基于理论预测模型的盾构同步注浆数字化施工

李 健 王颖轶 卫俊杰

1. 中铁十九局集团轨道交通工程有限公司 北京 101399；2. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 上海 200240

强渗透富水地层盾构隧道施工过程中，由于土体的稳定性差，盾尾脱出后环状空隙周边土体极易产生局部坍落，使同步注浆效果难以计算和预测。同时，地下水渗流和对浆液的稀释作用增加了浆液渗透扩散的不确定性和施工质量控制的难度，致使隧道结构局部挤压、错台甚至管片破裂等严重质量事故问题频发。人们结合工程建设需要，围绕注浆渗透压力、扩散模式、管片受力、隧道结构上浮及控制等进行了大量有价值的研究[1-3]，但由于工程地质因素和施工条件的复杂性，研究结果难以满足工程实际要求。近20年来，人们将数字化施工方法应用于盾构隧道工程，以现场监测为主要技术手段，融合模型试验、数值模拟等方法，逐步建立了类似于山岭隧道信息化施工的监测数据反馈控制盾构施工质量的盾构隧道信息化施工方法，一定程度上缓解了施工参数非确定性带来的施工安全隐患[4-9]。但迄今的盾构隧道数字化施工方法存在以下不足：施工前初始施工参数选取缺乏理论依据和科学预测方法；盾构机本体占据了新拼装隧道80～120 m的轴向空间，实际工程中，隧道内不具备及时进行底部上浮、净空收敛、壁后充填状态等参数实时监测的条件，无法实施管环拼装完成后施工质量控制效果的及时监测和常规意义下的快速反馈施工。

本研究在建立盾构同步注浆参数及其作用效果理论预测方法的基础上，融合试推检验和盾构姿态数据、第三方位移监测数据反馈优化方法，建立适应工程特点的盾构隧道数字化施工及安全控制方法。采用事前理论预测有效避免单纯工程类比法存在的安全风险，采用试验检验确保初选施工方法和参数的适用性。同时，融合盾构姿态数据和扰动位移第三方监测结果反馈优化后续施工方法和参数，最大限度减少工程监测检测工作量，有效降低工程成本。

1 数字化施工架构及流程

根据盾构隧道施工技术环节和工艺特点，数字化施工系统由工程设计和技术指标解读、注浆渗透理论预测模型、同步注浆初始参数比选与优化、原位试验、基于试验结果的参数合理性评价、融合第三方检测数据的后续工序快速反馈优化等模块和技术环节组成。数字化施工架构及其逻辑关系如图1所示。

图1 数字化施工技术架构及其逻辑关系概图

如图1所示，根据已知工程地质条件及盾构隧道设计技术资料，设定施工计划、确定施工指标体系，初选同步注浆方法和参数并预测注浆作用效果。同时，考虑盾构同步注浆渗透特性及其作用效果的不确定性问题，随施工过程设置管片受力、隧道结构收敛位移、同步注浆浆液扩散及注浆充填效果、环境变化等监测，获得实时多源监测数据。进行系统性反馈分析和后续工艺、参数的合理性评价，并通过对后续工程及区域地质参数的差异性评价，优化完善后续施工方案及同步注浆参数。实现盾构隧道工程设计、理论预测、施工、监测反馈、后续工序优化、风险预控等闭环施工管理。

根据本文数字化施工原理和技术特点，施工工艺流程包括主体技术环节控制下的宏观工艺流程以及关键技术环节内的具体实施流程。

1）数字化施工方法涵盖盾构隧道同步注浆的设计、参数选择、施工、实时监测、数据反馈分析、施工方法和参数合理性分析与优化全过程。从宏观层面上构建施工方案初步比选、监测反馈分析、扰动位移时空效应分析、施工方法及参数动态优化、三维可视化管理一体化闭环预控施工方法。

2）在施工方案及其参数初步比选阶段，通过非牛顿流体在土体中的渗透特性的理论研究成果，初选同步注浆方法和参数并预测注浆作用效果，使施工组织设计方案更加科学和精准。

3）管片安装前，选择典型位置管片预先安装高精度压力传感器，获得注浆施工过程浆液及土体对隧道结构的作用力。管片拼装完成后，安装隧道结构收敛位移实时监测系统，获得施工过程隧道收敛位移的实时信息。同步注浆浆液凝固后，采用全波场等无损检测方法，沿隧道轴向典型位置设置测线进行检测，获得浆液渗透距离、环形间隙充填状态信息。

4）根据实测获得的多源数据（充填状态、浆液渗透状态、管片受力分布状态、隧道结构收敛位移及其空间分布状态），结合设计要求的技术指标、施工参数，设定目标控制函数，采用Nelder-Mead算法，对目标函数进行优化计算，取得更加符合工程实际的优化施工方案和技术参数。

5）实现基于理论预测、监测检测反馈分析、分时段工艺及参数优化的闭环反馈数字化微扰动同步注浆施工。

2 关键理论与技术方法

2.1 注浆渗透预测模型和方法

将同步注浆浆液视为非牛顿流体，根据非牛顿流体在土体中的渗透特性，对隧道任意断面，沿任意θ方向取单位横断面积的表征流体柱状结构，柱状结构模型反映了土体空隙状态分布、注浆浆液渗透等共同性能。假设：

