盾構隧道注漿糾偏模型試驗研究

朱旻，龔曉南，高翔，劉世明，嚴佳佳

盾構隧道注漿糾偏模型試驗研究

朱旻1, 2，龔曉南1, 2，高翔1, 2，劉世明3, 4，嚴佳佳3

(1. 浙江大學 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058；2. 浙江省城市地下空間開發工程技術研究中心，浙江 杭州 310058；3. 中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；4. 浙江省智慧軌道交通工程技術研究中心，浙江 杭州 311122)

針對已建盾構隧道注漿糾偏加固的問題，設計并進行常重力模型試驗，根據糾偏試驗的參數建立三維有限元模型。基于有限元模型研究不同注漿壓力和注漿位置下隧道變形的發展規律。試驗和數值分析結果表明，在隧道的側下方注漿，會使已建隧道產生水平向位移和豎向抬升，隧道橫斷面整體受壓，局部受拉，水平直徑減小，豎向直徑增大。隨著注漿壓力的增大，隧道軸線的水平位移均增大，隧道斷面變形程度增加。隨著注漿深度的減小，隧道軸線處的水平位移逐漸減小，斷面變形程度減小。

盾構隧道；注漿；模型試驗；地表隆起；隧道變形

隨著我國經濟的快速發展和城市規模的不斷擴大，以地鐵為代表的城市地下交通發展迅速。盾構隧道由襯砌管片拼裝而成，對周邊環境變化比較敏感[1-2]。近年來，已建地鐵隧道受周邊施工和長期運營等因素的影響產生過大變形，引起襯砌結構滲漏水、管片開裂、錯臺、道床脫開和接頭破壞等結構病害的案例時有發生，嚴重影響城市地鐵的安全運營[3-4]。針對產生病害的盾構隧道，目前主要由兩大類處理方法：隧道結構加固和土體加固。隧道結構加固通過內襯芳綸纖維或鋼環來加強管片的受力特性，保證管片結構的安全[5]。土體加固通過加強土體力學性質，調整土壓力分布來減小已經發生的隧道變形。在隧道周圍的土體中注漿是一種有效的土體加固方法，在實際工程中應用廣泛[6-7]。已建盾構隧道注漿糾偏的研究，目前主要集中在工程實測分析和有限元建模模擬。張冬梅等[8-9]以上海地區由于地面堆載引起結構病害的盾構隧道為工程背景，通過FLAC有限差分程序建立三維模型，研究側向注漿對盾構隧道收斂和接頭張開量的影響規律。高永[10]結合南京地區已建盾構隧道注漿糾偏的工程實踐，得到適合南京地區的注漿施工參數和終止條件。張繼鵬等[11-12]基于寧波地區已建地鐵注漿抬升的工程實踐，建立Plaxis有限元模型，研究不同條件下隧道管片的受力變形特性和抬升效率。龔柳等[13]基于深圳地鐵的注漿糾偏實踐，分析了側向注漿引起的隧道位移的發展趨勢。工程案例受限于監測條件，只能對隧道位移等少部分參數開展分析研究。有限元分析中，材料參數的選擇和注漿的數值模擬方法仍需更加合理。而模型試驗方法可以較為精確地控制試驗條件，方便地量測隧道應變、隧道位移、土壓力等關鍵參數，有助于更好地揭示注漿過程中隧道的受力變形發展規律。本文針對已建盾構隧道側向注漿糾偏問題設計一套室內試驗裝置，進行常重力室內模型試驗，研究注漿過程中隧道縱向和斷面的受力變形規律。并通過有限元程序ABAQUS建立三維模型，研究不同注漿壓力和注漿區域位置條件下隧道變形和地表隆起的發展規律。

1 試驗設計

為了使模型試驗盡量貼近工程實際，綜合考慮試驗材料和模型尺寸，確定模型試驗的容重相似比=1，幾何相似比C=30。整個模型試驗裝置由模型箱和土體、室內注漿裝置、盾構隧道襯砌和量測系統共同構成，如圖1所示。

