盾構同步注漿引起土體變形的影響研究

汪海林， 魏新江，， 魯梁梁， 劉映晶， 朱漢華， 張彪

（1.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058；2.浙大城市學院，杭州 310015；3.中天建設集團有限公司，杭州 310009）

0 引言

隨著城市交通壓力日益增加，城市地鐵建設得到迅速發展，地鐵施工所需的盾構施工技術也日益成熟。對于盾構隧道引起的地表沉降變形問題，國內外學者進行了大量的研究，取得了眾多研究成果，其中一個較為重要的結論是在盾構施工過程中引起地表變形的主要原因有以下5個方面［1］：刀盤和周圍土體所產生的摩擦作用；盾構開挖面支護作用；盾殼與周圍土體之間的摩擦作用；開挖面的卸載作用；由盾尾間隙造成的地層損失。在減小這些因素引起的地表變形和管片結構受力方面，壁后同步注漿是一個在工程中廣泛應用的工藝，它的具體作用主要體現在緩解地層變形，確保管片襯砌受力均勻，提高盾構隧道的抗滲性，固定管片襯砌的位置，承受盾構后備設施產生的荷載等方面。因此，壁后同步注漿作為減少地層損失的重要手段，研究它對土體變形影響有十分重要的理論及工程實際意義。

1 盾構同步注漿的原理及作用

1.1 盾構同步注漿施工技術原理

在隧道和地下建筑工程施工時，盾構法是一種比較常用的施工工藝，該工藝主要在盾構掘進機的工作配合下實施，由地鐵盾構施工示意見圖1，盾構機的刀盤直徑一般比隧道管片的襯砌外徑要大，在盾構施工過程中，當盾尾的管片脫出時，管片和圍巖間就會產生長度為8～16cm的空隙見圖2，又由于此時隧道巖體周圍沒有支護，巖體便會產生錯位移動，從而導致地表發生沉降變形，致使整個工程的施工風險增大，為了應對這種情況，一般采取壁后注漿施工工藝。

圖1 地鐵盾構施工示意圖

圖2 盾尾空隙

同步注漿屬于盾構隧道壁后注漿工藝中的一次注漿，它的原理是在盾構向前推進、盾尾間隙形成的同時通過同步注漿系統及盾尾或管片上的注漿孔采用雙泵四管路對稱同時進行注漿見圖3［2］，并在盾尾間隙形成的瞬間填充漿液，從而使周圍土體獲得支撐，防止土體坍塌，控制地表沉降［3］，且由于同步注漿是在盾尾間隙產生和注漿充填處理兩者沒有相對時間滯后的狀態下實施的，因此同步注漿是比較理想的注漿方式。

圖3 同步注漿示意

1.2 同步注漿在盾構隧道中的作用

在盾構隧道施工中注入漿體就是在圍巖與管片之間的間隙灌入部分漿體，這一流程的工藝選擇主要取決于隧道變形和地面沉降在工程項目中的有關指標，并且從工程項目實施初始階段到終止階段都不能有變化，而最終它對盾構隧道掘進的保護作用主要體現在以下4個方面［4］：

（1） 控制地面的沉降。盾構機在施工操作中由于開挖直徑和管片直徑不匹配會導致形成盾尾間隙，為了防止盾尾間隙的不利影響，必須及時采取同步注漿工藝，支撐巖體，減少土層的移動和變形，提高施工的安全性，同時控制地面沉降。

（2） 提高隧道的整體穩定性。由于盾構隧道本身是由管片襯砌，并與周圍土層等相互作用而形成的一種比較穩定的構筑物，所以所注漿體可以作為襯砌結構的加強層使管片與周圍巖體一體化，限制隧道結構，降低盾構隧道施工的風險系數。

（3） 防止管片上浮。如果盾尾存在間隙，那么盾構管片自身的重力就會比浮力小，進而造成管片上浮，而同步注漿工藝可以起到良好密封作用，有效減小盾尾間隙率，填補盾尾空隙，防止管片上浮。

（4） 增加盾構隧道的防滲水能力。很多地鐵隧道難以避免的會需要穿越富水層，這就使得盾構隧道需要有較強的防水、抗滲能力，除了已有的抗滲防線，同步注漿也能起到防水作用，保證盾構隧道后期的使用質量及壽命。

