基于理論預測模型的盾構同步注漿數字化施工

李 健 王穎軼 衛俊杰

1. 中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司 北京 101399；2. 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院 上海 200240

強滲透富水地層盾構隧道施工過程中，由于土體的穩定性差，盾尾脫出后環狀空隙周邊土體極易產生局部坍落，使同步注漿效果難以計算和預測。同時，地下水滲流和對漿液的稀釋作用增加了漿液滲透擴散的不確定性和施工質量控制的難度，致使隧道結構局部擠壓、錯臺甚至管片破裂等嚴重質量事故問題頻發。人們結合工程建設需要，圍繞注漿滲透壓力、擴散模式、管片受力、隧道結構上浮及控制等進行了大量有價值的研究[1-3]，但由于工程地質因素和施工條件的復雜性，研究結果難以滿足工程實際要求。近20年來，人們將數字化施工方法應用于盾構隧道工程，以現場監測為主要技術手段，融合模型試驗、數值模擬等方法，逐步建立了類似于山嶺隧道信息化施工的監測數據反饋控制盾構施工質量的盾構隧道信息化施工方法，一定程度上緩解了施工參數非確定性帶來的施工安全隱患[4-9]。但迄今的盾構隧道數字化施工方法存在以下不足：施工前初始施工參數選取缺乏理論依據和科學預測方法；盾構機本體占據了新拼裝隧道80～120 m的軸向空間，實際工程中，隧道內不具備及時進行底部上浮、凈空收斂、壁后充填狀態等參數實時監測的條件，無法實施管環拼裝完成后施工質量控制效果的及時監測和常規意義下的快速反饋施工。

本研究在建立盾構同步注漿參數及其作用效果理論預測方法的基礎上，融合試推檢驗和盾構姿態數據、第三方位移監測數據反饋優化方法，建立適應工程特點的盾構隧道數字化施工及安全控制方法。采用事前理論預測有效避免單純工程類比法存在的安全風險，采用試驗檢驗確保初選施工方法和參數的適用性。同時，融合盾構姿態數據和擾動位移第三方監測結果反饋優化后續施工方法和參數，最大限度減少工程監測檢測工作量，有效降低工程成本。

1 數字化施工架構及流程

根據盾構隧道施工技術環節和工藝特點，數字化施工系統由工程設計和技術指標解讀、注漿滲透理論預測模型、同步注漿初始參數比選與優化、原位試驗、基于試驗結果的參數合理性評價、融合第三方檢測數據的后續工序快速反饋優化等模塊和技術環節組成。數字化施工架構及其邏輯關系如圖1所示。

圖1 數字化施工技術架構及其邏輯關系概圖

如圖1所示，根據已知工程地質條件及盾構隧道設計技術資料，設定施工計劃、確定施工指標體系，初選同步注漿方法和參數并預測注漿作用效果。同時，考慮盾構同步注漿滲透特性及其作用效果的不確定性問題，隨施工過程設置管片受力、隧道結構收斂位移、同步注漿漿液擴散及注漿充填效果、環境變化等監測，獲得實時多源監測數據。進行系統性反饋分析和后續工藝、參數的合理性評價，并通過對后續工程及區域地質參數的差異性評價，優化完善后續施工方案及同步注漿參數。實現盾構隧道工程設計、理論預測、施工、監測反饋、后續工序優化、風險預控等閉環施工管理。

根據本文數字化施工原理和技術特點，施工工藝流程包括主體技術環節控制下的宏觀工藝流程以及關鍵技術環節內的具體實施流程。

1）數字化施工方法涵蓋盾構隧道同步注漿的設計、參數選擇、施工、實時監測、數據反饋分析、施工方法和參數合理性分析與優化全過程。從宏觀層面上構建施工方案初步比選、監測反饋分析、擾動位移時空效應分析、施工方法及參數動態優化、三維可視化管理一體化閉環預控施工方法。

