软土地区盾构隧道横向变形特征研究

周 群，沈 玺，李筱旻

(上海地铁维护保障有限公司工务分公司 监护之眼青年技术工作室，上海 200070)

0 引 言

随着我国社会经济的飞跃发展，城市化进程不断加快，地下空间的开发利用逐渐提高[1]，与此同时，轨道交通也得到了进一步发展[2]。盾构法施工作为暗挖法的一种，因其安全性、技术性、效率性、经济性等特点受到广泛关注和采用。然而，在上海等软土地区，受上部荷载、周边施工[3-6]以及运营扰动等多因素复杂影响下，盾构隧道容易产生纵向沉降和横向变形[7]，其中横向变形又体现为竖向的管径压缩和水平向的收敛变形，尤其是过大的横向变形会引起结构渗漏水、螺栓失效、管片破损等严重病害[8-9]，极端情况下甚至导致隧道管片整体破坏。因此，如何有效地控制和整治软土地区盾构隧道结构横向变形成为工程中的研究热点之一。微扰动注浆技术是目前应用较为广泛的盾构隧道收敛整治和纠偏工艺技术，尤其在上海和江浙等软土地区，微扰动注浆技术效果显著、过程可控，通过在隧道两侧实施数排水泥、水玻璃双液浆的注入，来增强隧道周边土体的密实度和弹性模量等物理性能，增加土体侧向约束和抗力，减小隧道收敛变形，遏制隧道发生进一步横向形变，改善隧道的“椭圆度”。

针对盾构隧道的横向变形和微扰动注浆整治技术，众多学者已有了一定研究。王如路等[10]分析了软土地区盾构隧道的微扰动注浆技术，介绍了该技术在治理盾构隧道不均匀沉降和收敛变形方面的工程应用，为软土地区盾构隧道的整治提供了工程借鉴。黄亚德等[11]通过使用激光测距仪对注浆过程中的隧道收敛情况进行实时监测，并量化跟踪了注浆后的隧道变形。张冬梅等[12]提出了采用注浆引起的土体体积应变模拟隧道注浆效果的方法，并利用上海地铁隧道注浆加固实践验证了该方法的合理性。

以上研究和应用取得了一定成果和工程借鉴意义，但主要侧重于微扰动注浆技术的应用，均未对盾构隧道横向变形特征进行详细分析研究，尤其是隧道横向收敛变形的减小引起垂直位移和竖向变形。在众多微扰动注浆工程案例中，软土地区微扰动注浆在整治盾构隧道横向收敛变形的同时会引发隧道竖径和垂直位移变化的现象，由此可见，隧道水平直径变化和竖向直径变化、垂直位移之间的内在关系不可忽视。而在注浆参数一致，平、剖面相对位置关系一致的情况下，盾构隧道的横向收敛与垂直位移呈现出较大差异化，隧道出现或沉或抬的现象，变形差异化的主要原因涉及一系列客观条件，如土层的成层性、土体的物理性质差异化等。但是，就单一结构整体而言，隧道横向水平直径、竖向直径、垂直位移的变形规律从理论上应有迹可循。这将是后续在不同客观因素下，研究分析不同参数对隧道横向水平直径、竖向直径、垂直位移的变形规律的前提条件。

考虑到研究问题的复杂性，本文仅针对软土地区，基于微扰动注浆引起的盾构隧道横向变形特征，即横向水平直径与竖向直径进行对比分析，研究两者变化量之间的相对关系。拟结合实际工程案例，详述微扰动注浆技术以及分析其在软土地区整治盾构隧道横向收敛变形的应用效果，并用实测数据对研究成果进行验证，同时着重分析盾构隧道竖向直径变化和横向收敛变化的内在关系，探索可以准确描述其关系的理论方法，以揭示出隧道横向变形特征和规律。

1 微扰动注浆及监测技术

1.1 微扰动注浆

(1)钻孔定位

首先在获取隧道准确位置的基础上，对注浆孔要进行精确定位，确保隧道安全，并使注浆达到理想效果，位置确定后进行钻孔埋管。

(2)注浆施工

根据注浆的效果，调整施工顺序。注浆顺序,同一排内按照做一跳五施工，相邻孔注浆时间间隔不少于2 d，并根据监测情况即时调整，由收敛变形最大点向两端进行，每次施工具体注浆孔位根据变形监测数据在施工前确定。注浆期间为了防止过度注浆引起的二次损伤，一般确定注浆范围内的隧道收敛大于3 mm时需要实时报警，大于5 mm则需要停止该孔的注浆。