① 模型结构中存在n组渗流孔隙通道，其渗透流动特性可简化为等效的单个渗流柱状单元。

② 浆液在柱状结构模型中的塑性黏度、屈服应力不受地层及施工因素影响。

③ 浆液与土体之间的剪应力均匀分布。

④ 注浆影响区域内土体可处理为各向同性介质。

沿隧道径向取一维局部坐标S，建立同步注浆浆液渗透量计算模型如图2[10]所示。

图2 渗透注浆量计算模型

图2中，How为地下水位与隧道轴心的高差，Pw(θ)为微元体所受的地下水压力。

假定沿隧道轴向注浆渗透作用及浆液分布状态相同，取单位长度隧道为研究对象。过隧道轴心取极坐标（ρ,θ）。同时，dθ为简便起见对应于的虚拟渗流柱状结构取一维动态坐标S。

隧道断面内任意方向浆液渗透距离的理论解如式（1）所示[10]。

根据式（1），可以方便地分别计算出不同孔隙比土体、不同黏稠度浆液、不同注浆压力等条件下浆液渗透扩散距离，预测相应模拟计算条件下浆液充填状态、扰动范围及可能带来的环境影响。

2.2 监测与反馈优化

考虑到盾构管片壁后受力监测难度较大、实施成本较高，本研究采用基于工程地质及水文地质条件的差异性选择试验段设置监测，以地层工程地质和水文地质条件相近时（差异性影响可以忽略不计），选取1个试验段布置监测即可。当后续工程及区域工程地质参数差异性不能忽略时，重新考虑设置必要的监测以获得可靠的数据。监测数据序列包括2个方面：隧道管片壁后受力、底板竖向位移、净空收敛和充填状态等隧道结构风险控制参数；盾构姿态和同步注浆压力等施工参数。前者通过设置实时监测获得，后者主要通过盾构及数据系统自动读取。

对非线性反馈分析中的误差泛函求解极小化问题，为了保证问题的收敛或求解过程稳定，以及提高收敛速度，需对迭代步长和方向作出引导，称优化。非线性优化算法本身无法判断此极小是否就是反问题的解，但却能提供逼近真实值的解答。通常，优化反演问题可表示为式（2）：

即在一定的约束条件下，求解目标函数最小值的问题，式中，X＝[x1x2…xm]T，hi(X)和gj(X)分别是第i个等式和第j个不等式约束条件，m为待反演的参数个数。

对于盾构隧道施工控制问题，实质是在技术标准和规范指标约束条件下的施工参数反演优化问题。如上所述，本文将盾构施工划分为初期试验阶段和后续推进阶段，分别采用差异性监测反馈控制方法：试验阶段采用隧道上浮位移、净空收敛作为控制性指标体系，融合盾构姿态数据和同步注浆充填效果无损检测数据实现数字化施工；后续推进阶段在场地无明显差异性条件下，采用隧道上浮位移、净空收敛和盾构姿态数据作为控制性指标，实时正常推进状态下的数字化施工。取指标体系容许值分别为{[Ud],[Us], [Vij], [P(X)]}（分别为底板竖向位移、隧道净空收敛、盾构姿态偏差、充填状态概率密度等容许值）。对应于任意时间tk，定义相应指标的偏差函数为式（3）：

当任意点监测值大于容许值时，控制系统自动给出预警提示。当各监测值小于相应指标容许值时，各力学参数取值在允许范围内，采用线性规划法优化施工参数（同步注浆压力、注浆量、盾构推进速度等），即〔式（5）〕：

2.3 施工控制流程

综上所述，基于理论预测模型的同步注浆数字化施工方法的核心是在盾构隧道施工设计初步方案的基础上，形成以理论预测、原位监测反馈、基于监测结果的同步注浆方法和技术参数比选优化、后续施工效果的预测、三维实时可视化管理，施工方法和参数优化等一体化闭环控制数字化同步注浆施工方法。根据上述数字化施工总体流程图及相关子系统实施流程，实施过程中具体施工控制流程如图3所示。

图3 施工控制流程示意

3 工程示范应用

3.1 工程概况

结合南通地铁1号线工程，将研究成果示范性应用于盘香路—太平路站区间隧道，隧道区间长798.7 m，区段隧道左右线采用盾构法施工，线间距为17 m。工程区域20.0 m深度范围内的土层分布为②粉砂夹黏质粉土、③1粉砂夹砂质粉土、③2粉砂、④1淤泥质粉质黏土、④2粉质黏土夹粉砂、⑤1粉砂夹粉质黏土、⑥粉砂，地质及水文地质复杂。

盾构隧道基本参数和同步注浆浆液的技术性能指标如下：盾构隧道区间埋深15.8～20.6 m，盾构外径6 000 mm，管片厚度350 mm，管片宽度1 200 mm，同步注浆液密度≥18 kN/m3、泌水率≤5%、坍落度12～16 cm、20 h屈服强度0.8 kPa、7 d抗压强度150 kPa、28 d抗压强度1 000 kPa。