2）在施工方案及其參數初步比選階段，通過非牛頓流體在土體中的滲透特性的理論研究成果，初選同步注漿方法和參數并預測注漿作用效果，使施工組織設計方案更加科學和精準。

3）管片安裝前，選擇典型位置管片預先安裝高精度壓力傳感器，獲得注漿施工過程漿液及土體對隧道結構的作用力。管片拼裝完成后，安裝隧道結構收斂位移實時監測系統，獲得施工過程隧道收斂位移的實時信息。同步注漿漿液凝固后，采用全波場等無損檢測方法，沿隧道軸向典型位置設置測線進行檢測，獲得漿液滲透距離、環形間隙充填狀態信息。

4）根據實測獲得的多源數據（充填狀態、漿液滲透狀態、管片受力分布狀態、隧道結構收斂位移及其空間分布狀態），結合設計要求的技術指標、施工參數，設定目標控制函數，采用Nelder-Mead算法，對目標函數進行優化計算，取得更加符合工程實際的優化施工方案和技術參數。

5）實現基于理論預測、監測檢測反饋分析、分時段工藝及參數優化的閉環反饋數字化微擾動同步注漿施工。

2 關鍵理論與技術方法

2.1 注漿滲透預測模型和方法

將同步注漿漿液視為非牛頓流體，根據非牛頓流體在土體中的滲透特性，對隧道任意斷面，沿任意θ方向取單位橫斷面積的表征流體柱狀結構，柱狀結構模型反映了土體空隙狀態分布、注漿漿液滲透等共同性能。假設：

① 模型結構中存在n組滲流孔隙通道，其滲透流動特性可簡化為等效的單個滲流柱狀單元。

② 漿液在柱狀結構模型中的塑性黏度、屈服應力不受地層及施工因素影響。

③ 漿液與土體之間的剪應力均勻分布。

④ 注漿影響區域內土體可處理為各向同性介質。

沿隧道徑向取一維局部坐標S，建立同步注漿漿液滲透量計算模型如圖2[10]所示。

圖2 滲透注漿量計算模型

圖2中，How為地下水位與隧道軸心的高差，Pw(θ)為微元體所受的地下水壓力。

假定沿隧道軸向注漿滲透作用及漿液分布狀態相同，取單位長度隧道為研究對象。過隧道軸心取極坐標（ρ,θ）。同時，dθ為簡便起見對應于的虛擬滲流柱狀結構取一維動態坐標S。

隧道斷面內任意方向漿液滲透距離的理論解如式（1）所示[10]。

根據式（1），可以方便地分別計算出不同孔隙比土體、不同黏稠度漿液、不同注漿壓力等條件下漿液滲透擴散距離，預測相應模擬計算條件下漿液充填狀態、擾動范圍及可能帶來的環境影響。

2.2 監測與反饋優化

考慮到盾構管片壁后受力監測難度較大、實施成本較高，本研究采用基于工程地質及水文地質條件的差異性選擇試驗段設置監測，以地層工程地質和水文地質條件相近時（差異性影響可以忽略不計），選取1個試驗段布置監測即可。當后續工程及區域工程地質參數差異性不能忽略時，重新考慮設置必要的監測以獲得可靠的數據。監測數據序列包括2個方面：隧道管片壁后受力、底板豎向位移、凈空收斂和充填狀態等隧道結構風險控制參數；盾構姿態和同步注漿壓力等施工參數。前者通過設置實時監測獲得，后者主要通過盾構及數據系統自動讀取。

對非線性反饋分析中的誤差泛函求解極小化問題，為了保證問題的收斂或求解過程穩定，以及提高收斂速度，需對迭代步長和方向作出引導，稱優化。非線性優化算法本身無法判斷此極小是否就是反問題的解，但卻能提供逼近真實值的解答。通常，優化反演問題可表示為式（2）：

即在一定的約束條件下，求解目標函數最小值的問題，式中，X＝[x1x2…xm]T，hi(X)和gj(X)分別是第i個等式和第j個不等式約束條件，m為待反演的參數個數。

