盾構施工中非整環注漿對地表位移影響的研究

魏綱， 陳涵， 葉馨， 齊永潔

（1.浙大城市學院土木工程系，杭州 310015；2.浙江省城市盾構隧道安全建造與智能養護重點實驗室，杭州 310015；3.杭州交投二航院設計咨詢有限公司，杭州 310012；4.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058）

0 引言

在盾構隧道施工過程中，同步注漿不足極容易造成事故，導致地面沉降和管片位移，毀壞建筑物和生產設施，造成經濟損失與安全事故。分析盾構隧道施工中非整環注漿對地表位移的影響，進而選取適當的注漿參數（注漿壓力和注漿量）能有效填充管片與土體間的空隙，減少土地損失、地面沉降和管片位移，有效防止安全事故發生。因此對非整環注漿引起的土體位移展開研究具有重要意義。

現有注漿壓力引起的土體變形研究以數值模擬法為主，其次是理論計算法，現場實測研究較少。主要研究內容是注漿壓力對盾構隧道豎向、水平向位移和縱向變形規律的影響[1，2]，其中還有不少學者對隧道的注漿糾偏展開了研究[3，4]。此外，張冬梅等[5]通過體積膨脹模擬注漿效果并分析了注漿對隧道橫向變形的影響；齊永潔等[6，7]同樣以土體體積膨脹模擬注漿，從而推導了新建隧道環向半圓注漿環引起的土體豎向位移計算公式。利用體積膨脹來模擬注漿對周圍土體影響的方法早已提出[8]，但現有相關研究較少，且大多數研究均考慮注漿量充足形成壁后整環注漿環的情況，鮮有針對非整環注漿展開的工作。因此，有必要對非整環注漿引起的土體位移作進一步深入研究。

文中分析了盾構隧道施工中非整環注漿對土體位移的影響，用體積膨脹來模擬注漿效果，基于隨機介質理論推導了非整環注漿膨脹引起的土體位移計算公式，分析了不同隧道埋深、膨脹區半徑對地表位移的影響。

1 非整環注漿對土體變形影響的理論解研究

1.1 計算模型建立

文中主要考慮盾構隧道開挖過程中的土體損失及注漿作用。如圖1所示，新建隧道軸線平行于x軸，R為盾構半徑，H為隧道軸線埋深，L為半圓柱狀膨脹區長度，L1為盾構機主機長度，開挖面位于x=0處。

圖1 注漿影響作用計算模型

同步注漿是將漿液通過壓力泵注入管片背后的建筑空隙，漿液在壓力和自重作用下流向空隙各個部分并在一定時間內凝固，從而達到充填空隙，減小土體變形的目的。但若注漿量較少，那壁后漿液將無法形成一整個注漿環，而是在注漿點附近凝固，形成非整環注漿。常見的注漿孔布置為2孔、4孔和6孔，其中4孔布置較多。實際施工中注漿量一般為計算注漿量的130%～180%[9]，但即使是超量注漿，間隙充填率仍可能未達到100%，漿液不能完全填充間隙。研究認為由于注漿孔附近超出的注漿量的影響，漿液將集中在注漿孔附近，形成半圓柱形膨脹區，如圖2所示，圖中A1、B1、C1、D1為注漿孔的排序名稱。

圖2 四孔注漿示意圖

1.2 非整環注漿膨脹引起的土體位移計算方法

為了計算土體損失及注漿環膨脹所引起的周圍土體豎向位移，引入隨機介質理論及齊靜靜等[10]的研究成果，取土體中任一計算單元，體積為dξdζdη，單元埋深為η，該單元完全坍塌引起的上部任意一點（x，y，z）土體豎向位移值dU-z：

針對盾構開挖過程中產生的土體損失，文中根據齊靜靜等的方法，得到土體損失引起的豎向位移值S沉表示：

式中，a、b為變量（沿x軸）的積分上下限，c、d為變量（沿y軸）的積分上下限，e、f為變量（沿z軸）的積分上下限，下標1和2分別表示開挖面收斂前后，a1=-∞、f2=H+R；g為土體損失參數，有εs為土體損失百分率。

假定漿液膨脹區半徑為a，注漿膨脹區長度為L。基于式（1），對膨脹區范圍內進行積分，即可求得四點注漿引起的豎向位移值。在此基礎上，疊加土體損失引起的豎向位移值S沉，即可得到沿豎直方向總的土體位移S總：

式中，a、b為變量（沿x軸）的積分上下限，c、d為變量ξ（沿y軸）的積分上下限，e、f為變量（沿z軸）的積分上下限；3表示半圓柱形膨脹區范圍內的積分上下限，則不同注漿孔的坐標轉化和積分上下限計算公式如下：

1.3 算例分析

在建地鐵盾構隧道半徑R=3.1m，土體泊松比μ=0.3，隧道軸線埋深H=17m，取地面沉降槽寬度參數k0=0.7，土體損失百分率εs=0.45%，a值取0.42m。橫截面計算時取截面位置為x=-15m處；盾構機主機長度L1=9.17m，注漿長度L=2m，取常見的4個注漿孔布置做計算。