圖1 模型試驗裝置圖

1.1 模型箱和試驗用土

模型箱的尺寸設計為2 000 mm×1 500 mm ×1 500 mm。內部每隔100 mm劃線作為填土的分界線。模型箱兩側設計可調節高度的閘門，用于固定模型隧道。

試驗用土采用福建標準砂，基本參數如表1所示。試驗時模型土分層填筑，每層填筑100 mm，采用重錘輕擊方式進行多次夯擊至每層標高處。整個模型箱內砂土的平均密度為1.55 g/cm3，孔隙比0.69，相對密度為0.73(密實)。經三軸試驗得土的靜止側壓力系數約為0.56，彈性模量約為13 MPa。

表1 福建標準砂基本參數匯總

1.2 室內注漿裝置

工程現場進行糾偏注漿時，根據土層性質的不同，漿液在土層中以滲透、壓密及劈裂混合的方式擴散，在模型試驗中完全重現現場漿液的擴散十分困難。本試驗對現場注漿進行一定的簡化，將注漿擴散范圍內的土體和漿液視作整體，用區域的體積膨脹來模擬漿液的注入過程。通過在注漿區域內置入一扁平水袋，向水袋中注水來模擬整排注漿孔的施工。水袋的寬度為600 mm，高度為300 mm，注水量設置為2 L。注漿裝置通過空氣壓縮機提供100 kPa的氣體壓力，將壓力桶中的水以恒定壓力擠入水袋中。

1.3 模型隧道

Kim在模型試驗中采用Peck定義的柔度系數(Flexibility ratio)，作為控制隧道變形特性的主要 參數[14]：

式中：L，L和代表襯砌的彈性模量，泊松比和半徑；S和是土體的彈性模量和泊松比；是襯砌的厚度。當小于10，隧道變形呈現出剛性的特點，當大于10，隧道變形呈現出柔性的特點。

本試驗中模型隧道采用均質圓管等效，材料選用為PC塑料，襯砌厚度=2.5 mm。根據=0.3，S=13 MPa，L=2 320 MPa，L=0.39，=100 mm，可以計算得到=205。

1.4 傳感器布置

在模型隧道表面分別布置了5個土壓力盒、6對縱向應變片、8個環向應變片，分別測量注漿過程中隧道表面的土壓力、縱向彎矩值和環向彎矩的變化情況，具體位置如圖2所示。土壓力盒量程100 kPa，采用砂標法進行標定。測量縱向彎矩的應變片采用半橋接法，抵消軸力產生的應變。在模型隧道中間斷面布置4個LVDT傳感器，與隧道斷面的上下左右4個位置接觸。當模型隧道發生位移時，LVDT的探針位置也發生變化，通過LVDT的讀數，可以確定隧道位移量。

(a) 土壓力盒與應變片；(b) 位移量測

2 試驗結果分析

模型試驗的實測數據經過處理后如圖3所示。圖3(a)為注漿過程中模型隧道表面的土壓力變化曲線，整個注漿過程為300 s，其中有效注漿時間約為50 s。模型隧道A和C 2個斷面位于注漿水袋的邊界位置，B斷面為模型隧道的中間斷面。注漿過程中5個土壓力測點測得的壓力均增大，其中隧道中間斷面(B斷面)側邊的土壓力增長最快，達到90 kPa，注漿在水平方向產生了明顯的推動作用。B斷面底部的土壓力增加了20 kPa，表明注漿對隧道有一定的上抬作用。A和C斷面側面的土壓力在注漿過程中分別增加了21 kPa和18 kPa，注漿產生的水平推力遠小于中間的B斷面。圖3(b)為注漿過程中A，B和C 3個斷面的縱向彎矩變化曲線。A和C 2個斷面關于B斷面對稱，因此產生的豎直方向和水平方向的縱向彎矩近似相等，豎直方向的縱向彎矩大于水平方向。B斷面的水平方向縱向彎矩較大，達到了15 N?m，這是由于B斷面位于注漿水袋的中心位置，受到的水平推力最為明顯。

