。目前，各國學者主要基于現場監控數據，利用經典時間序列分析方法，如AR模型、ARIMA模型和回歸方程等統計時域分析方法研究盾構隧道施工地表變形時間序列，實現以較少的參數和簡潔的模型擬合來表達變形時間效應規律。在非線性時間序列即混沌時間序列方面的研究，已有部分學者將其引入巖土工程的變形監測領域中以F.Darve.［19］、K.T.Chau［20］、G.Lombardi［21］、E.L.Krinitzsky［22］等為首的學者通過應用混沌理論和分形理論，在混沌相重構空間中揭示出變形動力系統復雜運動特征，從而發現復雜變形系統如盾構施工地表變形中內在的、有序的、確定性規律。

1.3.2 管片襯砌結構受力問題

管片是盾構隧道最基本的結構單元，與正常使用階段相比，管片在施工階段承受的荷載及相應的力學行為均有較大差異［23］。從工程經驗可知，管片開裂、錯臺等損傷多發生在施工階段(見圖2)，因此，對管片在施工階段力學行為的研究尤為重要。盾構壁后注漿作為盾構隧道施工期間一道重要的工序，對管片襯砌結構受荷性能的影響是無法忽略的。

從1922年Hewett和Johnson最早提出圓形襯砌考慮彈性抗力開始，各國學者提出了一系列圓形盾構管片襯砌考慮地層作用的受力計算模型。這些理論為研究考慮壁后注漿的管片襯砌受荷性能提供了極有價值的理論基礎和借鑒作用。在現場監測方面，為了準確測量盾構管片上的襯砌壓力，T.Hashimoto等［24］發明了一種墊片式襯砌壓力計，能長期監測隧道掘進機后的襯砌壓力或漿體壓力。通過現場實測，發現襯砌壓力的變化取決于注漿壓力消逝的時間，軟黏土中由于壁后注漿的作用，襯砌壓力增大，之后隨時間的消逝急劇減小，從長期來看又會再次增大，穩定在地基初始應力左右。硬黏土中襯砌壓力的形成主要取決于注漿壓力，在低注漿壓力作用下襯砌壓力比在高注漿壓力作用下增長的大，而且通常靠近隧道掘進機幾環的襯砌壓力分布均勻，之后變得越來越不均勻。

圖2 施工階段的管片破損現象［23］Fig.2 Segment ruptures in construction stage

然而，在盾構隧道壁后注漿施工實踐過程中，施工人員發現由壁后注漿引起的管片上浮成為了管片襯砌損壞的一個重要原因。其中，葉飛［5］對這一領域進行了深入地研究，其基于前人的理論研究，提出了盾構管片“局部抗浮計算模式”(即研究1塊(數塊)或1環(數環)管片在上浮力的作用下，管片、螺栓，乃至上覆土對其上浮的影響)和“縱向整體抗浮計算模型”(即將已拼裝成型管片縱向考慮為一個整體，將其簡化為一縱向長梁，考慮該梁在上浮力的作用下，簡化梁與地層總體的受力和變形性能)。同時將橫向剛度有效率及橫向剛度影響系數引入到縱向等效抗彎剛度的分析計算中，從理論上解決了先前研究中將管片縱橫向受力性能分開考慮的問題。其后，為了探明盾構隧道縱向變形性能及抗彎剛度有效率的取值，基于模型試驗分別對3種縱向試驗模型進行了加載試驗，得到了各級荷載下通縫、錯縫和勻質圓筒模型縱向變形規律及其抗彎剛度有效率［25］。