對于盾構隧道施工控制問題，實質是在技術標準和規范指標約束條件下的施工參數反演優化問題。如上所述，本文將盾構施工劃分為初期試驗階段和后續推進階段，分別采用差異性監測反饋控制方法：試驗階段采用隧道上浮位移、凈空收斂作為控制性指標體系，融合盾構姿態數據和同步注漿充填效果無損檢測數據實現數字化施工；后續推進階段在場地無明顯差異性條件下，采用隧道上浮位移、凈空收斂和盾構姿態數據作為控制性指標，實時正常推進狀態下的數字化施工。取指標體系容許值分別為{[Ud],[Us], [Vij], [P(X)]}（分別為底板豎向位移、隧道凈空收斂、盾構姿態偏差、充填狀態概率密度等容許值）。對應于任意時間tk，定義相應指標的偏差函數為式（3）：

當任意點監測值大于容許值時，控制系統自動給出預警提示。當各監測值小于相應指標容許值時，各力學參數取值在允許范圍內，采用線性規劃法優化施工參數（同步注漿壓力、注漿量、盾構推進速度等），即〔式（5）〕：

2.3 施工控制流程

綜上所述，基于理論預測模型的同步注漿數字化施工方法的核心是在盾構隧道施工設計初步方案的基礎上，形成以理論預測、原位監測反饋、基于監測結果的同步注漿方法和技術參數比選優化、后續施工效果的預測、三維實時可視化管理，施工方法和參數優化等一體化閉環控制數字化同步注漿施工方法。根據上述數字化施工總體流程圖及相關子系統實施流程，實施過程中具體施工控制流程如圖3所示。

圖3 施工控制流程示意

3 工程示范應用

3.1 工程概況

結合南通地鐵1號線工程，將研究成果示范性應用于盤香路—太平路站區間隧道，隧道區間長798.7 m，區段隧道左右線采用盾構法施工，線間距為17 m。工程區域20.0 m深度范圍內的土層分布為②粉砂夾黏質粉土、③1粉砂夾砂質粉土、③2粉砂、④1淤泥質粉質黏土、④2粉質黏土夾粉砂、⑤1粉砂夾粉質黏土、⑥粉砂，地質及水文地質復雜。

盾構隧道基本參數和同步注漿漿液的技術性能指標如下：盾構隧道區間埋深15.8～20.6 m，盾構外徑6 000 mm，管片厚度350 mm，管片寬度1 200 mm，同步注漿液密度≥18 kN/m3、泌水率≤5%、坍落度12～16 cm、20 h屈服強度0.8 kPa、7 d抗壓強度150 kPa、28 d抗壓強度1 000 kPa。

3.2 同步注漿參數的比選

根據工程經驗，依托工程的地質條件和隧道埋深，合理的注漿壓力范圍為200～600 kPa。取注漿壓力200、300、400、500、600 kPa，利用式（1）計算獲得對應注漿壓力條件下漿液滲透擴散距離沿隧道斷面分布并作壓力參數合理性分析如圖4所示。

圖4 不同注漿壓力條件下漿液在隧道斷面分布狀態

圖4中橫坐標為隧道斷面方位角，0位于隧道底部鉛錘方向并以逆時針方向為正。自下而上曲線分別對應200～600 kPa注漿壓力條件下漿液擴散范圍。結果可見，任意注漿壓力條件下，漿液滲透擴散距離的最大值位移隧道底部、最小值位于隧道頂部。對于本工程案例而言，當注漿壓力為200 kPa時，隧道頂部漿液滲透距離約為1 m（圖中黑色圓點對應值），如果存在其他不確定因素影響，注漿充填狀態將存在不密實或脫空風險；當注漿壓力等于600 kPa時，隧道底部漿液擴散距離將達到21.47 m（圖中紅色圓點對應值），將造成漿液浪費和隧道底部上浮位移增大。隧道斷面內，合理的漿液滲透擴散范圍如圖4中的灰色陰影區域所示。