此外，盾構隧道掘進過程中還有諸多需要注意的關于材料與技術方面的要點，如同步注漿的管理，同步注漿材料選擇，注漿流程的把控等。

2 盾構同步注漿對土體變形影響

同步注漿在施工工藝、注漿量、漿液性質、周圍土質等因素的共同影響下，其擴散過程十分復雜，因此其在施工過程中會引起難以預料的土體變形，對于這種影響，很多學者已經開展了大量的分析和研究，目前已有的研究主要集中在幾個方面，即理論方法研究、數值計算、模型試驗和實測分析。

2.1 理論方法研究

理論研究主要在于求解同步注漿引起的地表變形計算公式，研究方法通常是將無限土體中的圓柱形孔擴張問題修正后應用于實際問題中的半無限土體解析，再加上一些為簡化問題而作的基本假定，如土體是小變形，滿足胡克定律等，進而將半無限土體問題用鏡像法、應力函數法、積分法等解出，如圖4所示，有的研究還會與Mindlin解進行比較，再根據不同工況和位移影響因素得到不同的位移解答，最后或再做一個數值模擬作為理論驗證。

圖4 圓（柱形）孔擴張理論模型推導示意圖

雖然盾構施工已有較久的歷史，并經過Peck等的開創性發現，該方面的理論研究有了較好的起步，但對于盾尾空隙及同步注漿可能造成的土體變形從上世紀八九十年代才開始有系統的分析。首先ItoT［5］在分析由于盾構施工引起的地表沉降時考慮盾尾空隙要么由漿液完全填充，盾構機開挖面的應力釋放是造成地表沉降的主要原因，要么不考慮盾尾注漿，盾尾空隙由土體完全填充，以此利用常量邊界元進行研究。后來 Lo和 Rowe［6，7］又邁出了歷史性的一步，他們提出了間隙參數這個概念，認為間隙參數的大小由盾構直徑、襯砌直徑差和施工質量決定，并據此Lee［8］做了進一步解釋，導出了關于間隙參數G的公式：

式中，Gp為襯砌管片和盾殼外徑間的空隙；μ3D為彈塑性變形量；ω取決于施工工藝。

基于前人成果，且由于在盾構隧道施工中對變形的控制要求越來越嚴格，此后學者們對于同步注漿對土體變形影響的研究主要集中在盾尾空隙和相關參數引起的一系列問題。葉飛等［9］以柱形孔擴張理論為基礎，將同步注漿對地層的壓力效應視為應力－位移問題，通過鏡像法推導出同步注漿引起的地表變形簡析式，并分析了注漿壓力與地表變形的關系。梁榮柱等［10］基于Mindlin解，考慮施工參數和地層損失引起的地層位移，得到了土體表面的豎向位移和深層土體的水平位移解答。魏綱等［11］主要考慮注漿量、注漿壓力、注漿材料這3個注漿參數對地層變形的影響，分析了盾構前方泥水壓力和其不同分布形式對同步注漿壓力的反作用，另外還討論了壁后注漿對周邊環境的影響。夏建中等［12］對比靜壓樁的擠土效應，通過位移－位移問題假定和小孔擴張理論推導出漿液擴散引起的位移場，并分析了注漿率、隧道開挖半徑和開挖深度等因素對地表隆起值的影響規律。趙軍［13］將注漿壓力作用于周圍土層看作是厚壁圓環受內部壓力作用，并基于彈塑性理論將其簡化為平面應變問題進行求解，分析了在盾構掘進過程中注漿壓力分布模式、同步注漿時間、掌子面推力和等代層厚度對地層變形的影響規律。

2.2 數值計算

通過研究盾構施工及同步注漿的相關參數，以及注漿壓力分布形式，諸多學者分析了同步注漿對土體變形的影響。Tomas Kasper［14］研究了盾構隧道施工過程中同步注漿壓力、盾構工作面壓力、漿體性質、覆土層厚度等對地表沉降和隧道上浮的影響。雷華陽等［15］對天津某地鐵區間開挖進行動態模擬，發現考慮注漿孔分布的分均勻注漿形式模擬最接近真實情況，通過分析得到注漿的及時率、注漿量、注漿壓力等因素對隧道開挖造成地層損失的補償規律。王鵬等［16］以實驗和數值模擬相結合的手段研究了同步注漿漿液的工程性質、漿液壓力充填分布、漿液固結壓縮等因素對控制地層變形的作用效果，結果發現當注漿壓力和注漿量增大時，對控制地表變形的效果十分顯著，這是只增大彈性模量時所不能比擬的。