圖3(c)為注漿過程中中間斷面環向應變的變化曲線。在注漿過程中，只有2號測點處產生了拉應變，其余位置均產生壓應變。圖3(d)為注漿過程中中間斷面的位移變化曲線，LVDT探針縮短時位移為正值。位于注漿側拱腰位置的測點1產生了2.09 mm的水平位移，位于非注漿側拱腰位置的測點3產生了0.09 mm的水平位移，均為遠離注漿區的方向；隧道頂部的測點2產生了0.49 mm向上的位移，隧道底部的測點4產生了0.57 mm向下的位移。模型隧道的水平收斂減小，豎向收斂增加，注漿引起了隧道斷面形狀的改變。

(a) 土壓力變化曲線；(b) 縱向彎矩變化曲線；(c) 環向應變變化曲線；(d) 斷面位移變化曲線

3 有限元建模分析

模型試驗只能采集到特定監測點的少量土壓力、應變及位移數據，且重復試驗的成本高昂，而通過有限元分析可以對隧道的各個截面的應力應變及位移進行全面分析，不僅可以驗證模型試驗結果的可靠性，還可以對試驗參數進行拓展分析。本文運用ABAQUS有限元分析軟件對模型試驗過程進行數值模擬，并在此基礎上研究注漿壓力、土體模量和注漿位置對隧道受力與變形的影響。有限元模型如圖4所示，幾何尺寸根據模型試驗確定。模型的4個側邊界約束水平向位移，底面為固定邊界。參數按照表2選取。由于模型隧道會受到土體自重作用會發生一定程度的變形，在建模過程中采用先激活管道單元再移除管道所占區域內的土體單元的方法以使得模型更加接近試驗的工況。注水袋是固定在架子上的，本文參考Ezzeldine[15]的方法，先移除注漿袋位置處的土體單元，再在注水袋所占單元的2個面施加相應均布壓力來模擬注漿 過程。

圖4 有限元計算模型

表2 有限元建模參數

3.1 有限元結果驗證

圖5(a)為注漿過程中模型隧道縱向彎矩的有限元分析與試驗實測數據對比。位于注漿水袋邊界位置的A和C截面的實測彎矩值小于有限元計算值；位于隧道中部的B截面，試驗實測和有限元分析得到的水平縱向彎矩比較接近，但有限元計算得到的豎直縱向彎矩要大于模型試驗的實測值。這是由于試驗中的水袋是薄膜結構，注水后中間位置凸起的幅度遠大于兩端，縱向會形成較大的弧度，導致中間區域的土體位移較大；而有限元采用施加均布荷載的方式進行模擬，縱向形成的弧度較小，因此有限元分析的注漿縱向影響范圍更大。同時，在填土過程中，模型隧道產生了一定的初始變形，水平和豎向的抗彎剛度發生改變，這在模型試驗的彎矩計算中并未考慮，可能產生一定的誤差。

(a) 縱向彎矩曲線；(b) 環向應變變化；(c) 斷面位移變化

圖5(b)和5(c)為注漿過程中模型隧道中間截面的環向應變和位移的有限元分析與實測數據對比。有限元計算結果與模型試驗監測數據總體吻合，環向變形方面只有2號測點受拉，其余均受壓；模型隧道斷面水平直徑減小，豎向直徑增大。其中，2和5 2個環向測點的有限元計算結果和試驗實測值正負號一致，但數值差別較大，有限元計算得到的模型隧道整體水平位移和豎向抬升更大。這可能是由于水受到重力作用在水袋的底部聚集，離模型隧道的有效作用距離較遠，而有限元建模對注漿區域采用均布壓力，對模型隧道的影響較為均勻。

3.2 參數影響分析

3.2.1 注漿壓力

選取25，50，75，100和125 kPa 5組注漿壓力進行分析，其余模型參數與上節一致。選取隧道位移和隧道橫斷面變形分析注漿效果，計算結果如圖6所示。根據圖6(a)，模型隧道軸線的水平位移隨著注漿壓力的增加而增大，當注漿壓力大于50 kPa時，隧道軸線的水平位移增量與注漿壓力增量呈現出線性關系。根據圖6(b)，注漿引起了隧道斷面形狀的改變，其中靠近注漿側的隧道拱腰和拱頂的變形較大，隨著注漿壓力的增大，變形趨勢不斷發展。