因此，對于本工程而言，合理的注漿壓力應控制在200～400 kPa范圍內，以確保隧道頂部不產生脫空又能有效控制注漿量。

3.3 注漿效果監測與評價

3.3.1 隧道結構收斂位移監測

試驗段隧道內部設置底板上浮及凈空收斂多點高精度激光監測。具體為：盾構出洞后，設置1個監測試驗段，此后每個工程地質和水文地質參數差異顯著的區間分別設置1個監測區間；監測區間內每管環設置1個監測斷面，斷面內測點可采用頂部和兩幫布置（圖5）。

圖5 隧道變形監測點布置示意

3.3.2 同步注漿漿液滲透及分布狀態檢測

為了檢驗初始注漿參數取值的合理性，盾構推進及注漿過程，沿隧道盾構隧道斷面每30°方位設置物理探測（探地雷達或超聲波或全波場）測線，實時探測注漿漿液的滲透狀態（滲流特性、滲透深度、加固區域空間分布等）。測區及測線布置如圖6所示。

圖6 注漿狀態檢測示例

3.3.3 基于監測結果的參數調整與優化

因工程試驗段緊靠盾構工作井，為避免滲漏漿及加固體失穩風險，采用初步注漿壓力60 kPa。隨盾構推進，實測獲得隧道底部上浮位移和凈空收斂位移如圖7所示。

圖7位移監測結果顯示，設定的注漿壓力和施工條件下，隧道凈空收斂控制在5.48～5.51 mm范圍內；隧道底板上浮位移在12.80～14.00 mm之間。僅從隧道結構位移控制效果看，60 kPa的同步注漿壓力總體可行。

圖7 注漿作用下測點位移分布

為考察隧道管片壁后注漿充填狀態，取3號測線全波場無損探測結果如圖8所示。

圖8 基于波形特征的充填程度及其空間定位

圖8結果顯示，隧道頂部一定程度上存在充填不密實狀態和局部脫空的現象，對隧道結構的后期穩定性存在風險隱患。

3.4 基于監測結果的注漿參數調整

根據圖8所示的隧道同步注漿充填狀態判斷，60 kPa的注漿壓力無法保證隧道注漿充填效果。同時，考慮圖4所示理論預測的合理注漿壓力范圍，對試驗段后續隧道同步注漿壓力作相應優化調整，如圖9所示。

圖9 盾構施工同步注漿壓力調整

圖中，1—32環為試驗段，33—40環為注漿壓力調整段，40環以后為注漿壓力調整后正常施工段。灰色陰影部分為按圖4所示理論計算合理壓力范圍。調整后的同步注漿壓力至280 kPa左右（圖中點線所示的管片環號40—100環）。參數調整后第三方監測結果顯示，隧道底板上浮小于15 mm、收斂小于6 mm、相應注漿量約為140%，取得了良好的壁后充填和擾動位移控制效果。

4 結語

本文融合試推檢驗和盾構姿態數據、第三方位移監測數據反饋優化方法，建立適應工程特點的盾構隧道數字化施工及安全控制方法并在南通地鐵工程中示范應用，取得良好的技術效果。

1）采用事前理論預測可在工程技術指標控制下，計算獲得盾構同步注漿初始參數，有效避免單純工程類比法存在的安全風險。

2）考慮盾構隧道施工過程無法及時設計結構變形監測的特點，采用設置試驗段的方法，確保初選施工方法和參數的適用性。

3）工程實踐表明，對于一定的漿液參數和工程條件下，注漿壓力存在對應的合理取值區間，小于該區間的注漿壓力將存在盾尾環狀空隙充填缺陷和隧道長期穩定的風險隱患；大于該區間注漿壓力太多容易誘發地面冒漿和周邊環境的損害。

4）本文建立的基于理論預測模型、現場試推并融合工程類比的數字化施工方法，可獲得較高精度的初始施工參數，有效把控施工參數的適用性，并依據工程及地質條件差異性的類比有效預控后續工序的技術風險。