克泥效工法對盾構隧道地表變形的作用規律研究

摘要：軟土地區盾構施工面臨著嚴峻的地表變形問題，克泥效工法輔助盾構施工是緩解地表變形的重要控制措施。為探究克泥效工法對盾構隧道地表變形的影響規律，依托蘇州軌道交通11號線玉-珠區間盾構工程，首先開展克泥效漿液壓縮試驗，得到漿液壓縮變形規律；然后建立克泥效工法下盾構隧道雙等代層有限元模型，模擬研究克泥效注漿工法對地表變形的影響規律。研究表明：克泥效漿液的壓縮變形曲線近似符合線性關系，克泥效漿液性能受B液添加率影響明顯，當B液添加率為4%時，克泥效漿液抵抗變形能力最強；建立的雙等代層模型能夠模擬克泥效工法對盾構隧道地表變形的影響特征，克泥效工法輔助盾構可減少約78%的地表最大沉降量；克泥效漿液填充率對地表沉降影響顯著，填充率約150%時，對地表沉降的控制效果相對最好。研究結果可為克泥效工法在類似盾構隧道工程中的應用提供參考。

關 鍵 詞：盾構隧道； 地表沉降； 克泥效工法； 漿液填充率； 雙等代層模型

中圖法分類號： U455 文獻標志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.020

0 引 言

盾構法是隧道施工最常用的方法，廣泛應用于城市地鐵、跨江越海通道等工程建設中［1-2］。在富水軟土地區，盾構法施工面臨的地表變形問題較為突出。如果盾構施工對上部地層擾動較大，可能影響隧道使用壽命和上部建筑物的安全，引起水下隧道滲水漏水等情況［3］，甚至會引發上部建筑物倒塌。為了降低盾構施工對地表變形的影響，常采用同步注漿、深孔注漿等輔助控制措施［4］。同步注漿時常采用水泥砂漿，但是水泥砂漿流動性差、易被水稀釋，凝固后流動性差，限制了其對地表變形的控制效果。用克泥效漿液替代水泥砂漿進行同步注漿，可以在降低盾殼與土體摩擦力的同時有效填充盾尾空隙，支撐土體，達到減少地層變形的目的，常用于對變形控制要求高的盾構施工場景。

學者們對克泥效工法進行了廣泛研究，如杜國濤等［5］通過長期的工程實踐，驗證了克泥效工法降低或控制地表沉降的事實；沈俊等［6］以鄭州市某區間疊線盾構下穿并行燃氣管線為例，模擬研究了克泥效注漿對二次擾動地表沉降的控制效果；黨濟國等［7］以福州市地鐵6號線盾構隧道施工為例，研究了克泥效漿液與水玻璃混合液對土體穩定性的影響，認為克泥效漿液的彈性模量、泊松比越大，土體位移越小，克泥效漿液黏聚力的變化對土體位移的影響不明顯。由于注漿具有隱蔽性，克泥效注漿對地表變形的控制機理復雜且尚不清楚，因此亟需開展克泥效漿液對盾構隧道地表變形作用規律研究。

本文首先開展克泥效漿液壓縮試驗，得到漿液壓縮變形規律，在此基礎上構建克泥效工法下盾構隧道雙等代層有限元模型，并依托蘇州軌道交通11號線工程，對模型進行模擬驗證，進一步開展不同因素對地表變形的影響分析，研究克泥效工法的注漿參數對地表沉降的影響規律。

1 盾構施工克泥效工法

1.1 克泥效漿液

克泥效漿液是一種無毒環保且永不凝固的膠狀材料，具有不溶于水、堵水效果好的特性，漿液的軟硬程度可根據配比進行調整。克泥效漿液的主要構成為黏土礦物、水、水玻璃、增稠劑、膠體穩定劑與分散劑。在施工中一般采用由特殊膨潤土與水混合的A液，以及水玻璃與水混合的B液配置克泥效漿液。將A、B液按一定比例混合后，其黏度可達300～500 dPa·s［8］，能夠在短時間內呈現出較高的承載能力，起到控制土體沉降的作用。