2 盾構隧道壁后注漿論文檢索分析

作為傳統巖土注漿技術在盾構法隧道施工中的應用，國外學者單獨對盾構隧道壁后注漿工藝和理論的研究較少，他們還是將更多的目光放在了傳統巖土注漿領域上。然而近幾年，隨著我國盾構施工的普及，盾構隧道壁后注漿工藝和理論研究在國內迅速發展。一個領域內論文的分布蘊含著豐富的發展歷程信息，并在一定程度上可預示其發展趨勢［26］。因而，分析中國盾構隧道壁后注漿論文產出特點，追蹤研究機構和研究團隊，對回顧其盾構隧道壁后注漿研究歷程、分析研究現狀、預測發展趨勢均有裨益。筆者長期關注盾構隧道壁后注漿論文發表情況，所在科研團隊也正致力于開展有關盾構隧道壁后注漿漿液擴散機制及影響方面的研究工作。本文在利用維普中文科技期刊全文數據庫對1993年以來國內盾構隧道壁后注漿論文進行系統檢索的基礎上，歸納了論文在發表時間和發表機構等方面的分布特征。同時對國外相關領域的研究情況進行了介紹，總結了國內盾構隧道壁后注漿的研究現狀，并預測和展望了其未來研究的趨勢及相關科學技術問題。

維普中文科技期刊全文數據庫系統檢索結果顯示，該數據庫收錄了1993年至今盾構隧道壁后注漿文獻176篇(見表2)。

表2 維普中文科技期刊全文數據庫盾構隧道壁后注漿文獻檢索統計Table 2 Papers in back-filled grouting of shield tunnels:result of literature search from VIPChinese sci-tech periodical full text database

2.1 論文總體分布特征

1)從表2可以看出，歷年的盾構隧道壁后注漿論文在數量上總體呈上升趨勢。特別是從2008年開始，隨著我國眾多城市地鐵項目的規劃和開工，論文數量和質量都有顯著提升;但是20年內盾構隧道壁后注漿論文的總數占盾構論文(每年平均200多篇)總量依然很少，這一現象不但說明盾構法施工的復雜性和涉及面的廣泛性，還反映出盾構隧道壁后注漿研究有待深入。

2)在論文類別方面，盾構隧道壁后注漿的前期研究以現場實測和室內試驗2個手段為主，自2008年以來理論分析開始顯著增加，數值分析也略有增加;但是數值分析占每年論文總數的比例反而呈下降趨勢，其原因可能是傳統的有限元數值模擬并不能很好地反映盾構隧道壁后注漿的真實情況，所以眾多學者轉而采取其他手段進行研究。

2.2 論文分布揭示的盾構隧道壁后注漿發展特征

學術論文的數量、質量以及學術交流活動的活躍度在很大程度上反映一個學科或領域的研究進展。從圖3可以看出，盾構隧道壁后注漿研究經歷了3個階段。

圖3 盾構隧道壁后注漿論文的時序分布Fig.3 Temporal distribution of papers on back-filled grouting of shield tunnels

1950年初，在遼寧阜新煤礦使用手掘式盾構修建疏水巷道工程拉開了我國盾構法施工的序幕，但是由于受到各種因素的制約，盾構技術的研究未能取得明顯進展。

20世紀末，隨著上海、廣州、北京等城市先后開始采用盾構法修建過江隧道、排水隧道和城市地下鐵路，以同濟大學為首的一批學者才開始關注盾構隧道壁后注漿技術。在盾構隧道壁后注漿研究的起步階段，研究工作以引入介紹國外研究成果［27－33］并結合特定的工程為主。其中具有代表性的有唐益群等于1993年和1995年先后在《地下空間與工程學報》(曾用刊名《地下空間》)上發表了3篇分別關于惰性漿液性質的實驗研究、隧道軸線上浮機制研究和地面沉降與注漿量關系的論文［34－36］。

在21世紀頭幾年，盾構隧道壁后注漿的研究工作進入了瓶頸階段，在此期間發表的論文多數是對施工工藝和經驗的總結歸納及適應各自地質的漿液材料特性試驗研究。論文的研究手段也較為單一，主要采用現場實測和室內試驗。

進入2008年，隨著我國城市地鐵項目在眾多城市上馬，盾構隧道壁后注漿的研究論文在數量和質量上都得到了明顯的提升，特別是到了2011年，論文數量出現急劇增長，研究手段也呈現多樣化的趨勢。在這個階段理論推導開始大量涌現，眾多學者不滿足于對現場實測和室內試驗得到的數據規律的分析，希望通過理論推導和數值分析手段得到壁后注漿對土體和管片的影響及作用機制。與此同時，部分學者開始對盾構隧道壁后注漿漿液的分布和注漿效果的評價進行研究，其中同濟大學黃宏偉教授及其課題組在這方面做了大量的研究工作［37－40］。