3.2.2 注漿位置

在注漿區位置的參數分析中，本文選取了上部、中部和下部位于3個不同豎直方向上的位置進行分析，如圖7所示，其余模型參數與3.1節一致。有限元計算結果如圖8所示。由圖8(a)可知，在其他條件相同的情況下，在隧道側上方注漿引起的隧道軸線處的水平位移最小，在隧道側下方注漿引起的隧道軸線處的水平位移最大。這是由于從地表隆起范圍可以看出，在側下方注漿時土體的受影響范圍最大，此時整個隧道橫斷面基本都在注漿的影響區內，因此產生的水平推動作用最明顯。由圖8(b)也可得在側下方注漿時，模型隧道的水平位移和豎向位移都最大，此時隧道橫斷面的變形也最為明顯，主要集中于注漿側的拱腰位置；在側向注漿時，隧道整體接近于發生水平方向的平動，形狀改變不明顯；在側上方注漿時，隧道有向下位移的趨勢，注漿側拱頂處產生的變形比較明顯。

(a) 隧道軸線水平位移；(b) 隧道中間斷面變形

圖7 不同注漿區域位置示意圖

(a) 隧道軸線水平位移；(b) 隧道中間斷面變形

4 結論

1) 在隧道的側下方注漿可以對已建隧道產生水平向推動和豎向抬升作用。注漿產生的水平推力和縱向彎矩在注漿區域中心位置最大，在注漿區域兩側邊界位置快速衰減。

2) 注漿過程中，注漿區域中心位置處的隧道斷面主要產生壓應變，在注漿側的斜上45°位置產生拉應變。注漿側的拱腰處產生較大的遠離注漿區方向的水平位移，拱頂處產生較大的豎向抬升位移，隧道斷面發生變形，水平直徑減小，豎向直徑增大。

3) 隨著注漿壓力增大，隧道軸線處的水平位移逐漸增大，中心斷面注漿側的拱腰至拱底的水平位移和拱頂的豎向位移顯著增加，隧道斷面變形程度逐漸增加。隨著注漿位置逐漸向上平移，隧道軸線處的水平位移逐漸減小，中心斷面豎向由上抬變為下沉，斷面變形程度逐漸減小。

[1] 張宏偉, 李洋. 深圳地鐵11號線土壓平衡盾構近距離上跨既有1號線影響分析[J]. 鐵道科學與工程學報, 2017, 14(3): 560?567. ZHANG Hongwei, LI Yang. Influence analysis on EPB shield tunneling of Shenzhen No.11 Metro Line up-crossing nearby existing No.1 Metro Line[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(3): 560? 567.

[2] 魏綱, 厲京, 宣海力, 等. 大型深基坑開挖對旁邊地鐵盾構隧道影響的實測分析[J]. 鐵道科學與工程學報, 2018, 15(3): 718?726. WEI Gang, LI Jing, XUAN Haili, et al. Monitoring data analysis on the influence of large deep foundation pit excavation on nearby metro shield tunnel[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2018,15(3): 718?726.

[3] 張平平, 楊偉超, 尹榮申, 等. 盾構管片接頭破壞類型及參數敏感性分析[J]. 鐵道科學與工程學報, 2019, 16(2): 450?456. ZHANG Pingping, YANG Weichao, YIN Rongshen, et al. Failure type and parameter sensitivity analysis of shield segment joint[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2019, 16(2): 450?456.

[4] SHI P, LI P. Mechanism of soft ground tunnel defect generation and functional degradation[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2015, 50: 334?344.

[5] 邵華, 黃宏偉, 張東明, 等. 突發堆載引起軟土地鐵盾構隧道大變形整治研究[J]. 巖土工程學報, 2016, 38(6): 1036?1043. SHAO Hua, HUANG Hongwei, ZHANG Dongming, et al. Case study on repair work for excessively deformed shield tunnel under accidental surface surcharge in soft clay[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(6): 1036?1043.

[6] LI X, YUAN D. Development of the safety control framework for shield tunneling in close proximity to the operational subway tunnels: case studies in mainland China[J]. SpringerPlus, 2016, 5(1): 527?571.