1.2 克泥效工法

克泥效工法源于日本，近些年在中國軟土地區地鐵盾構隧道工程中也有所應用。克泥效工法是指在盾構機內分別配置A液與B液，并配管壓送到指定位置，然后按照適當比例混合成高黏度塑性液體，再通過徑向孔注入盾構機外殼與土體之間空隙中的一種新型工法，如圖1所示。施工時，兩種液體的混合比例可通過控制單液的流量進行調整［9］，一般施工情況下，每環管片注入的克泥效漿液體積約為空隙體積的1.4倍。

1.3 克泥效工法下盾構隧道地表沉降機理

盾構施工過程中，盾構引起的土體沉降與土體性質有較大關系［10］。地表沉降隨盾構推進可大致分為早期沉降、挖掘面沉降、盾構機通過時沉降、盾尾間隙處沉降、后續沉降5個階段［11］，如圖2所示。其中第三階段沉降為盾構機通過土體時產生的沉降，原因為推進過程中盾殼與周圍土體之間產生剪切滑移，土體沿盾殼朝盾尾方向進行移動，部分土體因未能及時壓縮以對抗盾構行進偏離而發生松弛現象，導致地表沉降［12］；第四階段盾尾間隙沉降是盾構施工中產生的最大沉降，約占總沉降量的40%～50%，為盾尾通過土體后，上部土體因重力等原因迅速向空隙移動所產生的地表沉降［13］。

克泥效注漿可起到有效控制第三階段沉降和輔助控制第四階段沉降的作用［14］。克泥效漿液可隨盾構推進同步填充盾構外殼與土體之間的孔隙，由于其具有高黏度塑性、支撐力和堵水性，能夠始終保持流塑-可塑狀態［15］，同時也不會硬化固結而抱死盾構機主體，起到強化土體以抵抗變形［16］和充分填充土體之間細小孔隙［17］的作用，最終達到減少地表沉降的目的。

2 克泥效漿液壓縮試驗

2.1 克泥效漿液制備

試驗所用材料為膨潤土、水玻璃和水，其中水玻璃的Na2O含量為8.2%，SiO2含量為27%，模數為3.3，波美度為40°Bé。將膨潤土與水按400∶825（質量比）制備A液，水玻璃與水按1∶1（體積比）制備B液，試驗制備好的兩種液體如圖3所示。為研究不同配比對克泥效漿液性能的影響，制備了4種不同配比的克泥效漿液，如表1所列。

2.2 試驗方案

采用自制的試驗裝置（見圖4）進行試驗，該裝置由一只直徑為40 mm，高度為250 mm的透明長量筒和一個高度為150 mm的混凝土塞組成，混凝土塞底部裹有橡膠套環。試驗前對量筒進行清潔，將克泥效漿液充分攪拌均勻。試驗時，將配置好的克泥效漿液均勻、緊密地填裝在量筒中，并在每次填裝后對實驗筒進行振動，使克泥效漿液更為均勻。填裝完成后靜置5 min，待克泥效漿液穩定后記錄試樣的初始高度，然后裝上混凝土塞，逐級在混凝土塞上添加定值砝碼，每級加載2 kg，加載后，靜置5 min再記錄試樣總高度，直至試驗結束，以此來測定克泥效漿液在不同壓力條件下的壓縮變形情況。

2.3 試驗結果分析

圖5為在不同B液添加率的情況下，漿液壓縮量隨施加壓力變化的關系曲線。由圖5（a）可知，克泥效漿液變形量隨施加壓力的增大呈線性增大，即克泥效漿液壓縮變形近似表現出線彈性特征。同樣荷載條件下，不同配比漿液的體積壓縮量不同。B液添加率為4%時，與2%相比，漿液變形量明顯降低，即B液添加率對克泥效漿液承載力影響顯著。由圖5（b）可知，當B液添加不足時，存在游離的A液，漿液側限壓縮模量小，壓縮變形量較大；反之，B液添加率過大時，存在游離的B液，克泥效漿液承載能力同樣較低。當B液添加率約為4%時，克泥效漿液承載能力最佳，側限壓縮模量最高，并根據已有研究，此時克泥效漿液黏度最高［8］。