2.3 論文的研究機構與學術團隊

對盾構隧道壁后注漿論文的研究機構和學術團隊進行歸納，發現多家研究機構合作的情況較為普遍，34%的論文由多個科研機構的研究人員聯合署名，且近年來機構間的合作趨勢愈加明顯，這種現象說明了盾構隧道壁后注漿的研究正逐漸從理論走向實踐應用。為分析方便，由多家研究機構和人員聯合署名發表的論文，研究機構和人員只統計前2位，各計1篇。由圖4可以看出，高等院校和生產單位是盾構隧道壁后注漿研究的主力軍。其中在高等院校中，同濟大學和長安大學以27篇和13篇論文分列第一和第二位。而在生產單位中，中國鐵路工程總公司系統以31篇論文占據絕對優勢。從論文質量上來看，高等院校發表的論文被核心期刊收錄的數量遠遠超過生產單位，但是高等院校發表的論文同樣存在一個較大的問題，即研究內容過于理想化，得出的結論往往無法直接應用于生產實踐中;因此，高等院校與生產單位的合作具有很大潛力。

圖4 論文研究機構和學術團隊分析Fig.4 Analysis diagram of research institutions and academic teams of papers

統計結果還表明，近年來同濟大學、河海大學以及長安大學等一批高等院校科研團隊走在了盾構隧道壁后注漿研究隊伍的前列。預計在未來的研究中這些團隊將會承擔更多課題，發揮更大的作用，因而及時追蹤這些學術團隊的科研成果能更好地把握盾構隧道壁后注漿在國內的研究進展。然而在生產單位中很難找到有對盾構隧道壁后注漿進行持續深入研究的穩定科研團隊，這也是導致生產單位關于盾構隧道壁后注漿研究水平較低的原因之一。

2.4 論文的基金資助情況

對2008—2014年核心期刊論文的基金資助情況統計表明(見表3)，近7年發表在核心期刊上的盾構隧道壁后注漿論文有56%受到過國家相關基金的資助，這充分體現了國家基金資助對科研產出的重要意義。國家主要通過國家重點基礎研究發展規劃(973)項目、國家高技術研究發展計劃(863)項目、國家科技“十一五計劃”支撐項目、國家重大科技專項、國家自然科學基金、博士后科學基金和中央高校基本科研業務專項基金項目等諸多類型進行資助。

表3 2008—2014年核心期刊論文基金資助情況Table 3 Statistical results of fund of core journal papers from2008 to 2014

3 國外盾構隧道壁后注漿研究情況

由上文可知，國外對盾構隧道壁后注漿技術的應用遠早于我國，所以關注國外學者對盾構隧道壁后注漿及相關領域的研究，具有較大的參考意義。Koyama等［41］在1998年采用室內試驗對盾構隧道壁后注漿進行了模擬，并且分析了漿液對隧道襯砌及周圍土體的影響，試驗結果表明，注漿壓力和地層土體密度對管片襯砌的壓力及地層位移的影響較大。Hashimoto等［42］通過尺寸為750 mm×450 mm的隔膜襯砌壓力計，對作用在管片上的壁后注漿壓力及漿液固結壓力進行了現場測量。Kasper和Meschke則分別在考慮注漿壓力的情況下，對盾構隧道開挖過程進行了三維有限元模擬。Mo等［43］指出，注漿壓力分布較為復雜，不均勻的壓力分布可能會導致管片錯臺甚至破裂，在其研究中，注漿壓力被認為是沿著橫斷面的豎向軸線呈線性增長，并最終等于土壓力值。