由于合理的注漿壓力能使自重作用下的圍巖變形達到最小，使隧道周邊的應力分布達到最佳［17］，進而有效調整地表沉降總量，同時很大程度會影響支護結構的支護壓力，并且注漿量的取值也是依據注漿壓力的大小而變化的，因此注漿壓力是一個舉足輕重的參數，需要充分考慮各種因素確定它的合理值。謝自韜等［18］分析了注漿壓力的變化對圍巖變形和地層位移變化的影響，并提出一種確定合理注漿壓力的方法。孫闖等［19］分析注漿壓力對地表沉降及管片上浮的影響，發現隨著注漿壓力的變化隧道周圍的土體變形會有很大的改變，且由于漿體硬化導致上浮的管片也會受到注漿壓力的影響。王冠瓊等［20］考慮注漿壓力消散和漿液固結硬化，分析了注漿量和注漿壓力變化對地表沉降變形的影響規律。

在盾構施工過程中同步注漿作業會遇到諸多不同的困難，如注漿空洞，注漿充填率，漿體硬化，二次補充注漿等，學者們依托相應的實際工程通過有限元分析也進行了相關研究。劉建海等［21］通過模型預測了盾構推進時盾尾同步注漿和管片補充注漿所導致的地表變形。楊春山等［22］分析漿體硬化對地表沉降的影響，結果表明漿體硬化時地表沉降量較大，因此在施工中應加強對漿體硬化程度的監控，以有效控制地表沉降。沈榮俊等［23］在數值模型的不同位置設置同步注漿空洞缺陷，分析了不同位置的空洞對地層和管片變形不同程度的不利影響。林志宇等［24］在實際工程背景下分析了不同注漿充填率下地層變形的變化。

根據以上研究可看出，已有的大部分數值分析還是依托實際工程對同步注漿施工影響做一個評估，以及對施工時的各參數做一個定性評價，而對不同地質條件、不同工況下同步注漿對土體變形的影響沒有一個通用的理論解析，這就使得不同數值模型具有不同的適用情況，所以對于數值計算方法的匹配性要尤其注意。

2.3 模型試驗和實測分析

模型試驗法能夠在室內等較為可控的環境條件下再現實際工程的情況，該方法有室內1g模型試驗法見圖5和超重力離心試驗法見圖6，在盾構隧道施工的研究中，單就分析同步注漿對土體變形影響的模型試驗較少，文中列出國內外較主要的與之相關聯的模型試驗結果，以期能對文中研究有所幫助，結果如表1所示。

圖5 室內1g模型箱裝置

圖6 浙江大學zju-400土工離心機

表1 盾構隧道同步注漿對土體變形影響的模型試驗研究

相比模型試驗的成本高，實驗復雜，只適用于特大型工程，實測分析在同步注漿對土體變形影響的研究中就應用得較為廣泛，因為實測數據能直接體現影響結果，它能夠反應工程中各種復雜因素的綜合作用機理，揭示同步注漿及其各參數對于土體變形影響的特性和動態變化規律。

司翔宇［29］先對實際工程中得到的盾構推進過程的監測數據進行分析，再應用有限元軟件模擬盾構施工，研究了工作面平衡壓力、同步注漿量、土質情況等各個施工參數對周圍土體變形的影響，并給出了一系列控制地層變形的措施。韓日美等［30］結合數值模擬與現場實測數據，通過對比襯砌對土層的反作用力與初始地應力來評價盾構隧道盾尾注漿效果，研究得出越好的注漿效果越能控制地層沉降。林存剛等［31］依托杭州慶春路某段泥水盾構工程，對其施工引起的地面沉降進行監測分析，總結出地面沉降特點及其影響地層的因素，并發現適當提高同步注漿壓力使漿液填充盾尾空隙并擠壓土層可以抵消部分地層損失，減少地表沉降。

