盾构隧道壁后注浆压力对地表沉降的影响分析

孙 闯，张建俊，刘家顺，王 敏

（辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新 123000）

盾构隧道壁后注浆压力对地表沉降的影响分析

孙 闯，张建俊，刘家顺，王 敏

（辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新 123000）

为直观了解盾构隧道施工过程中壁后注浆压力对土体变形的影响，分析盾构隧道注浆压力大小对管片上浮的影响，保证在隧道施工过程中采用合理的注浆压力，控制地表变形量。采用FLAC3D软件对上海某越江隧道施工过程进行了数值模拟，分析注浆压力对管片上浮的影响。结果表明：在不同注浆压力及不同分布形式情况下，土体受扰动程度差异较大；当注浆浆液充填等待层后，随着注浆浆液逐渐硬化，盾构隧道管片会逐渐形成上浮趋势，上浮量与注浆压力有关，当注浆压力控制在0.2～0.3MPa时，地表变形量可以得到有效控制，所以施工中应该值得注意。同时也为今后的盾构隧道数值模拟与现场施工提供参考。

隧道；注浆；土体；数值模拟；FLAC3D

1 研究背景

盾构隧道施工中，由于压力舱的支护压力与地层水、土压力不平衡导致开挖面前方土体运动以及盾尾空隙的闭合引起周围地层移动［1］。而控制地层沉降的主要手段是对盾尾空隙进行及时注浆回填，壁后注浆控制技术是盾构施工的关键。当壁后注浆完成后，注浆体仍处于液相流动状态，围岩土体和管片衬砌主要承受浆体压力的作用。

在研究盾构支护结构方面，Lee［2］等提出了将拼装的盾构支护结构简化为一连续的环状结构的方法。王敏强［3］采用迁移法模拟盾构推进过程，并应用三维非线性有限单元法进行分析。张忠苗［4］等通过幂律流体假设，对桩底劈裂注浆中裂隙高度、注浆压力、浆液的扩散半径等因素之间的关系进行研究。胡欣雨［5］等通过真三轴实验研究，提出了基于一般应力状态下泥浆的强度指标来进行开挖面支护压力的计算方法。张云［6］将衬砌周围的土体与注浆情况概化为一均质、等厚的等待层。韩月旺［7］等设计了壁后注浆单元模型试验装置，通过试验研究了不同土质条件下，不同注浆压力、注浆材料对浆体变形及浆体压力消散的影响。以上文献都对盾构隧道注浆环节的重要性进行了详细阐述与研究，但都没有直观深入地研究注浆压力对隧道上地表的变形以及管片上浮等的影响，本文针对盾构隧道施工过程，建立隧道土体沉降变形数值模型，通过数值分析对盾构隧道开挖与注浆过程进行模拟分析，并得出了一定的规律。

2 数值模拟实例分析

2.1 工程概况

拟建龙耀路越江隧道长约3.07 km，自龙耀路龙吴路交叉口起，向东穿越黄浦江，至成山路长青路交叉口，隧道外径为φ11.36m，钢筋混凝土衬砌厚度0.45 m；地质物理参数如表1所示，隧道结构与地质柱状图如图1所示。

表1 地层物理参数Table 1 Physical param eters of strata

2.2 注浆压力分布

盾构施工中，壁后注浆是关键技术环节，注浆压力要克服地下水压力、土压力才能将浆液压注到盾尾空隙中，但是注浆压力过大，会对周围土体产生劈裂注浆效果，导致盾尾密封损坏，甚至引起地表隆起变形［8－9］。空隙率较大、渗透性较好的砂性土中，在注浆后浆液泡会包裹整个刚脱离盾尾的管片，此时的注浆压力在整个管片环上的应力分布可假设为如图2所示的整环均匀分布和整环非均匀分布［10］。

图1 隧道结构与地质柱状图Fig.1 Tunnel structure and the geological condition

盾尾的注浆压力一般大于隧道上覆土压力，可抵消部分沉降。有限元模拟时根据注浆压力大小，在盾尾处盾构壳外围的土体单元施加远离隧道中心的结点荷载，施加方式如图3所示。

图2 注浆压力均匀分布与非均匀分布示意图Fig.2 Uniform and nonuniform distributions of grouting pressure