其中不得不提的是，以Bezuijen為首的一批學者，通過室內試驗、理論分析和現場監測等多種研究手段，對盾構隧道壁后注漿理論進行了大量的研究［44］。其中采用土工離心機對盾構隧道壁后注漿過程進行了相似模型試驗，研究分析了不同注漿壓力對地表及樁基礎的影響。通過計算分析建立了考慮漿液時效性的理論模型，同時對Sophia鐵路隧道進行了現場實測驗證，結果表明在靠近盾尾處(小于5 m)的漿液壓力由注漿壓力來決定;而在遠離盾尾時，漿液壓力主要由管片所受到浮力及彎矩的反作用力來決定的。研究還表明，漿液壓力還受到管片安放位置及盾構掘進的影響，掘進過程中的漿液壓力較計算值略小。此外，Bezuijen還通過選取注漿層單元體，對其進行了室內試驗(見圖5)，研究分析了漿液固結對地層及管片襯砌的影響。

圖5 試驗裝置Fig.5 Experiment setup

4 國內盾構隧道壁后注漿研究現狀

盾構隧道壁后注漿作為巖土注漿的一個分支，既具有自身的特點，又繼承了巖土注漿研究中的重要成果和關鍵技術，所以眾多學者在盾構隧道壁后注漿的研究過程中往往會參考巖土注漿研究的相關論文，并有選擇性得借鑒其研究成果。

4.1 漿液材料

從統計文獻中可以看出，注漿材料是盾構隧道壁后注漿研究中關注較多的一個方面。盾構隧道壁后注漿漿液與普通巖土加固注漿漿液的不同之處在于普通巖土要求漿液具有滲透性，即注漿時漿液能夠侵入巖土介質中，起到加固巖土的作用，而壁后注漿充填材料最基本的特性是填充性及其緊密相關的流動性和流失性，同時要求漿液硬化后具有很好的固結強度。目前盾構隧道施工中壁后注漿漿液大致可分為單液型和雙液型2大類，單液型漿液又可分為惰性漿液和硬性漿液，雙液漿又可根據初凝時間不同分為緩凝型、可塑型和瞬凝型［45］。雖然目前盾構隧道壁后注漿中采用較多的還是單液漿，但雙液漿的應用在日本、意大利、新西蘭、保加利亞和新加坡等國家已經相當普遍［46］，國內也有不少工程開始采用雙液漿進行壁后注漿，例如上海延安東路越江隧道、南水北調工程南干線和盾構下穿北京地鐵4號線大興線段等一系列工程。相信雙液漿的研究和使用在未來將越來越廣泛和深入。

早期由水泥和水玻璃類活性材料制成的雙液漿，因為清洗不徹底，易產生堵管，達不到充分填充盾尾間隙的目的［47］。于是在20世紀90年代，以軟弱地層為主的上海地鐵從法國引進了土壓平衡盾構，開始使用單液惰性漿液。祝龍根等［48］針對惰性漿液提出了動靜性能優良、泵送性好及價格低廉的優選配制方法并進行了配合比試驗。周東等［47］就地取材，采用盾構隧道施工的棄土改良了原先的惰性漿液。為了尋找一種適應上海西藏南路越江隧道工程的惰性漿液，肖立等［49］通過室內和現場注漿配比試驗給出了漿液的具體配比，并用現場監測數據及數值模擬結果對這種惰性漿液的工程特性進行了驗證。而肖朝昀等［50］則分析了添加泵送劑、增稠劑和氫氧化鈉等材料對惰性漿液性能的影響，并得到了優化的漿液配比;但是單液惰性漿液作為一種在軟弱地層中被廣泛應用的注漿材料，其動靜強度較低、抗滲性能差等缺點始終無法被克服，不利于隧道襯砌早期穩定和隧道防滲效果。

憑借具有一定的早期強度、凝固時間可控及易于泵送等優點，以水泥作為主料，砂土作為骨料的硬性漿液開始在盾構隧道壁后注漿中占有一席之地。由于其對施工管理要求和漿液材料成本相對雙液漿較低，這一特點正好符合我國當時的施工和經濟水平，硬性漿液在工程中被廣泛應用。為了增強其保水性，鄭大鋒等［51］對比了羧甲基纖維素、聚乙烯醇和聚丙烯酸鈉3種高聚物對摻高效減水劑GCL1－3A的盾構隧道注漿材料的泌水性、流動度、凝結時間以及水泥凈漿流變性的影響。王紅喜等［52］采用相同的有機－無機復合技術原理配制出了適用于武漢長江隧道壁后注漿的硬性漿液材料。為了獲得穩定性和流動性均較好的水硬性漿液，田焜等［53］采用配合比試驗對粉煤灰摻量、減水劑種類和摻量、水膠比、膠砂比等與流動度、結石體3，14，28 d抗壓強度、凝結時間之間的關系進行了研究。彭波等［54］希望通過摻加苯丙乳液、純丙乳液和乳化瀝青來提高超高摻量粉煤灰同步注漿硬性漿液的和易性、抗裂性和耐水性，并且對這3種聚合物的改性效果進行了比較分析。