2.4 同步注漿對土體變形影響分析

綜上所述，同步注漿對土體變形的影響主要集中在盾構施工參數、土層性質、注漿參數和工藝方面。其中注漿參數和工藝的影響尤為重要，因為通過壁后注漿技術填充盾尾空隙是最直接的控制地層位移和隧道上浮的方式，文中選取了幾個具有代表性的因素加以得出：①注漿量和注漿壓力。在一般工程中，注漿量和注漿壓力可作為雙指標控制土體變形，在一定范圍內增加注漿量和注漿壓力能夠有效減小地層變形和地表沉降，當然這個范圍對于不同的實際工程可能有不同的取值，另外注漿壓力不能過大，否則反而會造成地表隆起；②漿液強度。當漿液的基礎性質如材料、配比、彈性模量等有差別時，其配置成的漿液強度也會有所不同，從而在漿液注入后它的壓力消散和硬化速度將會不一樣，又由于漿液硬化對管片位移影響很大，所以在施工過程中時刻監測漿液強度能夠在很大程度上控制管片的位移和隧道的縱向變形；③注漿壓力分布模式。盾尾注漿是為環向填充，當假設漿液符合賓漢姆流體，可通過推導得出其環向填充壓力分布模式，除了考慮由重力和注漿孔分布形成的重力非均布和三角形分布，其他主要的分布形式有均勻注漿壓力分布和非均勻注漿壓力分布見圖7，若再將拱頂與拱底注漿壓力按不同比例設置，可探討更多的壓力分布模式的影響，付艷斌等［32］通過分析得出非均勻壓力模式相比均勻壓力模式對管片的應力影響更大，且其造成的地層與地面沉降也更大，但它更符合工程實際，因此在評估地表變形時需綜合考慮這兩種形式；④注漿充填率。壁后注漿漿液充填率也是控制地表變形的重要因子，林志宇等發現地表沉降會隨著充填率的增大而減小，且100%充填率是一個重要分界點，當充填率由100%減小到80%所產生的沉降增加值是充填率由100%增大到120%所減小的沉降值的7倍多，因此在工程中充填率取值均超過100%，且還要注意由于地層滲透和地下水影響所造成的充填率損失。

圖7 注漿壓力分布模式示意圖

除了注漿參數和工藝以外，隧道土體及盾構參數等也會對土體變形產生較大的影響，列出了余下具有代表性的影響因素的影響總結，結果如表2所示。

表2 盾構施工參數及土層性質對土體變形的影響

通過以上幾個方面綜述可以看出，現有盾構隧道同步注漿對土體變形影響的研究主要集中在基于Mindlin解的經驗公式法和數值計算方面，有的學者會根據實際工程的數據進行一個對比驗證分析，而根據不同巖土體性狀通過力學原理推導一個適用性較強的理論研究比較少，尤其是針對同步注漿引起的地層變形的力學原理分析，相關理論研究還有待進一步加強。而在研究中涉及的各參數對地表沉降的影響，需要更加全面地考慮、綜合討論，并分別研究各情況下的適用性。

3 減小同步注漿引起的地表變形的措施

3.1 控制施工參數及合理選用同步注漿參數

在施工中根據盾構機的種類和實際工程條件，選擇合適的施工參數，以減小盾構掘進過程中對同步注漿的影響，進而降低其引起的地表變形。

王法等［33］使用灰色關聯分析方法對盾構施工引起地表沉降的影響因素進行敏感性分析，得到了各個影響因素對地表沉降的影響程度，并發現一些盾構施工中較重要的施工參數如土倉壓力、同步注漿量、盾構姿態偏移量等的設定應根據不同地層、隧道埋深和現場實測數據而作出不同的選擇。何國軍等［34］通過實際工程發現采用“雙控”同步注漿模式，以砂與粉煤灰為主要原材料的單液漿施工技術可以有效降低地表后期的沉降。魏曉峰等［35］通過數值計算與實測對比，發現當采用置換工法時盾構機背土現象會明顯減少，進而有效降低了雙圓盾構在軟土地層施工中的地表沉降。鞠鑫等［36］采用雙孔平行隧道地表沉降計算公式、有限元分析和現場實測3種方法揭示了土艙壓力和同步注漿參數共同作用時對地表沉降的控制效果不如上述參數單獨作用時顯著，因此在實際工程設計中保持初始土艙壓力的同時、增加注漿量是設計方案的首選。

此外，為達到預期注漿效果，減小地表沉降，施工前的準備必不可少。首先需要選擇合適的同步注漿材料，根據實際工況、注漿要求和成本控制等選擇惰性漿、硬性漿或雙漿液；其次，確定合理注漿參數，這其中又以注漿壓力和注漿量的確定尤為重要，注漿壓力必須大于土層水土壓力，一般可取該注漿點位置靜止土壓力的1.1～1.2倍，而注漿量的計算一般取用以下公式：