[7] JIN D, YUAN D, LI X, ZHENG H. An in-tunnel grouting protection method for excavating twin tunnels beneath an existing tunnel[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2018, 71: 27?35.

[8] 張冬梅, 劉梓圣, 閻靜雅. 軟土盾構隧道橫向大變形側向注漿控制機制研究[J]. 巖土工程學報, 2014, 36(12): 2203?2212. ZHANG Dongmei, LIU Zisheng, YAN Jingya. Effective control of large transverse deformation of shield tunnels using grouting in soft deposits[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(12): 2203?2212.

[9] ZHANG D M, LIU Z S, WANG R L, et al. Influence of grouting on rehabilitation of an over-deformed operating shield tunnel lining in soft clay[J]. Acta Geotechnica, 2018: 1?21.

[10] 高永. 微擾動雙液注漿糾偏技術在南京地鐵盾構隧道病害治理中的應用[J]. 城市軌道交通研究, 2015, 18(6): 109?112, 129. GAO Yong. Application of micro disturbance correction technique for double liquid grouting in shield tunnel disease treatment of Nanjing Metro[J]. Urban Mass Transit, 2015, 18(6): 109?112, 129.

[11] 張繼鵬, 陳鼐基, 董子博. 盾構隧道注漿抬升對隧道結構內力的影響分析[J]. 城市軌道交通研究, 2016, 19(9): 93?98. ZHANG Jipeng, CHEN Naiji, DONG Zibo. Impact of grouting lifting on the structural liner stress of shield tunnel[J]. Urban Mass Transit, 2016, 19(9): 93?98.

[12] 郭健. 盾構隧道注漿抬升管片的效率研究[J]. 鐵道建筑技術, 2016(9): 18?20, 41. GUO Jian. Efficiency of grouting segment uplifting in shield tunnel[J]. Railway Construction Technology, 2016(9):18?20, 41.

[13] 龔柳, 李劍波, 陳雄武. 運營地鐵盾構隧道糾偏整治技術及自動化監測研究[J]. 公路與汽運, 2018(4): 150? 154, 158. GONG Liu, LI Jianbo, CHEN Xiongwu. Research on deviation rectification and automation monitoring of operated shield tunnel[J]. Highway and Automatic Applications, 2018(4): 150?154, 158.

[14] Kim S H, Burd H J, Milligan G W E. Model testing of closely spaced tunnels in clay[J]. Geotechnique, 1998, 48(3): 375?388.

[15] Ezzeldine O Y. Estimation of the surface displacement field due to construction of Cairo metro line R1 Khalafawy-St Therese[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 1999, 14(3): 267?279.

Model tests of correction of displaced shield tunnel using grouting technique

ZHU Min1, 2, GONG Xiaonan1, 2, GAO Xiang1, 2, LIU Shiming3, 4, YAN Jiajia3

(1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. Engineering Research Center of Urban Underground Development of Zhejiang Province, Hangzhou 310058, China; 3. Power China Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, China; 4. Engineering Research Center of Smart Rail Transportation of Zhejiang Province, Hangzhou 311122, China)

Laboratory model tests under constant gravity were carried out, and three-dimensional finite element model was established. The deformation of tunnel under different grouting pressure and locations were analyzed using the FEM model. The results show that grouting on side of the tunnel pushes the existing tunnel both in the horizontal and vertical direction. The cross section of the tunnel is compressed mainly and tensioned locally. The horizontal diameter decreases and the vertical diameter increases. With the increase of grouting pressure, the horizontal displacement of tunnel axis increase, and the deformation of central tunnel section increases. With the upward of grouting zones, the horizontal displacement at the tunnel axis decreases gradually, and the deformation of central tunnel section decreases.

shield tunnel; grouting technique; model test; ground upheaval; tunnel deformation

TU451

A

1672 ? 7029(2020)03 ? 0660 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190433

2019?05?21

國家自然科學基金資助項目(51778575，51608477)

龔曉南(1944?)，男，浙江金華人，教授，從事復合地基和軟土地基處理方面的研究工作；E?mail：13906508026@163.com

(編輯 陽麗霞)