至于雙液漿，早在20世紀90年代就被應用于上海市延安東路隧道南線工程中。夏詩梁［55］還對其在施工中的應用、漿液性能、注漿方法以及注漿系統的改進做了詳細的介紹。雙液漿具有凝結時間更短、短期和長期強度均比較大、固結后體積變化較小、泵送時材料分離度小等特點。雙液漿的引入也在一定程度上克服了盾構隧道壁后注漿的2個主要矛盾:1)保持漿液流動性和降低漿液流失性;2)要求漿液具備一定早期強度和避免漿液堵塞運輸管道。但是由于雙液漿的應用將大幅提高工程成本，并且對施工管理水平要求較高，所以限制了其在盾構隧道壁后注漿中的應用。不過在統計文獻中仍然能夠找到幾篇針對雙液漿進行研究的論文。蘇華等［56］就曾在室內進行了注漿模擬實驗，探討了各材料組分對注漿材料流動性、穩定性、凝膠特性和強度等性能的影響。郭志超等［57］通過對水泥復合偏高嶺土－水玻璃注漿材料的Na+固化性能和抗水溶蝕性能進行試驗驗證，并采用IR和SEM微觀測試分析手段提出了以(Na，Ca)－Si－Al－H類沸石凝膠物質為主、C－S－H為輔的漿液組成結構，改善了漿液材料凝膠時間不穩定、產物穩定性和抗地下水侵蝕性能差等主要問題。

4.2 注漿參數控制

對注漿機制的研究主要為了明確壁后注漿對地表及建筑物和管片襯砌的影響，其研究決定了施工過程中應該選取的注漿壓力、注漿率、注漿時間、注漿速率、注漿點的布置及漿液材料特性等諸多注漿參數。

注漿壓力和注漿量作為施工過程中最重要的2個參數，也是注漿機制研究的重點。學者們分別從上覆土壓力、地層劈裂、螺栓接頭抗剪破壞及前方泥水壓力(泥水盾構)等因素，對注漿壓力臨界值進行探討。徐方京等［58］采用上覆土壓力對注漿壓力的上下臨界值進行了估計，但忽略了管片螺栓剪切破壞、盾尾竄漿、土體劈裂等諸多因素對注漿壓力的限制作用。隨后，葉飛［59－61］在對管片抗浮研究中，在考慮了螺栓接頭抗浮效應和上覆土抗浮效應的情況下，給出了注漿壓力上限值，認為上覆土壓力不僅作用于注漿漿液，而且對管片上浮的阻礙作用較大。宋天田［62］則分別從地層劈裂、前方泥水壓力(泥水盾構)、上覆土壓力對注漿壓力控制進行了討論，并且認為計算注漿量公式(1)中的注漿率α包括由注漿壓力產生的壓密系數、地質情況決定的土質系數、施工消耗系數和掘進方式產生的超挖系數等。

盧海林等［63］將注漿過程看成產生盾尾間隙的逆過程，根據漿液量的分布，通過引入鏡像法［64］計算分析了注漿過程對地表沉降的影響。

另外，有不少學者從盾構推進速度、隧道直徑、注漿孔數量及布設位置等注漿施工參數來研究其對注漿機制的影響。楊方勤等［65］就曾對上海長江隧道抗浮模型試驗進行了介紹，并且在考慮漿液固化的情況下，通過理論推導認為隨著盾構推進速度的增大，管片上浮力也將增大。

4.3 漿液擴散機制

注漿擴散機制的研究實質上是注漿參數控制研究的一個延伸。其研究目的就是為了在充分理解注漿漿液流動和漿液壓力分布等機制的情況下，更好地指導注漿參數和盾構型號的選取，并且為盾構隧道的設計提供參考。