式中，D1為隧道外徑；D2為管片外徑；l為盾構推進長度；α為注漿率，另外考慮到實際施工中存在的漿液損失問題，實際注漿量應取理論計算結果的1.3～1.8倍；最后，針對同步注漿施工中的常見問題，譬如漏漿、堵管、管片上浮等，可以采取棉紗堵漏、泡沫注入系統，調整配漿比、單獨清洗管路，科學選擇漿液類型、加強管片沉浮監測、根據實時情況改變注漿參數等措施來分別解決應對。

3.2 同步注漿以外的施工防護

除同步注漿的影響以外，在盾構隧道施工過程中，還有許多除了盾構及同步注漿以外的因素可能造成地表沉降或隆起或加重已有的土體變形，因此可采用以下措施進行施工防護：土體加固，以阻斷施工影響為主的土體全方位高壓噴射加固法，但由于土體加固過程本身就是一種對土體的擾動，因此要充分重視其造成的影響；二次注漿補償，需要注意的是在注漿過程中應對盾構隧道沉降和收斂變形進行持續監測及反饋；另外還有諸如邊盾構施工邊加強盾構開挖面的支護等施工防護。

從上述分析易知，對于同步注漿引起的地表變形控制主要從施工前的參數選擇、工藝準備，施工時的技術運用、工法控制，以及施工后的防護、監測這三部分考慮，各部分的施工措施方法及其最優選擇前人已有諸多研究，而在實際工程中則需要注意的是根據情況在每一環節抉擇出最優方案。

4 問題分析與應用前景

基于文中總結，還有以下幾個方面可以進一步深入探討：

（1） 雖然圓孔擴張理論因其力學原理相對明確且形式簡單而得到廣泛應用，但隨著工程實際的復雜化，同步注漿形式的多樣化，這一單一的理論模型可能不再適用于所產生的工程場景，因此可以探求新的理論研究方法。另外，同步注漿引起的管片上浮以及對隧道的影響可以進行綜合考慮，將注漿柱形孔擴張和盾構隧道及管片看作集合模型，考慮三維空間下同步注漿引起的土體變形。

（2） 關于同步注漿方面的模型試驗是少有人研究的，因此對于模型的研制是一個非常可行的研究方向，如果能夠研制出更加符合實際情況的盾構同步注漿及其對周圍土體影響的模型，那么就能夠提升模型試驗的廣度和精度，另外再加上實測數據的局限性，這就有必要進一步對盾構同步注漿進行分類，建立影響因素與測量值之間的數學模型，得到適用性更強的統計規律。

（3） 對于在不同地層、不同土質中的同步注漿施工，盾構形式、尺寸、注漿參數的選取，注漿材料及配比的工程適用性等問題諸多學者都已進行過相關研究，但在某工況下經系列選擇后的同步注漿施工的變形模式沒有一個統一的系統性分析，可以分別考慮在不同土質如黏土、砂土、粉砂層、含水地層等，同步注漿所引起的地層位移和土體變形定量范圍解，從而借以對比予以實際工程借鑒經驗。

（4） 除了同步注漿對土體變形影響，還存在土與結構的相互作用。在盾構隧道施工過程中，土體與隧道的相互接觸存在多種狀態，從隧道周圍土體的應力出發考慮同步注漿對土體變形影響已引起學者關注，根據不同接觸狀態來建立合理的力學模型，對同步注漿作用機理進一步研究將是一大趨勢。

（5） 文中主要綜合討論了盾構同步注漿對土體變形的影響，而在實際施工中不論是隧道中地層的移動還是地表土體的變形都會反過來對同步注漿產生一定的影響，這種反作用可能對于注漿施工、注漿參數的選擇都有一定的影響，因此可以從這方面入手考慮同步注漿施工的防護和優化。

5 結語

盾構隧道同步注漿對土體變形的影響隨著城市地下空間的不斷開發建設越發復雜，同時會不斷出現各種新的問題。文中總結了盾構同步注漿對土體變形的影響機理與特點，給出了理論模型與研究、數值計算、模型試驗和實測分析、施工控制與防護措施等方面所取得的一系列研究成果，指出現有研究仍存在的一些問題，望文中能夠給予研究者一些幫助與啟發，為以后相關領域的研究提供有益參考。