同步注浆对盾构隧道衬砌结构施工力学性能的影响及控制研究

Besides preventing the ground deformation, improving the impermeability of segmental lining and ensuring the early stability of the ling, simultaneous grouting also bring important influence on stress and deformation properties of lining structure. The improper construction or excessive grouting pressure often cause the deformation, displacement, cracking and crush of the segment, and even the upward moving, settlement, snaking displacement or other damage of the whole lining structure, then result in surface subsidence or uplift. There are many complex factors that affect the diffusion modes, pressure load distribution and transmission of the simultaneous grouting. But the existing corresponding research on those factors lag far behind the actual needs. Based on a series previous studies of the applicants about the segmental lining structure, segment performance during construction, diffusion process and mechanism of the simultaneous grouts, and the grouting pressure loads during construction, this project will deeply study the generation mechanism and calculating method of the simultaneous grouting pressure load concerning the grouting process, segmental lining deformation modes and mechanism, critical value of the grouting pressure, and the calculation theory and method for the grouting volume control. The research findings can provide theoretical guidance for the design of the simultaneous grouting and the segmental lining structure, and the construction control of the simultaneous grouting.

同步注浆在防止地层变形、提高衬砌抗渗性、确保盾构管片衬砌早期稳定的同时，也对衬砌结构的受力和变形性能产生了重大影响：若施工不当或压力过大，常常引起管片变形、错台、开裂、压碎，乃至衬砌结构整体发生上浮、下沉、蛇形位移或其他形式的破坏，并引发地表产生较大沉隆。影响盾构隧道同步注浆浆液的扩散方式、压力荷载分布及传递机理的因素较多，也较复杂，现有研究对这些因素的考虑远滞后于实际需要。本研究拟在申请者对管片衬砌结构与施工期管片衬砌结构的受力特性、盾构隧道同步注浆浆液的扩散过程与机理，以及施工期注浆压力荷载等系列研究的基础上，对考虑注浆施工过程的同步注浆压力荷载产生机理与计算方法、同步注浆引起的管片衬砌结构变形模式与机理、同步注浆压力临界值的确定，以及同步注浆注入量的控制计算理论与方法等议题开展深入研究。研究成果可为盾构隧道同步注浆与管片衬砌结构的设计，及同步注浆施工控制提供理论指导。

盾构隧道施工期，管片衬砌结构由于受集中、不均匀荷载的作用极易导致管片的错台、裂损等现象的发生，严重影响隧道运营期管片衬砌结构的安全，因此针对盾构隧道施工期管片衬砌结构的受荷特征及管片性能（螺栓、接缝）展开研究。首先针对盾构隧道施工期的荷载情况进行分析，概述了盾构施工过程中水土压力和浮力、千斤顶作用力、附属设备重力、壁后注浆压力等施工荷载的主要特征。针对盾构施工中壁后同步注浆施工产生的荷载进行了较为深入的研究，基于既有对盾构壁后注浆浆液扩散过程的研究，在考虑浆液扩散形态（充填、渗透、压密、劈裂）及浆液流型（牛顿流体、宾汉姆流体、幂律流体）的基础上，引入浆液粘度时效性、浆液自重效应，建立了相应的浆液扩散模型，推导了浆液扩散过程及注浆压力的理论计算式；由于水泥浆液为悬浮浆液，地层对水泥浆液颗粒具有筛滤及非筛滤作用，从微观角度分析了非筛滤作用对水泥浆液颗粒扩散的影响，基于地层对浆液的非筛滤效应（浆液渗透扩散中表现为渗滤效应），建立考虑渗滤效应时壁后注浆浆液的球形和柱形渗透扩散模型，基于地层对浆液的筛滤效应（浆液压密扩散中表现为压滤效应），建立了考虑压滤效应时壁后注浆浆液扩散模型，推导了相应的管片所受注浆压力的表达式，并采用数值计算方法验证了渗滤效应扩散模型。采用室内试验针对盾构壁后注浆开展验证性研究，分析了水灰比、膨润土、减水剂等参数对浆液性能的影响以及浆液在地层中的可注性，并通过室内同步注浆模拟试验，研究了同步注浆施工中地层水土压力随注浆时间的变化。最后，基于上述对施工期管片衬砌受荷的分析，根据具体工程案例，采用数值方法分析了盾构隧道施工期盾构施工荷载的作用下管片衬砌的位移与应力、管片间螺栓的受力变形及相邻管片间隙应力与位移传递等。