李志明等［66］、袁小會等［67］和范昭平等［68］對同步注漿漿液力學機制進行了理論分析，推導出了相應的注漿壓力分布模型，但其研究未考慮漿液的時變性。葉飛等［69］在歸為納總結了前人研究成果的基礎上，將漿液在管片壁后的擴散方式理想化歸納為充填注漿、滲透注漿、壓密注漿及劈裂注漿4個階段，并提出了盾尾間隙土體等效孔隙率的概念。隨后的研究中，以葉飛為學術帶頭人的研究團隊分別對漿液擴散過程中的4 個階段(見圖 6)展開了理論研究［70－74，13］。在理論推導過程中，葉飛將漿液時變性和施工擾動導致圍巖結構變化等諸多因素考慮進注漿計算模型中，形成了較為系統的漿液擴散模型。魏新江等［75］則基于單圓盾構壁后注漿的研究，對雙圓盾構注漿漿液擴散方式及壓力分布進行了研究，根據雙圓盾構兩點注漿的工藝特點，提出了漿液兩階段擴散機制。

圖6 盾構管片壁后注漿擴散過程示意［45］Fig.6 Diffusion process of back-filled grouting of shield tunnel

4.4 漿液固結機制

早在1993年，唐益群等［34］就為了對盾構管片在惰性漿液中的上浮現象做出解釋，進行了漿液固結試驗。通過對試驗結果的分析，認為管片襯砌上浮的主要原因是漿液的分層固結，且隨著固結速率增大，上浮速率也將增大。朱合華等［76］利用Goodman單元和應力釋放系數法描述盾尾注漿壓力消散作用對土體應力狀態變化的影響。之后的幾年中，少有學者再涉足這一方面的研究。直到2007年，韓月旺等［77－78］和袁小會等［79－80］才 開 始 在 Kasper 等［81－82］、G.Swoboda等［83］和 K.Komiya 等［84］國外學者的研究基礎上，利用壁后注漿單元體模型試驗裝置(見圖7)研究了在不同的注漿壓力、注漿材料和圍巖土質條件下漿體變形及漿液壓力消散的規律，推導出固結變形數值模型，并且用數值計算模型對試驗結果進行了驗證。楊春山等［85］通過有限元軟件分別模擬了考慮漿液固結過程和未考慮漿液固結過程2種盾構施工，并與現場監測數據進行對比，認為在控制地表沉降時，有必要考慮漿液后期的固結過程。萬戰勝等［86］沿用了張云等［87］提出的將盾尾間隙及沿隧道徑向向外延伸一定范圍內的土體看作等代層的思路，對其賦予不同的物理參數來模擬漿液固結過程對地表沉降的影響。

4.5 注漿效果評估

盾構施工注漿效果的好壞，直接關系到盾構隧道本身的施工安全及周圍建筑物的穩定和安全，所以，對管片壁后漿液分布情況和注漿效果的好壞評價也一直是工程界及學術界關注的重點。在盾構隧道壁后注漿漿液的分布和注漿效果的評價方面，同濟大學黃宏偉、杜軍和張豐收等學者較早進行了這方面的研究工作［88－92］，對利用探地雷達方法探測檢驗盾構隧道壁后注漿分布進行了一系列卓有成效的研究。上海交通大學的學者也對盾構隧道壁后注漿漿液分布、注漿效果檢驗及評價進行了諸多嘗試，取得了一些研究成果［93－94］。張平松等［95］結合盾構隧道結構進行不同模型設計，通過高密度電法正演模擬及數據反演，說明了進行注漿質量檢測的可能性，并就高密度電法實際探測存在的問題及應用進行了探討分析，為隧道壁后注漿質量檢測提供了一種可能的新途徑。

圖7 壁后注漿單元體及漿體固結模型裝置Fig.7 Back-filled grouting element and experiment set-up for grout solidification

