对软质沉积物中地下注浆加固引起的运营隧道纵向隆起现象的分析与曲线拟合

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Analysis and curve-fitting for longitudinal uplift of operating tunnel caused by underlying grouting reinforcement in soft deposits

针对上海地铁隧道下方注浆加固对邻近运营隧道隆起的影响，通过ABAQUS有限元法复现现场试验，开展注浆压力、体积、注浆长度等26种参数组合的仿真研究。研究表明注浆效率与注浆参数呈正相关，提出纵向隆起归一化曲线公式及效率评估方法，明确注浆排布方式和参数优化的关键作用。

　　

李 Wang | 郑刚

大连交通大学交通工程学院，中国大连 116028

摘要

在拥挤的城市地区，深部挖掘和盾构隧道施工可能导致相邻运营隧道出现过度沉降，从而危及地铁线路的可用性。补偿注浆被广泛用于减轻隧道的沉降。目前，大多数已发表的研究主要集中在介绍现场实践。本研究通过有限元方法（ABAQUS 2016）复现了上海某运营隧道下方的土壤注浆现场试验。随后进行了参数研究，以考察运营隧道的抬升情况。基于分析结果，探讨了注浆效率、隧道抬升的标准化以及曲线拟合方法。研究表明，注浆引起的抬升ΔU3可以通过注浆压力和注浆量进行有效标准化。利用现场试验观察到的标准化曲线，可以确定不同注浆压力和注浆量下的ΔU3值。当注浆量和注浆柱长度相同时，如果注浆柱排列成一行位于隧道底部下方，则注浆效率更高。在新建隧道穿越前开始注浆加固效果更佳，尤其是当注浆柱长度大于沉降槽宽度时。通过增加注浆压力或注浆量可以提高注浆效率。本文提出了用于计算运营隧道纵向抬升的公式。其中，系数a与最大抬升量相关，系数b决定了抬升曲线的扩散范围，系数c则与隧道远离水泥处理区域的抬升情况有关。此外，本文还总结了不同参数对系数a和b的影响。

引言

在拥挤的城市地区，地下施工有时会导致相邻运营隧道出现过度沉降，从而危及地铁系统的可用性。上海地铁2号线的双管隧道中监测到了显著的沉降现象，平均沉降速率为0.3至0.4毫米/天，超过了上海隧道保护标准规定的0.02毫米/天的临界值（Zhang等人，2018年）。在上海地铁南北向线路的一条区间隧道中，新建盾构隧道穿越一个月后，观测到最大累计沉降量为15毫米（Huang等人，2023年）。杭州地铁2号线的双隧道在大型盾构隧道下穿越一个月后，沉降明显增加，最大沉降量约为10毫米，主要影响区域位于直径D的±3D范围内（Gan等人，2022年）。目前，补偿注浆已被广泛用于减轻现有地铁隧道的沉降问题。

迄今为止，已有许多研究案例和数值方法探讨了地下注浆加固对现有运营隧道抬升的影响。Lu等人（2024年）报告了绍兴地铁1号线某隧道段的沉降发展及内部钻孔注浆加固工程案例，详细分析了沉降和注浆过程中的隧道变形。Huang等人（2023年）通过案例研究了土壤注浆对上海某运营隧道纵向性能的修复效果，报告并分析了注浆过程中隧道沉降和水平收敛的变化情况。Gan等人（2022年）研究了在淤泥质粘土中新建大型盾构隧道下进行的补偿注浆对运营地铁隧道性能的影响，评估了注浆处理的成效和不足之处。Di等人（2021年）通过对比注浆试验，研究了注浆顺序和注浆材料对南京地铁10号线明挖隧道长期沉降处理的影响。Zhu等人（2019年）报告了中国深圳某运营盾构隧道的修复案例，详细介绍了修复方案并评估了修复效果。Zhang等人（2018年）提出了基于注浆的修复技术，用于恢复上海软土层中双管隧道和双隧道的沉降。Zhou等人（2018年）研究了宁波地铁2号线新建盾构隧道的差异沉降处理方法，提出了一种名为“底部注浆、内部支撑、实时监测和即时调整”的修正注浆方法，以纠正隧道轴线的偏差。此外，Jiang等人（2024）基于流体-固体耦合弹性孔隙柱膨胀理论和随机介质理论，提出了一种考虑注浆施工与相邻现有隧道之间相互影响的耦合变形分析方法。Meng等人（2024）提出了一种两阶段方法，用于计算地下注浆引起的盾构隧道抬升和沉降，并进行了参数研究，考虑了注浆、地层和隧道的相关参数。目前，现有文献尚未完全建立预测地下补偿注浆引起的隧道抬升的经验基准，在实际应用中，隧道抬升的补偿注浆很大程度上依赖于实时监测。

本文利用有限元方法（ABAQUS 2016）对上海的隧道内注浆现场试验进行了建模，并针对以下参数进行了参数研究：注浆压力、注浆柱旋转角度、注浆量、注浆柱长度、注浆柱顶面与隧道底部之间的距离以及隧道间距和新建隧道直径。基于分析结果，全面探讨了现有隧道沿纵向轴线的沉降标准化问题。同时，还讨论了注浆效率，即给定注浆量下现有隧道的抬升量。最后，对隧道抬升曲线进行了曲线拟合，并分段制定了相关公式，这些公式将有助于预测地下补偿注浆过程中运营隧道的抬升情况。

上海盾构隧道下方土壤注浆细节

在上海西部，一条新建的盾构隧道穿越了现有的运营地铁隧道（以下简称旧隧道）（Huang等人，2023年）。如图1（a）和（b）所示，这些隧道主要埋设在典型的上海软粘土中，包括粉质粘土、淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土。地下水位深度为0.3米。旧隧道的外径和内径分别为6.6米和5.9米，新建隧道的外径和内径分别为13.6米和12.5米。

上海注浆加固工作的模拟

上海的注浆加固工作通过有限元方法（ABAQUS 2016 Standard）进行了复现（Huang等人，2023年）。

参数研究

基于验证的有限元模型进行了参数研究，共涉及26个案例，包括以下参数：注浆压力p、注浆柱旋转角度θ、注浆柱长度L、注浆量V、隧道底部与注浆柱顶面之间的距离h、隧道间距d以及新建隧道直径D。 注浆方案细节和注浆柱形状见表2和图6。

结论

本研究通过有限元方法（ABAQUS 2016）复现了上海某运营隧道下方的土壤注浆现场试验。基于验证的有限元模型，进行了参数研究，以考察地下补偿注浆对运营隧道抬升的影响。主要结论如下： (i) 当注浆量V和注浆柱长度L相同时，如果注浆柱

作者贡献声明

李 Wang：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论制定、资金申请、数据管理、概念构思。 郑刚：监督工作。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢辽宁省高校基本科研经费（项目编号LJ212410150056）的支持。