盾构同步注浆引起土体变形的影响研究

汪海林， 魏新江，， 鲁梁梁， 刘映晶， 朱汉华， 张彪

（1.浙江大学建筑工程学院，杭州 310058；2.浙大城市学院，杭州 310015；3.中天建设集团有限公司，杭州 310009）

0 引言

随着城市交通压力日益增加，城市地铁建设得到迅速发展，地铁施工所需的盾构施工技术也日益成熟。对于盾构隧道引起的地表沉降变形问题，国内外学者进行了大量的研究，取得了众多研究成果，其中一个较为重要的结论是在盾构施工过程中引起地表变形的主要原因有以下5个方面［1］：刀盘和周围土体所产生的摩擦作用；盾构开挖面支护作用；盾壳与周围土体之间的摩擦作用；开挖面的卸载作用；由盾尾间隙造成的地层损失。在减小这些因素引起的地表变形和管片结构受力方面，壁后同步注浆是一个在工程中广泛应用的工艺，它的具体作用主要体现在缓解地层变形，确保管片衬砌受力均匀，提高盾构隧道的抗渗性，固定管片衬砌的位置，承受盾构后备设施产生的荷载等方面。因此，壁后同步注浆作为减少地层损失的重要手段，研究它对土体变形影响有十分重要的理论及工程实际意义。

1 盾构同步注浆的原理及作用

1.1 盾构同步注浆施工技术原理

在隧道和地下建筑工程施工时，盾构法是一种比较常用的施工工艺，该工艺主要在盾构掘进机的工作配合下实施，由地铁盾构施工示意见图1，盾构机的刀盘直径一般比隧道管片的衬砌外径要大，在盾构施工过程中，当盾尾的管片脱出时，管片和围岩间就会产生长度为8～16cm的空隙见图2，又由于此时隧道岩体周围没有支护，岩体便会产生错位移动，从而导致地表发生沉降变形，致使整个工程的施工风险增大，为了应对这种情况，一般采取壁后注浆施工工艺。

图1 地铁盾构施工示意图

图2 盾尾空隙

同步注浆属于盾构隧道壁后注浆工艺中的一次注浆，它的原理是在盾构向前推进、盾尾间隙形成的同时通过同步注浆系统及盾尾或管片上的注浆孔采用双泵四管路对称同时进行注浆见图3［2］，并在盾尾间隙形成的瞬间填充浆液，从而使周围土体获得支撑，防止土体坍塌，控制地表沉降［3］，且由于同步注浆是在盾尾间隙产生和注浆充填处理两者没有相对时间滞后的状态下实施的，因此同步注浆是比较理想的注浆方式。

图3 同步注浆示意

1.2 同步注浆在盾构隧道中的作用

在盾构隧道施工中注入浆体就是在围岩与管片之间的间隙灌入部分浆体，这一流程的工艺选择主要取决于隧道变形和地面沉降在工程项目中的有关指标，并且从工程项目实施初始阶段到终止阶段都不能有变化，而最终它对盾构隧道掘进的保护作用主要体现在以下4个方面［4］：

（1） 控制地面的沉降。盾构机在施工操作中由于开挖直径和管片直径不匹配会导致形成盾尾间隙，为了防止盾尾间隙的不利影响，必须及时采取同步注浆工艺，支撑岩体，减少土层的移动和变形，提高施工的安全性，同时控制地面沉降。

（2） 提高隧道的整体稳定性。由于盾构隧道本身是由管片衬砌，并与周围土层等相互作用而形成的一种比较稳定的构筑物，所以所注浆体可以作为衬砌结构的加强层使管片与周围岩体一体化，限制隧道结构，降低盾构隧道施工的风险系数。

（3） 防止管片上浮。如果盾尾存在间隙，那么盾构管片自身的重力就会比浮力小，进而造成管片上浮，而同步注浆工艺可以起到良好密封作用，有效减小盾尾间隙率，填补盾尾空隙，防止管片上浮。

（4） 增加盾构隧道的防渗水能力。很多地铁隧道难以避免的会需要穿越富水层，这就使得盾构隧道需要有较强的防水、抗渗能力，除了已有的抗渗防线，同步注浆也能起到防水作用，保证盾构隧道后期的使用质量及寿命。