5 需要重點研究的問題與發展趨勢

到目前為止，我國已有38個城市被批準建設城市地鐵項目(截至2014年6月)，且有大量的城市越江隧道、城市排水管線及區域輸水、輸油線路等項目的修建都將采用盾構法施工。鑒于我國幅員遼闊，地質狀況復雜多樣，項目各具特點，所以盾構隧道壁后注漿研究將在極富挑戰性的背景下展開，總體上有如下發展趨勢:

1)數值模擬作為巖土領域重要的研究手段，具有成本低、可重復、操作較簡便等優點，但是從上文統計分析可以看出，數值模擬在盾構隧道壁后注漿研究中所占的比例并不高。導致這一現象的原因可能是影響盾構隧道壁后注漿的因素眾多，且土體作為非均質，各向異性體，其本構模型復雜等，使得研究者在對其進行數值模擬時，參數選取因人而異，結果可信度低。開發出適合盾構隧道壁后注漿特點的數值模擬軟件，顯得尤為必要。

2)目前雙液漿的使用主要依靠現場經驗，對于雙液漿特性的研究依然不多。此外由于雙液漿具有快速凝結、固結后強度高、不易滲入周邊土體等特點，當前基于單液漿的注漿機制和漿液固結機制的研究結論必然是不符合雙液漿注漿的。

3)在注漿機制方面的研究依然有相當長的路要走。許多學者僅僅考慮了注漿過程中的漿液充填和壓密階段，但是對漿液的滲透和劈裂機制研究深入不夠，作為一個連續的過程，且根據土體條件的不同，擴散過程區別較大，因此如何模擬在不同土質條件下連續注漿過程，選取合適的注漿壓力、注漿量等盾構隧道注漿施工參數，將是今后研究工作應該重點關注的問題。

4)壁后注漿在充填盾尾間隙和加固土體的同時，對管片也產生了一定壓力，該壓力達到一定程度時，可能引起管片局部或整體上浮、錯臺、開裂、壓碎或其他形式的破壞;因此，對壁后注漿引起的管片襯砌結構變形模式及機制的研究是極其必要的。同時基于管片整體及縱橫向變形的注漿臨界壓力的選取對注漿施工也具有較大的意義。

5)隨著盾構工法的應用越來越廣泛，為了滿足不同的工程需求，各種異型盾構將隨之出現。這一變化必將引起盾構隧道壁后注漿工藝的改變，使得原有的壁后注漿理論不再適用。可以預見，學者們必將提出與之適應的研究理論，同時，在高寒、高水壓等特殊環境對壁后注漿工藝也將提出了新的要求。

6 結論與討論

壁后注漿是盾構隧道施工的重要環節，隨著盾構工法在城市隧道施工中廣泛應用，對于壁后注漿的研究將逐漸增多。本文通過對盾構隧道壁后注漿國內外研究進行歸納分析，得出如下結論。

1)地表變形問題及管片結構受力問題作為盾構隧道壁后注漿研究擬解決的主要問題，決定了該領域研究的特點，即在繼承和應用傳統巖土工程研究成果的基礎上，結合盾構隧道自身特點來試圖解決上述2個主要問題。

2)雖然盾構隧道壁后注漿的論文數量在近幾年迅猛增長，但是其論文數量依然在盾構隧道論文中占極小部分，且采用數值模擬作為研究手段的論文數量較其他研究手段少很多。在研究機構論文發表數量及質量方面，高等院校優勢明顯，同時國家基金對科研產出具有較大的促進作用。

3)單液漿在盾構隧道施工中仍然被廣泛采用;但是隨著我國經濟的發展和施工管理水平的提升，雙液漿將憑借其凝結時間更短，短期和長期強度均比較高，固結后體積變化較小，泵送時材料分離度小等優點在盾構隧道壁后注漿施工中占有一席之地。

4)雖然在漿液擴散機制方面已經取得了一些研究成果;但是對滲透階段和劈裂階段的研究依然深入不夠，而且由于土質狀況及注漿過程的復雜性，目前的研究成果還無法對注漿施工做出有效指導，對注漿參數的選取仍然依靠施工經驗，顯然這方面的研究還任重道遠。

5)在漿液效果評估方面的研究依然不多，目前被應用于實踐研究僅限于采用探地雷達方法對壁后注漿分布進行檢測。

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