圖3、圖4所示分別為盾構隧道施工引起的橫向和縱向地表變形規律，3條曲線分別表示注漿引起的地表隆起、土體損失造成的地表沉降、兩者疊加的情況，圖中正值代表地表隆起，負值代表沉降。

圖3 標準工況下的地表變形規律（橫向）

圖4 標準工況下的地表變形規律（縱向）

由圖3、圖4可知，采用文中方法計算所得3種情況的橫向地表變形曲線均以隧道軸線為對稱分布，注漿引起地表隆起，土體損失引起地表沉降；由于注漿不足，在疊加土體損失因素后地表變形最終表現為沉降，橫向地表變形在距隧道軸線20m以內較為明顯，與實際經驗中地表變形數據規律相同；縱向地表沉降從開挖面前20m開始逐漸增大，一直增加至開挖面后30m達到穩定值，受到注漿段的影響，在開挖面前10m至開挖面后30m的范圍內地表沉降值有所減小。

2 單因素影響規律分析

在進行單因素影響規律分析時，以文中案例的隧道工況作為標準工況做計算。

2.1 隧道埋深H改變對地表變形的影響

取標準工況數據，為便于研究，現調整部分參數如下：分別取H=12、17、22m為研究工況，計算截面位置取x=-15m處，其他參數保持不變。

圖5～圖7分別為H=22m、H=17m、H=12m時僅考慮四點注漿引起的地表隆起規律情況，圖8為考慮注漿和土體損失時不同H工況下地表豎向位移對比情況。由圖可知：①A1點注漿引起的地表隆起與B1點引起的地表隆起成鏡像關系，C1點注漿引起的地表隆起與D1點引起的地表隆起成鏡像關系，各點的隆起最大值都在注漿位置，距中心點3m左右；②隨著隧道埋深減小，當H分別為22、17、12m時，注漿引起的地表隆起越來越大；③隧道埋深越淺，疊加土體損失后的最終地表沉降最大值增大越明顯，最大沉降量依次為1.1、1.31、1.73mm，但沉降影響范圍有所減小。因此在進行淺埋盾構隧道施工時，要注意控制隧道軸線及周圍的地表變形，埋深較深時也不能忽視地表變形。

圖5 H=22m時四點注漿引起的地表隆起規律

圖6 H=17m時四點注漿引起的地表隆起規律

圖7 H=12m時四點注漿引起的地表隆起規律

圖8 考慮土體損失時不同H時的地表變形規律

2.2 膨脹區半徑a改變對地表變形的影響

取標準工況數據，為便于研究，現調整部分參數如下：分別取a=0.32、0.42、0.52m為研究工況，a從小到大數據變化體現的是注漿量的逐漸增大。計算截面位置取x=-15m處。

圖9～圖11分別為a=0.32m、a=0.42m、a=0.52m時僅考慮四點注漿引起的地表隆起規律情況，圖12為疊加土體損失后不同a工況下地表最終豎向位移對比情況。由圖9可知：①A1點注漿引起的地表隆起與B1點引起的地表隆起成鏡像關系，C1點注漿引起的地表隆起與D1點引起的地表隆起成鏡像關系，各點的隆起最大值都在注漿位置，距中心點3m左右；②考慮土體損失后，當a分別為0.32、0.42m時，最終地表沉降值逐漸減小，沉降曲線中心處開始向上凸起，當a為0.52時，注漿量充足且有余，因此在穿越中心6m以內有隆起，隆起最大值為0.43mm；③計算結果表明，隨著注漿膨脹區半徑值增大（即注漿量增大），注漿造成的地表隆起值會增大，但因為注漿逐漸有效填充間隙，最終的地表沉降最大值會逐漸減小。因此在實際施工中，通過合適的注漿可以減小最終的地表沉降值，但是如果注漿量過大也會導致地表隆起。

圖9 a=0.32m時四點注漿引起的地表隆起規律

圖10 a=0.42m時四點注漿引起的地表隆起規律

圖11 a=0.52m時四點注漿引起的地表隆起規律

圖12 考慮土體損失時不同a時的地表變形規律

3 結語

（1）盾構施工中非整環注漿引起的橫向地表變形曲線大致呈對稱分布，在距中心點20m以內變形明顯。縱向地表變形在不考慮土體損失情況下，大致以注漿位置為中心對稱。

（2）非整環注漿的計算中，對稱位置的注漿點所引起的地表位移曲線呈鏡像關系，各點的隆起最大值都在注漿位置，且大致呈對稱分布，這與工程經驗相符合。

（3）淺埋隧道在進行盾構施工時穿越中心的地表變形明顯；隨著注漿量的增大，注漿中心位置處的地表位移將由沉降變為隆起，所以實際施工過程中需要嚴格控制注漿量及注漿范圍。