此外，盾构隧道掘进过程中还有诸多需要注意的关于材料与技术方面的要点，如同步注浆的管理，同步注浆材料选择，注浆流程的把控等。

2 盾构同步注浆对土体变形影响

同步注浆在施工工艺、注浆量、浆液性质、周围土质等因素的共同影响下，其扩散过程十分复杂，因此其在施工过程中会引起难以预料的土体变形，对于这种影响，很多学者已经开展了大量的分析和研究，目前已有的研究主要集中在几个方面，即理论方法研究、数值计算、模型试验和实测分析。

2.1 理论方法研究

理论研究主要在于求解同步注浆引起的地表变形计算公式，研究方法通常是将无限土体中的圆柱形孔扩张问题修正后应用于实际问题中的半无限土体解析，再加上一些为简化问题而作的基本假定，如土体是小变形，满足胡克定律等，进而将半无限土体问题用镜像法、应力函数法、积分法等解出，如图4所示，有的研究还会与Mindlin解进行比较，再根据不同工况和位移影响因素得到不同的位移解答，最后或再做一个数值模拟作为理论验证。

图4 圆（柱形）孔扩张理论模型推导示意图

虽然盾构施工已有较久的历史，并经过Peck等的开创性发现，该方面的理论研究有了较好的起步，但对于盾尾空隙及同步注浆可能造成的土体变形从上世纪八九十年代才开始有系统的分析。首先ItoT［5］在分析由于盾构施工引起的地表沉降时考虑盾尾空隙要么由浆液完全填充，盾构机开挖面的应力释放是造成地表沉降的主要原因，要么不考虑盾尾注浆，盾尾空隙由土体完全填充，以此利用常量边界元进行研究。后来 Lo和 Rowe［6，7］又迈出了历史性的一步，他们提出了间隙参数这个概念，认为间隙参数的大小由盾构直径、衬砌直径差和施工质量决定，并据此Lee［8］做了进一步解释，导出了关于间隙参数G的公式：

式中，Gp为衬砌管片和盾壳外径间的空隙；μ3D为弹塑性变形量；ω取决于施工工艺。

基于前人成果，且由于在盾构隧道施工中对变形的控制要求越来越严格，此后学者们对于同步注浆对土体变形影响的研究主要集中在盾尾空隙和相关参数引起的一系列问题。叶飞等［9］以柱形孔扩张理论为基础，将同步注浆对地层的压力效应视为应力－位移问题，通过镜像法推导出同步注浆引起的地表变形简析式，并分析了注浆压力与地表变形的关系。梁荣柱等［10］基于Mindlin解，考虑施工参数和地层损失引起的地层位移，得到了土体表面的竖向位移和深层土体的水平位移解答。魏纲等［11］主要考虑注浆量、注浆压力、注浆材料这3个注浆参数对地层变形的影响，分析了盾构前方泥水压力和其不同分布形式对同步注浆压力的反作用，另外还讨论了壁后注浆对周边环境的影响。夏建中等［12］对比静压桩的挤土效应，通过位移－位移问题假定和小孔扩张理论推导出浆液扩散引起的位移场，并分析了注浆率、隧道开挖半径和开挖深度等因素对地表隆起值的影响规律。赵军［13］将注浆压力作用于周围土层看作是厚壁圆环受内部压力作用，并基于弹塑性理论将其简化为平面应变问题进行求解，分析了在盾构掘进过程中注浆压力分布模式、同步注浆时间、掌子面推力和等代层厚度对地层变形的影响规律。

2.2 数值计算

通过研究盾构施工及同步注浆的相关参数，以及注浆压力分布形式，诸多学者分析了同步注浆对土体变形的影响。Tomas Kasper［14］研究了盾构隧道施工过程中同步注浆压力、盾构工作面压力、浆体性质、覆土层厚度等对地表沉降和隧道上浮的影响。雷华阳等［15］对天津某地铁区间开挖进行动态模拟，发现考虑注浆孔分布的分均匀注浆形式模拟最接近真实情况，通过分析得到注浆的及时率、注浆量、注浆压力等因素对隧道开挖造成地层损失的补偿规律。王鹏等［16］以实验和数值模拟相结合的手段研究了同步注浆浆液的工程性质、浆液压力充填分布、浆液固结压缩等因素对控制地层变形的作用效果，结果发现当注浆压力和注浆量增大时，对控制地表变形的效果十分显著，这是只增大弹性模量时所不能比拟的。