3 克泥效工法下盾構隧道雙等代層有限元模型

3.1 盾構隧道雙等代層模型

同步注漿能夠對地表沉降起到一定控制作用，張云等［18］將注漿加固后的土體概化成均質、等厚、彈性的等代層，提出使用等代層模擬注漿加固的方法，通過數值模擬得到了較好的計算結果。研究表明，等代層法能夠在宏觀上反映盾構隧道的施工效應，可以用來模擬不同工況下的盾構隧道施工［19-20］。

為了建立克泥效工法下盾構掘進的有限元模型，在等代層法的基礎上，將克泥效漿液填充效果概化為均質的雙等代層結構：一層為克泥效漿液層；另一層為同步注漿層，其中克泥效漿液層細分為純克泥效漿液填充層以及克泥效漿液與土層結合區域，用于模擬漿液不完全填充的情況，雙等代層模型如圖6所示。基于克泥效漿液壓縮變形的線彈性特征，使用彈性等代層模型模擬克泥效漿液層和克泥效漿液與土體的結合層；土體采用摩爾-庫倫模型，其中管片和盾殼在有限元模型中用板單元進行模擬，其他部分均采用實體單元。

3.2 模型驗證

3.2.1 有限元模型建立

以蘇州軌道交通11號線玉山廣場站-珠江路站盾構區間為例，該盾構區間位于昆山市老城區，整體地勢較為平坦，軟土層深厚，區域內存在眾多老舊建筑，周邊環境復雜。其中板橋弄48號與隧道左線最小水平凈距僅有2.6 m，盾構施工對建筑影響較大，地表變形控制要求較高。因此，盾構側穿該區域時采用克泥效工法，長度約77 m。

該工程中盾構機長9.7 m，刀盤直徑6.85 m，盾尾直徑6.81 m，盾構隧道管片外徑6.6 m，厚度約0.35 m，寬1.2 m。盾構掘進過程中，盾體上部與土體之間間隙為40 mm，理論上將會產生0.43 m3的盾尾空隙需要填充。

該區間土層從上至下依次為：① 雜填土；② 粉質黏土；③ 淤泥質粉質黏土；④ 粉質黏土；⑤ 粉質黏土；⑥ 粉土夾粉砂；⑦ 粉質黏土。隧道中心埋深20 m，如圖7所示，土體物理力學參數見表2。

基于盾構工程實際，以克泥效工法的前60環（72 m）為例，應用Midas軟件建立盾構隧道雙等代層三維有限元模型。設置克泥效漿液填充率為150%（即克泥效漿液層厚為4 cm、克泥效漿液與土體結合層厚為2 cm）。克泥效漿液層彈性模量選取為70 MPa；模型尺寸為72 m×60 m×50 m，如圖8（a）所示。盾構掘進以環為單位進行，每次推進的距離為兩個襯砌單元寬度，模擬施工共推進33步。隧道開挖部分與同步注漿部分均施加360 kPa掘進壓力，隧道網格模型如圖8（b）所示，土層物理力學參數如表2所列。

為了便于分析，在隧道拱頂正上方取4個測點，測點1位于距模型左側邊界27 m位置處，沿著掘進方向，依次取測點2，3，4，間距均為15 m，測點4位于模型右側邊界上。

3.2.2 模擬結果分析

4個測點沉降監測數據如圖9所示。由圖可見，盾構穿越測點前，地表均存在一定隆起現象，穿越測點后地表逐步轉為沉降，而且隨著盾構推進，測點沉降量逐漸增大，變形趨勢與實測結果吻合較好；由于模擬時未考慮隧道兩側建筑物荷載的影響，使得模擬的測點地表沉降量均略小于實測數據。以上說明所建立的雙等代層有限元模型能夠用于模擬克泥效工法下盾構隧道的地表變形特征。