2.3 数值模拟分析方法

计算模型尺寸（长×宽×高）为：80.0 m（沿主隧道轴线方向）×40.0 m（沿隧道径向）× 37.0 m（沿竖直方向），总共划分了34 268个单元，44 781个节点，模型如图4所示。模型左右对称，取一半分析，模型底部为x，y方向约束，隧道模型轴线方向边界为y方向约束，两侧为x方向约束。土体采用弹塑性材料，隧道管片采用线弹性材料，弹性模量为35 GPa，容重为25 kN／m3，泊松比为0.2，厚度为0.45 m。

图3 有限元注浆压力示意图Fig.3 Uniform and nonuniform grouting pressure distribution by finite elementmethod

图4 盾构隧道数值计算模型图Fig.4 Numerical calculation model of shield tunnel

注浆模拟计算中假设注浆浆液胶凝时间为初凝3～4 h，强度为0.05 MPa，终凝4～12 h，强度为0.5 MPa，计算中假设刚刚注浆后等待层处于液态状态，强度低，浆液对四周围岩产生压力（如图5所示），当开挖第3个管片时，浆液逐渐固化，注浆压力逐渐消失，等待层材料强度逐渐增强，最终达到终凝强度，注浆压力能从径向直接作用在围岩上。

图5 盾构隧道开挖土体、管片单元及等待层Fig.5 Excavated soil，tunnel segment and grouting layer of the shield tunnel

3 计算结果分析

3.1 盾构隧道施工引起土体沉降变形分析

由图6至图8可以看出，在注浆压力分布形式不同的情况下，地表沉降曲线有明显差异：在注浆压力均匀分布情况下，地表沉降槽曲线变化平缓；当注浆压力达到0.3 MPa时，沉降量达到最小值－0.01 m，而随着注浆压力的增大，地表出现隆起现象，表明注浆压力大于土体的自重而产生土体向上运动的现象；在非均匀注浆压力情况下，不同注浆压力下，隧道中心线两侧10m范围内，地表沉降槽位移均为负值，并没有出现地表隆起的现象，这主要是由于注浆压力沿着隧道管片的埋深逐渐增加，上部注浆压力并没有与隧道上部土体达到平衡；由以上2种不同注浆方式的对比情况可以看出，在均匀注浆压力下，注浆压力达到0.2～0.3 MPa时，地表的沉降量控制比较理想。

图6 开挖60 m距离不同注浆压力下竖向位移Fig.6 Vertical displacements under different grouting pressures when excavated to 60m

图7 压力均匀分布下地表沉降槽Fig.7 Ground surface subsidences under uniform pressure distribution

图8 压力非均匀分布下地表沉降槽Fig.8 Ground surface subsidences under nonuniform pressure distribution

3.2 管片上浮引起土体变形分析

盾构隧道施工中，对于刚脱离盾尾的管片，经常会出现局部或整体上浮，表现为管片错台、裂缝、破损，乃至轴线偏位等现象。尤其是大断面盾构隧道在穿越河底浅覆土时，该问题尤为突出［5］。本文在分析过程中也同样出现了管片上浮现象，并引起了地表土体的隆起。由图9和图10可知，随着盾构在推进过程中，工作面上方土体产生沉降现象，但是在注浆浆液硬化后，管片有上浮趋势，随着注浆压力的增加，地表隆起量也随之增加，当开挖距离达到60 m左右时，上浮量趋于稳定。在注浆压力非均匀分布情况下，当注浆压力控制在0.2 MPa时，土体的变形量趋于平缓，地表最大沉降量为－0.01 m，最大隆起量为0.04 m，地表沉降与隆起的位移量均较小。在注浆压力均匀分布情况下，各注浆压力下地表沉降与隆起的位移量均较大，可见均匀注浆压力控制地表沉降，效果不是很理想。

图9 均匀压力地表纵向沉降曲线Fig.9 Longitudinal subsidence curves of the ground surface under uniform pressure

图10 非均匀压力地表纵向沉降曲线Fig.10 Longitudinal subsidence curves of the ground surface under nonuniform pressure

图12 0.3 MPa地表沉降三维曲面Fig.12 Three-dimensional subsidence of the ground surface at 0.3MPa

由图11和图12可直观了解在盾构隧道开挖过程中的地表三维变形情况。产生管片上浮的原因不仅仅是由于注浆压力的影响，它同时也与管片的重度、土体物理力学性质、盾构开挖断面尺寸、上覆土体厚度等诸多因素有关。但是对注浆压力进行有效控制，可以有效减少盾构隧道在施工过程中对土体产生的扰动。由以上分析可知，在该地层环境条件下，注浆压力达到0.2～0.3 MPa时，控制管片的上浮引起土体变形的效果最为理想。