由于合理的注浆压力能使自重作用下的围岩变形达到最小，使隧道周边的应力分布达到最佳［17］，进而有效调整地表沉降总量，同时很大程度会影响支护结构的支护压力，并且注浆量的取值也是依据注浆压力的大小而变化的，因此注浆压力是一个举足轻重的参数，需要充分考虑各种因素确定它的合理值。谢自韬等［18］分析了注浆压力的变化对围岩变形和地层位移变化的影响，并提出一种确定合理注浆压力的方法。孙闯等［19］分析注浆压力对地表沉降及管片上浮的影响，发现随着注浆压力的变化隧道周围的土体变形会有很大的改变，且由于浆体硬化导致上浮的管片也会受到注浆压力的影响。王冠琼等［20］考虑注浆压力消散和浆液固结硬化，分析了注浆量和注浆压力变化对地表沉降变形的影响规律。

在盾构施工过程中同步注浆作业会遇到诸多不同的困难，如注浆空洞，注浆充填率，浆体硬化，二次补充注浆等，学者们依托相应的实际工程通过有限元分析也进行了相关研究。刘建海等［21］通过模型预测了盾构推进时盾尾同步注浆和管片补充注浆所导致的地表变形。杨春山等［22］分析浆体硬化对地表沉降的影响，结果表明浆体硬化时地表沉降量较大，因此在施工中应加强对浆体硬化程度的监控，以有效控制地表沉降。沈荣俊等［23］在数值模型的不同位置设置同步注浆空洞缺陷，分析了不同位置的空洞对地层和管片变形不同程度的不利影响。林志宇等［24］在实际工程背景下分析了不同注浆充填率下地层变形的变化。

根据以上研究可看出，已有的大部分数值分析还是依托实际工程对同步注浆施工影响做一个评估，以及对施工时的各参数做一个定性评价，而对不同地质条件、不同工况下同步注浆对土体变形的影响没有一个通用的理论解析，这就使得不同数值模型具有不同的适用情况，所以对于数值计算方法的匹配性要尤其注意。

2.3 模型试验和实测分析

模型试验法能够在室内等较为可控的环境条件下再现实际工程的情况，该方法有室内1g模型试验法见图5和超重力离心试验法见图6，在盾构隧道施工的研究中，单就分析同步注浆对土体变形影响的模型试验较少，文中列出国内外较主要的与之相关联的模型试验结果，以期能对文中研究有所帮助，结果如表1所示。

图5 室内1g模型箱装置

图6 浙江大学zju-400土工离心机

表1 盾构隧道同步注浆对土体变形影响的模型试验研究

相比模型试验的成本高，实验复杂，只适用于特大型工程，实测分析在同步注浆对土体变形影响的研究中就应用得较为广泛，因为实测数据能直接体现影响结果，它能够反应工程中各种复杂因素的综合作用机理，揭示同步注浆及其各参数对于土体变形影响的特性和动态变化规律。

司翔宇［29］先对实际工程中得到的盾构推进过程的监测数据进行分析，再应用有限元软件模拟盾构施工，研究了工作面平衡压力、同步注浆量、土质情况等各个施工参数对周围土体变形的影响，并给出了一系列控制地层变形的措施。韩日美等［30］结合数值模拟与现场实测数据，通过对比衬砌对土层的反作用力与初始地应力来评价盾构隧道盾尾注浆效果，研究得出越好的注浆效果越能控制地层沉降。林存刚等［31］依托杭州庆春路某段泥水盾构工程，对其施工引起的地面沉降进行监测分析，总结出地面沉降特点及其影响地层的因素，并发现适当提高同步注浆压力使浆液填充盾尾空隙并挤压土层可以抵消部分地层损失，减少地表沉降。