4 克泥效工法對隧道地表變形的影響分析

4.1 克泥效工法對地表沉降控制效果分析

為研究克泥效工法對地表沉降的控制效果，將盾殼與土體之間間隙的彈性模量設置為0，使模型中克泥效漿液層完全失去抵抗變形的能力，從而模擬盾殼環向間隙無填充的情況。以測點2為例進行地表變形分析，結果見圖10。由圖可知，在盾構掘進前，克泥效工法使用前后的地表沉降無差別，但在盾構掘進中，未使用克泥效工法的地表沉降顯著高于使用克泥效工法的；在盾構掘進后，使用克泥效工法的地表沉降在達到10 mm后趨于穩定，而未使用克泥效工法的地表沉降仍在持續加大，最大累計沉降可達45 mm。因此克泥效工法對于地表沉降控制效果明顯，減少約78%的地表最大沉降量，且主要作用于盾構推進時與盾構推進后階段。

4.2 克泥效漿液彈性模量對地表變形的影響

為分析克泥效漿液彈性模量對地表變形的影響，假定克泥效填充率為150%，選取彈性模量為0.6，0.8，1.0，3.0，5.0，10，15，20 MPa 8個數值，分別建立有限元模型進行模擬分析。以測點1的沉降數據為例，分析不同漿液彈性模量下盾構推進距離與地表變形關系，結果如圖11所示。由圖可知，不同彈性模量下的地表變形曲線均表現為先隆起、然后沉降增加、最終穩定3個階段；彈性模量為20 MPa時，測點1的地表最終沉降比彈性模量為0.6 MPa時減少約5%。

圖12為不同克泥效漿液彈性模量下測點1的地表橫向沉降曲線，根據曲線可得，不同克泥效漿液彈性模量下的測點1地表橫向沉降曲線形態相似；且隨著克泥效漿液彈性模量的提高，地表沉降量略微減小，最大沉降減小量在1 mm之內。

測點1克泥效漿液彈性模量與地表最大沉降的關系如圖13所示，由圖可知，地表最大沉降量隨著漿液彈性模量的提高先明顯減少，后趨于平穩，其減少量分別約占原沉降量的3.5%和1.5%。因此，克泥效漿液彈性模量的提高對地表最大沉降存在微弱影響，這主要是由于克泥效漿液主要是用于填充盾殼環向間隙，進而支撐土體、防止土體發生松弛，故它并未對土體長期強度有提升作用。因此，在實際工程中進行克泥效漿液配置時，應在保證其填充率的前提下，首先考慮其流動性與黏度，然后盡可能增加其抗壓性能。

4.3 克泥效漿液填充率對地表變形的影響

基于模型假設，克泥效等代層厚度可反映漿液對土體的填充效果，即與填充率存在對應關系。因此，通過改變克泥效等代層厚度的方法開展克泥效漿液填充率的影響分析，其中克泥效漿液彈性模量設置為70 MPa。由于盾尾間隙4 cm，假定填充4 cm時填充率為100%，那么填充率分別為50%，75%，100%，125%，150%，175%和200%時，對應的克泥效漿液等代層厚度分別為2，3，4，5，6，7 cm和8 cm。

圖14給出克泥效漿液填充率為100%和150%時的模擬結果。圖中位移正值表示土體回彈量，負值表示土體的沉降量。由圖可見，隨著克泥效漿液填充率的提高，各測點地表變形量明顯減小；當漿液填充率為100%時，測點1～4最終變形量分別為-14.6，-10.5，-7.9 mm和-6.1 mm；而當漿液填充率為150%時，測點1～4最終變形量分別為-12.4，-9.7，-6.3 mm和-5.2 mm。當克泥效漿液填充率提高時，土體孔隙填充率提高，進而土體承載力與抗陷性得到加強，因此地表沉降減少。

圖15給出不同克泥效漿液填充率下測點1的地表沉降曲線。由圖15（a）可見，克泥效漿液填充率對地表沉降有著較大的影響，當填充率在100%～150%時，隨著填充率的提高，地表沉降減少；而當漿液填充率在150%～200%之間時，隨著克泥效漿液填充率的提高，地表沉降反而增大。地表橫向沉降結果如圖15（b）所示，由圖可見，不同填充率下地表橫向沉降曲線趨勢相同，且克泥效漿液填充率為150%時，地表沉降控制效果較填充率為100%和200%時更好。