为此，整个注浆整治期间的监测需要有很高的实时性和准确性，这就要求沉降和收敛监测均采用自动化方式进行，频率要求大于5 min/次。

1.2 监测技术

微扰动注浆对单圆隧道结构影响主要包括管径收敛变形监测、纵向垂直位移变形以及单侧注浆时容易引起的隧道水平位移。为了实时监控注浆期间隧道结构的变形情况，并为了防止过度注浆而给隧道带来的二次损伤，基本采取以自动化监测为主，人工测量为辅的方式进行监测，即自动化实时提供隧道变形数据来指导注浆施工，而人工只有在有隧道施工窗口期的情况下才进行测量，并与自动化数据进行对比校核。

隧道整治自动化监测系统通过互联网等通信技术把所有的传感器、采集器等联系在一起，实现远程管理控制和智能化的网络。该系统还将所有的监测数据经过处理后实时发布。整治过程中所有自动化数据通过网页形式发布。在过程中也可以随时查询实时的数据和曲线，包括累计变化量、本次变化量等，还可以对监测频率进行调整。针对隧道整治过程中的特殊要求，系统可以做到简便地查看注浆前后的隧道变形量，并当该变形量超过预定值时及时进行软件报警和短消息报警。

2 隧道横向变形规律

针对微扰动注浆技术在整治隧道横向收敛变形时，不可避免地引起隧道竖向直径的变化，建立模型1、模型2，以便更好地研究盾构隧道水平、竖向直径的变化关系和规律。

2.1 模型1

基本假设：盾构隧道发生“椭圆”横向变形且变形前后周长近似不变；隧道拱底块因道床的加固作用未发生变形。

若隧道管片变形前某一环管片长短半径为a、b(见图1)，变形后长短半径分别为：

a1=a+Δa

(1)

b1=b+Δb

(2)

而椭圆近似周长为:L=2πb+4(a-b)

(3)

则有关系式：2πb+4(a-b)=2πb1+4(a1-b1)

(4)

将式(1)和式(2)式代入式(4)中得:

(5)

式(5)表示当隧道横向长半轴变化的时候会引起竖向短半轴变化，即盾构隧道水平、竖向直径的变化量关系。

由式(5)可知，盾构隧道竖向直径变化量大于水平直径变化量，前者约是后者的1.75倍，且两者呈现负线性相关关系。

图1 隧道示意图

2.2 模型2

同时，王如路等[13]利用隧道结构变形发展过程中的结构几何特征，建立了隧道变形量发展的几何简易分析方法。其基本假设：盾构隧道管片为刚体；横向变形过程中仅发生管片之间的相对转动和平动，变形后隧道仍为左右对称的六边形；隧道拱底块保持不动。

再采用其提出的关系表达式进行对比分析，以期寻找有更符合工程实际的关系式或理论，更好、更准确地建立盾构隧道横、竖向直径的变化关系。

l=4.801 6×sin[arccos(A/6.314 1)+ arccos(1.642 9/A)-83.788 4°]+4.148 6

(6)

其中，A=(31.574 4-10.747 4d+d2)1/2；d为隧道封顶块发生的竖向位移，即隧道竖向直径的变化量，而该变化量是指当前的隧道竖向直径与初始状态(未发生任何横向变形的“正圆”状态)的竖向直径之差。

同时，为便于计算和应用，王如路[13]给出了式(6)简化的拟合公式(R2=0.999)：

l≈1.117d+5.506

(7)

将式(7)稍作变换，得：

Δd≈-0.895Δl

(8)

3 案例分析

3.1 项目概况

上海某地块基坑临近地铁M号线盾构隧道，其中，基坑深度约3～6 m，隧道内径5.5 m，外径6.2 m，顶埋深7～14 m，要求基坑挖深不大于下方地铁隧道覆土深度，且覆土不小于5 m。

受前期施工影响，地铁隧道上下行线部分区间隧道管径收敛累计变形超过控制值10 mm，为控制隧道结构变形和保障地铁运营安全，需对项目对应范围内区间隧道进行逐环微扰动注浆加固施工，注浆范围为上行线S40-S160环，下行线X40-X164环，微扰动注浆剖面图(见图2)。

