盾构隧道注浆特性对地表沉降的控制机理研究：物理与数值模拟分析

《International Journal of Geo-Engineering》：Investigation into the effect of the grout properties injected behind the segment on surface settlement in mechanized tunneling

本研究针对盾构隧道施工中尾隙注浆对地表沉降的控制问题，通过自主设计的物理模型和FLAC3D数值模拟，系统探究了注浆压力（0.5~4 bar）、土体密度（1,600/1,700 kg/m3）及尾隙几何形态（对称/非对称）的影响规律。研究发现提高注浆压力至1.5 bar可降低沉降33%~55%，而土体密实度增加可使沉降减少约50%。非对称尾隙会显著增大沉降风险。该研究为城市密集区盾构施工的沉降控制提供了关键参数优化依据。

　　

随着城市地下空间的快速发展，盾构法隧道施工因具有安全、高效、对周边环境影响小等优势，已成为地铁等城市隧道建设的主要方法。然而，在浅埋土层中进行盾构掘进时，不可避免地会引发地表沉降，这对地表建筑物、道路及地下管线等基础设施构成潜在威胁。特别是在城市密集区，微小的地面变形也可能导致严重后果。因此，准确预测并有效控制盾构隧道引发的地表沉降，是隧道工程领域长期关注的核心问题。

在盾构掘进过程中，由于盾构壳体与管片外径之间存在差异，会在管片背后形成一个环形的空隙（Tail Void）。如果这个空隙得不到及时、有效的填充，上覆土体就会向该空隙移动，进而引发地表沉降。目前，工程上普遍采用在盾构尾部同步注入浆液（Grout）的方法来填充此空隙，以期支撑土体、减少沉降。然而，注浆参数（如压力、浆液性质）如何优化，注浆效果如何受到土体条件（如密度）和施工条件（如尾隙形状）的影响，其内在机理尚需深入系统的研究。既有研究多局限于数值模拟或物理模型，且往往忽略了尾隙几何形态不对称等实际工程中常见的情况。

为解决上述问题，来自Sahand University of Technology的Haniyeh Kouhi、Hamid Chakeri等研究人员在《International Journal of Geo-Engineering》上发表了他们的最新研究成果。他们创新性地结合了自主开发的物理模型试验和三维数值模拟（FLAC3D），深入探究了注浆特性对地表沉降的影响机制。研究聚焦于注浆压力、土体干密度以及管片背后尾隙的几何形态（对称与非对称）这三个关键变量，旨在为实际工程中的注浆参数优化和沉降控制提供科学依据。

研究人员为开展此项综合研究，主要应用了以下几项关键技术方法：首先，自主设计并搭建了一套1:40比例的隧道施工物理模型试验系统，该系统可精确控制注浆压力、土体压实度及尾隙形态，并采用沉降测针量化不同土层的位移；其次，基于伊朗大不里士地铁2号线的实际工程条件，制备了符合现场应用的两组分浆液（T wo-Component Grout），并测试了其泌水率（Bleeding）、马氏漏斗时间（Marsh Funnel Time）、凝胶时间（Gelation Time）及抗压强度等关键性能指标；最后，利用FLAC3D有限差分软件建立了与物理模型相对应的三维数值模型，采用摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）模型描述土体行为，对物理试验结果进行验证和扩展分析，系统模拟了不同注浆压力、土体参数和尾隙几何条件下的地表沉降响应。

物理模型试验结果分析

试验结果表明，注浆压力是控制地表沉降的最关键因素。在土体密度为1,600 kg/m3条件下，当注浆压力从0.5 bar提升至1.5 bar时，地表最大沉降量减少了约33%。

这表明提高注浆压力能更有效地填充尾隙及周围土体中的微小空隙，形成更均匀的支撑体系。然而，过高的注浆压力（如4 bar）则会适得其反，在埋深较浅的情况下，会因压力超过上覆土压力而导致土体隆起（约0.8 cm）甚至在图示位置产生空洞，揭示了注浆压力需与覆土厚度相匹配的重要性。

土体密度同样对沉降有显著影响。在相同注浆压力（1.5 bar）下，将土体压实度从2遍击实（密度约1,600 kg/m3）提高至5遍击实（密度约1,700 kg/m3），地表沉降量可减少约50%。

denser soil provides better confinement and stress transfer, thereby limiting deformation.

尾隙的几何形态被证实是另一个不可忽视的因素。研究对比了对称尾隙（四周间隙均匀）和非对称尾隙（隧道拱顶间隙4 cm，拱底间隙2 cm）。结果表明，在相同的注浆压力和土体密度下，非对称尾隙导致的地表沉降比对称尾隙增大约33%。

这主要是由于拱顶处较大的空隙为土体变形提供了更多余地，加剧了沉降。

数值模拟结果验证与拓展

数值模拟结果与物理模型试验高度吻合，验证了研究结论的可靠性。FLAC3D分析进一步表明，提高浆液的弹性模量（Elastic Modulus）也能有效减少沉降。当浆液弹性模量从0.0025 GPa增加到0.005 GPa（增加100%）时，地表沉降可减少41.6%至52.5%。

这说明浆液本身的结构强度对于维持长期稳定性至关重要。此外，基于大不里士地铁实际尺寸的模型模拟显示，在原型尺度下，优化注浆压力同样能带来34.5%至51.3%的沉降减少，证实了研究结论的工程适用性。

研究结论与意义

本研究通过物理模型试验和数值模拟的系统性工作，得出以下核心结论：首先，适度提高注浆压力（如1.5 bar）是控制地表沉降最直接有效的手段，但需避免过压导致土体扰动。其次，提高施工场地的土体密实度可以显著增强其对变形的抵抗能力。再者，保证管片拼装质量、尽可能形成对称的尾隙，对于沉降控制至关重要。最后，优化浆液配比、提高其早期强度和弹性模量，能进一步提升注浆的长期稳定效果。

该研究的重要意义在于，它通过实验与模拟相结合的方法，量化了注浆压力、土体条件和尾隙几何形态对地表沉降的交互影响，弥补了以往研究多关注单一因素或忽略尾隙不对称性的不足。研究成果为盾构隧道施工，特别是在类似大不里士地铁的浅埋砂土层条件下的注浆方案设计提供了具体的参数优化指导和理论依据，对保障城市隧道施工安全、减少对周边环境的影响具有重要的实践价值。未来研究可进一步考虑土体的时间依赖性、地下水渗流以及邻近建筑物相互作用等更复杂条件。