4 结 论

（1）通过FLAC3D软件的计算，得出了在不同注浆压力及不同分布情况下，土体受扰动程度差异较大，注浆压力过小，会导致地表沉降量过大，而当注浆压力过大时，地表会产生隆起现象，只有选择合理的注浆压力，才能有效地控制地表土体的变形量。

（2）当注浆浆液充填等待层后，隧道上部土体会有下沉趋势，随着注浆浆液逐渐硬化，盾构隧道管片会逐渐形成上浮趋势。通过分析，上浮量也与注浆压力有关，在该地层环境条件下，当注浆压力控制在0.2～0.3 MPa时，隧道上部土体的变形量可以得到有效的控制。

（3）通过不同注浆压力下的计算分析，可知隧道管片上浮不仅与管片重度、上覆土体厚度等因素有关，它与注浆压力及分布形式也有关系。分析结果对以后的现场工程施工起到借鉴的作用。

［1］ 邹 翀，盾构隧道同步注浆技术［J］.现代隧道技术，2003，40（1）：26－29.（ZOU Chong.Simultaneous Grouting Technique for Shield-Driven Tunnel［J］.Modern Tunnelling Technology，2003，40（1）：26－29.（in Chinese））

［2］ LEE K M，ROWE R K，LO K Y.Subsidence Owing to Tunneling I：Estimating the Gap Parameter［J］.Canadian Geotechnical Journal，1992，29（6）：929－940.

［3］ 王敏强，陈胜宏.盾构推进隧道结构三维非线性有限元仿真［J］.岩石力学与工程学报，2002，21（2）：228－232.（WANG Min-qiang，CHEN Sheng-hong.Three-dimensional Non-linear Finite Element Simulation of Tunnel Structure for Move-forward Shield［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21（2）：228－232.（in Chinese））

［4］ 张忠苗，邹 健.桩底劈裂注浆扩散半径和注浆压力研究［J］.岩土工程学报，2008，30（2）：181－184.（ZHANG Zhong-miao，ZOU Jian.Penetration Radius and Grouting Pressure in Fracture Grouting［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30（2）：181－184.（in Chinese））

［5］ 胡欣雨，张子新.一般应力状态下泥浆渗入对泥水盾构开挖面土体剪切强度影响分析［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（5）：1027－1036.（HU Xin-yu，ZHANG Zixin.Analysis of Effect of Slurry Infiltration on Shear Strength of Soil of Excavation Face in Slurry Shield under General Stress Condition［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（5）：1027－1036.（in Chinese））

［6］ 张 云，殷宗泽，徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析［J］.岩石力学与工程学报，2002，25（3）：232－237.（ZHANG Yun，YIN Zong-ze，XU Yong-fu.Analysis on Three-dimensional Ground Surface Deformations Due to Shield Tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，25（3）：232－237.（in Chinese））

［7］ 韩月旺，梁精华，袁小会.盾构隧道壁后注浆体变形模型及土体位移分析［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（2）：3646－3649.（HAN Yue-wang，LIANG Jing-hua，YUAN Xiao-hui.Deformation Model of Backfill Grouting and Ground Movement Analysis of Shield Tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（2）：3646－3649.（in Chinese））

［8］ 齐静静，徐日庆，魏 纲，等.盾构施工引起土体三维变形的计算方法研究［J］.岩土力学，2009，30（8）：2442－2446.（QI Jing-jing，XU Ri-qing，WEIGang，et al.Research on Calculation Method of Soil 3D Displacement Due to Shield Tunnel Construction［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30（8）：2442－2446.（in Chinese））

［9］ 韩 厦，姜琳瑜，严利娥.隧道衬砌维修加固的新材料新技术［J］.广西大学学报，2005，25（1）：16－19.（HAN Sha，JIANG Lin-yu，YAN Li-e.The New Materials and Techniques about the Reinforcement of Tunnel Lining Engineering［J］.Journal of Guangxi University，2005，25（1）：16－19.（in Chinese））

［10］肖明清，孙文昊，韩向阳，等.盾构隧道管片上浮问题研究［J］.岩土力学，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） ）

（编辑：姜小兰）

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

孙 闯（1983－），男，辽宁阜新人，讲师，博士，主要从事岩土与地下工程方面的研究，（电话）18041800070（电子信箱）sunchuang88＠163.com。