2.4 同步注浆对土体变形影响分析

综上所述，同步注浆对土体变形的影响主要集中在盾构施工参数、土层性质、注浆参数和工艺方面。其中注浆参数和工艺的影响尤为重要，因为通过壁后注浆技术填充盾尾空隙是最直接的控制地层位移和隧道上浮的方式，文中选取了几个具有代表性的因素加以得出：①注浆量和注浆压力。在一般工程中，注浆量和注浆压力可作为双指标控制土体变形，在一定范围内增加注浆量和注浆压力能够有效减小地层变形和地表沉降，当然这个范围对于不同的实际工程可能有不同的取值，另外注浆压力不能过大，否则反而会造成地表隆起；②浆液强度。当浆液的基础性质如材料、配比、弹性模量等有差别时，其配置成的浆液强度也会有所不同，从而在浆液注入后它的压力消散和硬化速度将会不一样，又由于浆液硬化对管片位移影响很大，所以在施工过程中时刻监测浆液强度能够在很大程度上控制管片的位移和隧道的纵向变形；③注浆压力分布模式。盾尾注浆是为环向填充，当假设浆液符合宾汉姆流体，可通过推导得出其环向填充压力分布模式，除了考虑由重力和注浆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匀注浆压力分布和非均匀注浆压力分布见图7，若再将拱顶与拱底注浆压力按不同比例设置，可探讨更多的压力分布模式的影响，付艳斌等［32］通过分析得出非均匀压力模式相比均匀压力模式对管片的应力影响更大，且其造成的地层与地面沉降也更大，但它更符合工程实际，因此在评估地表变形时需综合考虑这两种形式；④注浆充填率。壁后注浆浆液充填率也是控制地表变形的重要因子，林志宇等发现地表沉降会随着充填率的增大而减小，且100%充填率是一个重要分界点，当充填率由100%减小到80%所产生的沉降增加值是充填率由100%增大到120%所减小的沉降值的7倍多，因此在工程中充填率取值均超过100%，且还要注意由于地层渗透和地下水影响所造成的充填率损失。

图7 注浆压力分布模式示意图

除了注浆参数和工艺以外，隧道土体及盾构参数等也会对土体变形产生较大的影响，列出了余下具有代表性的影响因素的影响总结，结果如表2所示。

表2 盾构施工参数及土层性质对土体变形的影响

通过以上几个方面综述可以看出，现有盾构隧道同步注浆对土体变形影响的研究主要集中在基于Mindlin解的经验公式法和数值计算方面，有的学者会根据实际工程的数据进行一个对比验证分析，而根据不同岩土体性状通过力学原理推导一个适用性较强的理论研究比较少，尤其是针对同步注浆引起的地层变形的力学原理分析，相关理论研究还有待进一步加强。而在研究中涉及的各参数对地表沉降的影响，需要更加全面地考虑、综合讨论，并分别研究各情况下的适用性。

3 减小同步注浆引起的地表变形的措施

3.1 控制施工参数及合理选用同步注浆参数

在施工中根据盾构机的种类和实际工程条件，选择合适的施工参数，以减小盾构掘进过程中对同步注浆的影响，进而降低其引起的地表变形。

王法等［33］使用灰色关联分析方法对盾构施工引起地表沉降的影响因素进行敏感性分析，得到了各个影响因素对地表沉降的影响程度，并发现一些盾构施工中较重要的施工参数如土仓压力、同步注浆量、盾构姿态偏移量等的设定应根据不同地层、隧道埋深和现场实测数据而作出不同的选择。何国军等［34］通过实际工程发现采用“双控”同步注浆模式，以砂与粉煤灰为主要原材料的单液浆施工技术可以有效降低地表后期的沉降。魏晓峰等［35］通过数值计算与实测对比，发现当采用置换工法时盾构机背土现象会明显减少，进而有效降低了双圆盾构在软土地层施工中的地表沉降。鞠鑫等［36］采用双孔平行隧道地表沉降计算公式、有限元分析和现场实测3种方法揭示了土舱压力和同步注浆参数共同作用时对地表沉降的控制效果不如上述参数单独作用时显著，因此在实际工程设计中保持初始土舱压力的同时、增加注浆量是设计方案的首选。

此外，为达到预期注浆效果，减小地表沉降，施工前的准备必不可少。首先需要选择合适的同步注浆材料，根据实际工况、注浆要求和成本控制等选择惰性浆、硬性浆或双浆液；其次，确定合理注浆参数，这其中又以注浆压力和注浆量的确定尤为重要，注浆压力必须大于土层水土压力，一般可取该注浆点位置静止土压力的1.1～1.2倍，而注浆量的计算一般取用以下公式：