图2 注浆剖面图

3.2 监测内容

在微扰动注浆期间，主要监测内容包括盾构隧道结构沉降以及横向收敛变形。

3.3 监测范围

依据相关技术要求及微扰动注浆范围综合确定本项目监测范围。M号线隧道沉降及收敛监测范围为：上行线S38-S163环；下行线S38-S168环。

3.4 监测结果

微扰动注浆的隧道变形监测结果(见图3)，在微扰动注浆施工期间，盾构隧道的横向收敛变形得到有效改善，上行最大收敛变化量-34.65 mm，平均变化量-22.35 mm；下行最大收敛变化量-24.15 mm，平均变化量-11.42 mm。微扰动注浆效果明显，可以很好地整治软土地区盾构隧道的横向变形。同时，在注浆的过程中，隧道也发生了不同程度的垂直位移，主要表现为抬升变形，上行最大抬升量19.85 mm，下行最大抬升量11.32 mm。由此可知，盾构隧道横向收敛变形整治的同时伴随着垂直位移的发生。

图3 微扰动注浆期间隧道变形曲线

相关工程实例和研究表明，在微扰动注浆施工期间，盾构隧道会伴有垂直位移的竖向变形发生，其原因主要为：(1)微扰动注浆技术在垂直方向上往往是自下而上进行提升注浆，并且注浆范围主要位于隧道的中下部分，注浆过程中容易对隧道产生一个向上的作用力，从而导致隧道抬升；(2)微扰动注浆技术的主要目的是整治盾构隧道的横向收敛变形，改善其“椭圆度”，减小水平直径。但在此过程中也会引发隧道横向形状的变化，隧道竖向直径有所增加，同时进一步引起道床的垂直位移，即隧道的垂直位移。

3.5 模型验证

在实际工程的监护监测中，隧道横向水平直径的变化主要体现于横向收敛变形的监测，而由于道床因素，竖向直径无法直接测量得到，只能以隧道顶部至道床的垂直距离作为测量目标。在微扰动注浆整治过程中，同时监测盾构隧道的水平直径和隧道顶部至道床的垂直距离以及它们的变化量。并选取两个典型隧道断面进行分析研究。

分别将式(5)和式(8)与实际工程的监测数据进行对比(见图4)。

图4 横向变形规律

由对比结果可知，式(5)与实测数据拟合度较差，式(5)的计算结果偏大，与实测数据存在一定误差，误差率已超过50%。分析其原因，主要有：(1)盾构隧道的椭圆假设与实际不符；(2)隧道底部未发生变形并不正确；(3)盾构隧道因拼接缝的原因存在管片的平动和转动，不完全符合变形协调条件。

而式(8)具有更好的拟合度(R2=0.81，图中黑虚线方程为Δd≈-0.895Δl±6)，能够更为准确、更直接地反映微扰动注浆期间隧道水平、竖向直径变化量之间的关系。而造成理论与实测数据的差异因素为：(1)监测本身存在一定误差；(2)隧道采用的是两侧非对称微扰动注浆；(3)隧道各环自身的绝对变形有差异；(4)微扰动注浆工艺尚且无法做到每孔完全一致。

并由监测数据和式(8)可进一步得到：(1)在微扰动注浆期间，盾构隧道的水平直径减小，竖向直径增大，两者基本呈现负线性相关关系，与前文所述一致；(2)在横向变形整治过程中，盾构隧道水平直径的变化量略大于竖向直径的变化量，前者约后者的1.117倍；(3)由理论与实际对比可知，式(6)—(8)能够较好描述盾构隧道横向变形特征，可为后续工程的应用和分析提供依据和方法。

4 结论与展望

结合实际工程案例，详述了微扰动注浆技术以及其应用效果，并研究分析了盾构隧道横向变形特征和规律，得到以下结论：

(1)微扰动注浆可以有效整治软土地区盾构隧道的横向收敛变形，且整治效果明显；

(2)在微扰动注浆整治过程中，盾构隧道的水平直径减小，竖向直径增大，前者的变化量略大于后者，两者基本呈现负线性相关关系；

(3)几何简易分析方法可以较好地反映和描述盾构隧道的横向变形特征，可以为今后的研究分析提供理论依据；

(4)本文从隧道沉降和收敛的监测来分析微扰动注浆对于盾构隧道结构的影响，但未对隧道水平直径变化和竖向直径变化、垂直位移之间的内在关系进行探索，也未针对微扰动注浆对盾构隧道管片和周边土体的变形进行精细化监测和研究分析，更未对隧道整治变形量和注浆参数之间建立起联系。因此，工作室后期将结合实际工程案例，利用微扰动注浆技术整治受邻近施工扰动的地铁隧道，并实时跟踪监测注浆过程的隧道结构变形和周边土体影响情况以及注浆技术的工艺参数，并对典型隧道断面数据进行深入分析研究。