3.2 同步注浆参数的比选

根据工程经验，依托工程的地质条件和隧道埋深，合理的注浆压力范围为200～600 kPa。取注浆压力200、300、400、500、600 kPa，利用式（1）计算获得对应注浆压力条件下浆液渗透扩散距离沿隧道断面分布并作压力参数合理性分析如图4所示。

图4 不同注浆压力条件下浆液在隧道断面分布状态

图4中横坐标为隧道断面方位角，0位于隧道底部铅锤方向并以逆时针方向为正。自下而上曲线分别对应200～600 kPa注浆压力条件下浆液扩散范围。结果可见，任意注浆压力条件下，浆液渗透扩散距离的最大值位移隧道底部、最小值位于隧道顶部。对于本工程案例而言，当注浆压力为200 kPa时，隧道顶部浆液渗透距离约为1 m（图中黑色圆点对应值），如果存在其他不确定因素影响，注浆充填状态将存在不密实或脱空风险；当注浆压力等于600 kPa时，隧道底部浆液扩散距离将达到21.47 m（图中红色圆点对应值），将造成浆液浪费和隧道底部上浮位移增大。隧道断面内，合理的浆液渗透扩散范围如图4中的灰色阴影区域所示。

因此，对于本工程而言，合理的注浆压力应控制在200～400 kPa范围内，以确保隧道顶部不产生脱空又能有效控制注浆量。

3.3 注浆效果监测与评价

3.3.1 隧道结构收敛位移监测

试验段隧道内部设置底板上浮及净空收敛多点高精度激光监测。具体为：盾构出洞后，设置1个监测试验段，此后每个工程地质和水文地质参数差异显著的区间分别设置1个监测区间；监测区间内每管环设置1个监测断面，断面内测点可采用顶部和两帮布置（图5）。

图5 隧道变形监测点布置示意

3.3.2 同步注浆浆液渗透及分布状态检测

为了检验初始注浆参数取值的合理性，盾构推进及注浆过程，沿隧道盾构隧道断面每30°方位设置物理探测（探地雷达或超声波或全波场）测线，实时探测注浆浆液的渗透状态（渗流特性、渗透深度、加固区域空间分布等）。测区及测线布置如图6所示。

图6 注浆状态检测示例

3.3.3 基于监测结果的参数调整与优化

因工程试验段紧靠盾构工作井，为避免渗漏浆及加固体失稳风险，采用初步注浆压力60 kPa。随盾构推进，实测获得隧道底部上浮位移和净空收敛位移如图7所示。

图7位移监测结果显示，设定的注浆压力和施工条件下，隧道净空收敛控制在5.48～5.51 mm范围内；隧道底板上浮位移在12.80～14.00 mm之间。仅从隧道结构位移控制效果看，60 kPa的同步注浆压力总体可行。

图7 注浆作用下测点位移分布

为考察隧道管片壁后注浆充填状态，取3号测线全波场无损探测结果如图8所示。

图8 基于波形特征的充填程度及其空间定位

图8结果显示，隧道顶部一定程度上存在充填不密实状态和局部脱空的现象，对隧道结构的后期稳定性存在风险隐患。

3.4 基于监测结果的注浆参数调整

根据图8所示的隧道同步注浆充填状态判断，60 kPa的注浆压力无法保证隧道注浆充填效果。同时，考虑图4所示理论预测的合理注浆压力范围，对试验段后续隧道同步注浆压力作相应优化调整，如图9所示。

图9 盾构施工同步注浆压力调整

图中，1—32环为试验段，33—40环为注浆压力调整段，40环以后为注浆压力调整后正常施工段。灰色阴影部分为按图4所示理论计算合理压力范围。调整后的同步注浆压力至280 kPa左右（图中点线所示的管片环号40—100环）。参数调整后第三方监测结果显示，隧道底板上浮小于15 mm、收敛小于6 mm、相应注浆量约为140%，取得了良好的壁后充填和扰动位移控制效果。

4 结语

本文融合试推检验和盾构姿态数据、第三方位移监测数据反馈优化方法，建立适应工程特点的盾构隧道数字化施工及安全控制方法并在南通地铁工程中示范应用，取得良好的技术效果。

1）采用事前理论预测可在工程技术指标控制下，计算获得盾构同步注浆初始参数，有效避免单纯工程类比法存在的安全风险。

2）考虑盾构隧道施工过程无法及时设计结构变形监测的特点，采用设置试验段的方法，确保初选施工方法和参数的适用性。

3）工程实践表明，对于一定的浆液参数和工程条件下，注浆压力存在对应的合理取值区间，小于该区间的注浆压力将存在盾尾环状空隙充填缺陷和隧道长期稳定的风险隐患；大于该区间注浆压力太多容易诱发地面冒浆和周边环境的损害。

4）本文建立的基于理论预测模型、现场试推并融合工程类比的数字化施工方法，可获得较高精度的初始施工参数，有效把控施工参数的适用性，并依据工程及地质条件差异性的类比有效预控后续工序的技术风险。