式中，D1为隧道外径；D2为管片外径；l为盾构推进长度；α为注浆率，另外考虑到实际施工中存在的浆液损失问题，实际注浆量应取理论计算结果的1.3～1.8倍；最后，针对同步注浆施工中的常见问题，譬如漏浆、堵管、管片上浮等，可以采取棉纱堵漏、泡沫注入系统，调整配浆比、单独清洗管路，科学选择浆液类型、加强管片沉浮监测、根据实时情况改变注浆参数等措施来分别解决应对。

3.2 同步注浆以外的施工防护

除同步注浆的影响以外，在盾构隧道施工过程中，还有许多除了盾构及同步注浆以外的因素可能造成地表沉降或隆起或加重已有的土体变形，因此可采用以下措施进行施工防护：土体加固，以阻断施工影响为主的土体全方位高压喷射加固法，但由于土体加固过程本身就是一种对土体的扰动，因此要充分重视其造成的影响；二次注浆补偿，需要注意的是在注浆过程中应对盾构隧道沉降和收敛变形进行持续监测及反馈；另外还有诸如边盾构施工边加强盾构开挖面的支护等施工防护。

从上述分析易知，对于同步注浆引起的地表变形控制主要从施工前的参数选择、工艺准备，施工时的技术运用、工法控制，以及施工后的防护、监测这三部分考虑，各部分的施工措施方法及其最优选择前人已有诸多研究，而在实际工程中则需要注意的是根据情况在每一环节抉择出最优方案。

4 问题分析与应用前景

基于文中总结，还有以下几个方面可以进一步深入探讨：

（1） 虽然圆孔扩张理论因其力学原理相对明确且形式简单而得到广泛应用，但随着工程实际的复杂化，同步注浆形式的多样化，这一单一的理论模型可能不再适用于所产生的工程场景，因此可以探求新的理论研究方法。另外，同步注浆引起的管片上浮以及对隧道的影响可以进行综合考虑，将注浆柱形孔扩张和盾构隧道及管片看作集合模型，考虑三维空间下同步注浆引起的土体变形。

（2） 关于同步注浆方面的模型试验是少有人研究的，因此对于模型的研制是一个非常可行的研究方向，如果能够研制出更加符合实际情况的盾构同步注浆及其对周围土体影响的模型，那么就能够提升模型试验的广度和精度，另外再加上实测数据的局限性，这就有必要进一步对盾构同步注浆进行分类，建立影响因素与测量值之间的数学模型，得到适用性更强的统计规律。

（3） 对于在不同地层、不同土质中的同步注浆施工，盾构形式、尺寸、注浆参数的选取，注浆材料及配比的工程适用性等问题诸多学者都已进行过相关研究，但在某工况下经系列选择后的同步注浆施工的变形模式没有一个统一的系统性分析，可以分别考虑在不同土质如黏土、砂土、粉砂层、含水地层等，同步注浆所引起的地层位移和土体变形定量范围解，从而借以对比予以实际工程借鉴经验。

（4） 除了同步注浆对土体变形影响，还存在土与结构的相互作用。在盾构隧道施工过程中，土体与隧道的相互接触存在多种状态，从隧道周围土体的应力出发考虑同步注浆对土体变形影响已引起学者关注，根据不同接触状态来建立合理的力学模型，对同步注浆作用机理进一步研究将是一大趋势。

（5） 文中主要综合讨论了盾构同步注浆对土体变形的影响，而在实际施工中不论是隧道中地层的移动还是地表土体的变形都会反过来对同步注浆产生一定的影响，这种反作用可能对于注浆施工、注浆参数的选择都有一定的影响，因此可以从这方面入手考虑同步注浆施工的防护和优化。

5 结语

盾构隧道同步注浆对土体变形的影响随着城市地下空间的不断开发建设越发复杂，同时会不断出现各种新的问题。文中总结了盾构同步注浆对土体变形的影响机理与特点，给出了理论模型与研究、数值计算、模型试验和实测分析、施工控制与防护措施等方面所取得的一系列研究成果，指出现有研究仍存在的一些问题，望文中能够给予研究者一些帮助与启发，为以后相关领域的研究提供有益参考。