圖16給出不同克泥效漿液填充率與地表最大沉降關系曲線，由圖可見，當克泥效漿液填充率處于50%～150%時，隨著填充率的提高，地表最大沉降明顯減少；當填充率在150%附近時，地表最大沉降控制效果較好；但填充率超過150%后，地表最大沉降量隨著克泥效漿液填充率提高而趨于增大。這是由于當漿液填充率在100%～150%時，漿液對空隙的填充占主導地位，充分發揮了克泥效漿液的加固優勢；當漿液填充率過大后，由于克泥效漿液彈性模量大，盾構未穿越時，測點已經產生沉降，地表隆起現象微弱，盾構穿越后沉降加劇，導致最終沉降量增大。

在實際應用克泥效工法時，應綜合考慮經濟效益與地表沉降控制要求，在滿足施工安全的基礎上，選擇合適的克泥效漿液填充率。

5 結 論

本文以蘇州軌道交通11號線玉-珠區間為例，通過試驗、模擬的方法對克泥效工法下盾構隧道地表變形規律進行了研究，得出以下結論：

（1） 克泥效漿液壓縮量與荷載呈線性正相關關系，克泥效漿液抵抗變形能力受B液添加率影響較大。克泥效成分中的B液添加率從2%增大至8%時，其抵抗變形能力呈先增強后減弱趨勢。當B液添加率為4%時，克泥效漿液抵抗變形能力相對較好。

（2） 建立克泥效工法下盾構隧道雙等代層有限元模型，通過數值模擬與實測對比分析，驗證了模型的可行性。模擬結果揭示了克泥效工法對盾構隧道地表沉降的作用規律，克泥效工法對盾構隧道地表變形的控制主要體現在盾構機通過時與通過后這兩個階段。

（3） 克泥效漿液彈性模量的提高對控制地表沉降影響微弱，約減少1%～5%的地表沉降量。克泥效漿液制備時需綜合考慮經濟效益與施工安全，在保證填充率的基礎上，優先考慮克泥效漿液黏度。

（4） 盾殼環向孔隙中克泥效漿液填充率與地表沉降有著直接關系，隨著填充率的提高，地表沉降明顯減小。但填充率過大對地表沉降控制反而不利，從地表變形控制角度考慮，克泥效漿液填充率為130%～150%時最佳。

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（編輯：胡旭東）

Action law of clay shock construction method on surface deformation of shield tunnelsSUN Mengmeng1，SHI Wenhao XU Yang1，WU Jinghong FAN Lyuye3

（1.School of Civil Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011，China； 2.Kunshan Underground Space Technology Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou 215300，China； 3.Kunshan Construction Project Quality Inspection Center，Suzhou 215337，China）

Abstract： Shield construction in soft soil areas faces serious surface deformation problems.Clay shock construction method is an important control measure to alleviate surface deformation.In order to study the action law of clay shock construction method on the surface deformation of shield tunnels，based on the shield project of Yu-Zhu section of Suzhou Rail Transit Line 11，the compression test of clay shock slurry was carried out first，and the slurry compression deformation law was obtained.Then，the finite element model of the double equivalent layer of the shield tunnel under the clay shock grouting method was established to study the influence of clay shock construction method on the surface deformation.The results showed that the compression deformation curve of the slurry was approximately linear，and the performance of the slurry was obviously affected by the addition rate of liquid B.When the addition rate of liquid B was 4%，the slurry had strong resistance to deformation.The established double equivalent layer model can perfectly simulate the influential characteristics of the clay shock method on the surface deformation，and the clay shock method assisting shield construction can reduce the maximum surface settlement by about 78%.The filling rate of clay slurry had a significant effect on the surface subsidence.When the slurry filling rate was about 150%，the control effect on the surface subsidence was the best.The research results provide reference for the application of the clay shock method in shield tunnel engineering.

Key words： shield tunnel；surface deformation；clay shock；slurry filling rate；double equivalent layer model

收稿日期：2023-06-14；接受日期：2023-09-28

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目（42202306）；江蘇省研究生實踐創新計劃（SJCX22_1582）；江蘇省自然科學基金（BK20200993）

作者簡介：孫萌萌，女，碩士研究生，主要從事巖土工程方面的研究。E-mail：2252805763@qq.com

通信作者：師文豪，男，副教授，博士，主要從事巖土工程方面的教學和科研工作。E-mail：shiwenhaoneu@126.com