考虑地层渗流影响的盾构隧道环段抬升分析

隧道抬升为何关系城市生活

现代城市越来越依赖地下轨道来缓解交通并释放地面空间。但在建筑物下方掘进长隧道并非没有风险。当巨型盾构机掘进时，用于衬砌隧道的混凝土环片有时会出现比预期更大的上抬，即“抬升”。过度抬升可能导致衬砌开裂、渗水，甚至扰动地表及上方建筑。本研究着重分析注浆与天然地下水相互作用如何导致隧道抬升，以中国大连地铁的一段实际区间为案例进行探讨。

街道下的近景观察

研究者聚焦于一段位于城市地层之下的隧道，该地层由填土、黏土和含水砾土层组合而成。随着盾构机推进，环形混凝土衬砌与围岩之间会留下一道细缝。为支护地层并保持隧道稳定，这个缝隙会立即被流动性注浆料填充。由于注浆料相对较轻且流动性强，且地层含水，衬砌可能在注浆压力和地下水水压共同作用下被顶起。早期研究常以简化方式处理这一效应，未充分考虑注浆过程中水在土体中的迁移与固结阶段的耦合作用。

在计算机中构建虚拟隧道

为梳理这些过程，团队建立了一个三维数值模型，模拟隧道、注浆及周围地层。模型再现了真实的地质层位，并依据常用的渗流规律允许水在土体中渗动。它还模拟了盾构机的逐步推进：开挖、支护刀盘端面、安装每环环片并在其周围注浆。注浆料从新泵入的流体到硬化材料的过程中被赋予不同的刚度参数。模型以地表监测点和基于激光的导向系统的精密现场测量结果进行了校核，这些测量在盾构推进时跟踪衬砌的位移。

水与浆料如何联手抬升隧道

模拟结果显示，随着盾构机通过并注浆，衬砌周围的孔隙水压发生显著变化。孔隙水压的剧烈波动主要出现在衬砌底部，侧部变化次之，顶部变化最小。抬升呈现类似分布：隧道底拱（底部）上抬最大，侧部次之，拱顶（顶部）最小。总体抬升的大部分发生在盾尾后方的前五环内，此阶段注浆料仍非常流动且压力较高。随着注浆开始固结并且地层应力重新调整，抬升增长放缓并最终趋于平稳。纳入地下水渗流后，最终抬升明显增大——在模型中约有五分之一的总抬升归因于渗流与注浆压力的共同作用，而非单独由注浆引起。

哪些施工选择会加剧抬升

在经过验证的模型基础上，作者在其他条件相同的情况下改变了若干关键因素。埋深越大，抬升越显著，主要因为地下水水压随深度增加，从而有助于注浆料膨胀并顶起衬砌。较高的注浆压力也会产生更强的抬升，尽管其影响小于埋深。另一个重要因素是注浆何时以及离盾构机多近开始固结：如果初始固结点位于离盾较远的位置，注浆料在衬砌周围保持流动状态的时间更长，从而给抬升发展留下更多时间。研究将这些规律归纳为简单的经验公式，将抬升与埋深、注浆压力及距隧道端面的距离联系起来，为工程师在类似地层条件下估算抬升提供了实用工具。

对更安全地下出行的启示

对非专业读者而言，主要结论是：隧道抬升不仅仅取决于注浆压力的大小——它还强烈依赖地下水在土体中的迁移以及注浆料的固化速度。通过捕捉注浆压力与渗流的耦合作用，并将结果与现场测量对比校验，这项工作提供了更为现实的隧道衬砌施工期抬升图景。研究成果可帮助设计者选择更安全的埋深、注浆压力和注浆配方，从而在新地铁线路建设中降低裂缝、渗漏与地表隆起的风险。

引用: Guo, J., Li, Z., Liu, J. et al. Analysis of segment uplift during shield tunnel construction considering stratum seepage effects. Sci Rep 16, 14501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44530-4

关键词: 盾构隧道抬升, 地下水渗流, 同步注浆, 地铁隧道施工, 数值模拟