盾構施工過程中的土體變形研究

■陳德國

（中鐵二十一局軌道工程公司 山東濟南250000）

盾構施工過程中的土體變形研究

■陳德國

（中鐵二十一局軌道工程公司 山東濟南250000）

在我國城市化建設的過程中，越來越多的大中城市開始修建地鐵，以緩解城市的交通壓力。在地鐵修建的過程中經常使用到盾構施工法。盾構施工法的優點在于能夠使隧道周圍土體受到隧道開挖的影響降低。但是盾構推進的過程中也難免會對地層進行擾動。本文對盾構施工過程中的土體變形情況進行了研究，希望能夠為盾構施工提供一些經驗和參考。

土體變形盾構施工土體損失

在地鐵施工中，盾構和土體之間會產生復雜的相互作用，從而引起土體的變形。要對盾構施工過程中的土體變形進行控制，就必須對盾構施工造成的土體變形的特征進行分析，找出導致土體變形的各種因素。當前國內外對盾構施工引起的土體變形的研究方式主要有數值計算法、Mindlin法、復變函數法、隨機介質法、彈性應變法以及Peck公式和修正Peck公式法等等。

1　施工階段盾構受力分析

在施工掘進的過程中，盾構主要受到兩方面的力：扭矩阻力和推進阻力，具體情況見圖1。根據圖1可知，盾構掘進過程中主要的扭矩阻力有：T3——刀盤切削渣土所需扭矩、T2——刀盤周邊摩擦扭矩、T1——刀盤正面摩擦扭矩；盾構掘進過程中主要的推進阻力有：F2——刀盤正面土水壓力、F1——盾構與地層之間摩擦。可以使用經驗公式來對扭矩和推力進行計算，從而得出確切的力值[1]。

圖1　掘進過程中的盾構受力圖

2　盾構施工中土體變形分析

本文在排出盾構推進過程中的時間效應，僅考慮空間位置變化，并設定施工現場的土體為均質不排水的線彈性半無限體的基礎上，探討了施工階段的盾構受力特性。主要有以下一些因素會導致盾構施工中的地面變形：①由于盾尾施工和開挖卸載而引起的土體損失，進而造成地表沉降。②施工的過程中盾殼會與周圍的的土體產生摩擦，由于土體和盾構之間具有較大的接觸面積，又受到了土壓力的作用，在盾構機的運行過程中盾殼就會與周圍的土體產生不斷的摩擦，從而形成較大的摩擦力，加速了地表的變形。③受到盾構開挖面支護力的影響。在施工的過程中，開挖面必須具備一定的支護力，才能保證盾構施工中開挖面土體的穩定性，從而對開挖面前方的土體產生20 kPa左右的正面附加推力，盾構對土體產生擠壓而造成擠土效應，這樣就很容易使開挖面前方的地表由于擠壓的作用而向上隆起。④周圍土體會與刀盤產生摩擦作用。土體在這種摩擦作用的影響下會產生扭轉切削作用，并使周圍土體產生變形[2]。

3　刀盤扭矩引起的變形

有兩種摩擦共同構成了刀盤對土體對扭矩作用，一個是刀盤周圍的摩擦，另一個是刀盤正面的摩擦。以圖2所示的坐標系為例，假設刀盤從y軸的正半軸轉向z軸的正半軸為刀盤的轉動方向，假定刀具為條幅型，并具有n幅刀具數量，對刀盤正面刀具摩擦力造成的縱向變形進行計算，每幅刀具上的應力均呈三角形分布狀態[3]。

圖2　Mindlin解計算示意圖

此時可以根據伽遼金位移函數將半空間體內所受到的豎向集中力和水平集中力時產生的變形場合應力求出來。以圖2顯示的坐標系為例，在豎向集中荷載中作用的豎向位移公式應該為公式1，在水平集中荷載中作用的豎向位移公式應該為公式2。

公式中的土體泊松比用v表示，土體剪切彈性模量用G表示，掘進方向離開挖面的水平距離用x表示。在公示1中，如果地表處的z=0，而且刀盤的位置為x=0的平面上，那么土體和刀盤之間的作用力就位于yz平面上。但是必須使集中荷載處于xz平面上才能利用Mindlin解進行求解，因此還要對公式1進行一定的轉化，最終將刀盤正面刀具摩擦而造成的地表變形求出來。使用類似的求解方法，設定刀盤側面摩擦的分布是均勻的，那么可以對刀盤側面摩擦造成的縱向變形進行計算，最終將其得出來[4]。

4　附加推力、盾殼摩擦和盾尾間隙引起的變形

在運用盾構法進行施工時，盾構通過以及盾構的開挖卸載都會造成一定的建筑空隙，盡管使用了注漿工藝對空隙進行填補，但是也會產生一定的土體損失，使地表發生沉降作用。研究中在計算附加推力、盾殼摩擦和盾尾間隙引起的變形時設定沿著軸線均勻的分布土體損失，并使用等效圓柱來對土體的損失進行模擬，將地表豎向位移計算公式得出來。在施工的過程中，盾尾是盾尾間隙土體損失的主要產生部位，此時就需要修正Sagaseta公式的坐標，從而得出公式3，也就是土體損失引起地表變形計算公式。

在公式3中，等效土體損失圓柱的半徑為a，盾構長度為L。等效土體損失圓柱的半徑a的值直接關系到土體損失，土體損失百分率為η，單位長度的土體損失面積為πa2，那么可以得出R 2η= a2。

使用Mindlin解能夠將盾殼摩擦力引起的地表變形和正面附加推力引起的地表變形計算出來。在計算時假定荷載作用面就是推進面，并以圓形均布荷載為正面附加推力。此時與前兩個公式相對照，可以將圓形均布荷載作用下地表變形計算公式得出來，即為公式4。其中盾構正面單位面積附加推力為P。

運用該計算方法可以求出周圍土體與盾殼摩擦力造成的地表變形。

在盾構施工的過程中，土體損失造成的地表變形、土體與刀盤的側面和正面發生摩擦而造成的地表變形、周圍土體和盾殼形成的摩擦力造成的地表變形、正面附加推力造成的地表變形共同構成了整個施工工程中的地表變形。

5　結論

本文對盾構施工過程中的土體變形進行了簡要的分析，盾構施工過程中的土體變形可以分為土體損失造成的地表變形、土體與刀盤的側面和正面發生摩擦而造成的地表變形、周圍土體和盾殼形成的摩擦力造成的地表變形、正面附加推力造成的地表變形，將其分別計算出來并相加之后就能夠得到盾構施工過程中的土體變形總和，從而對盾構施工進行指導。

[1]伍振志.基于非均勻收斂模式的隧道地表變形的隨機介質預測模型 [J].中南大學學報 (自然科學版).2010(05).

[2]宋書顯.基于隨機介質理論的盾構法隧道穿越火車站股道沉降預計 [J].企業技術開發.2011(15).

[3]劉廣仁,常喜平,寇寶慶,安冬云,李應輝.盾構法施工中砂層進洞段降水設計與施工[J].石油工程建設.2012(01).

[4]余勇利,羅曉娟,王永軍.北京地區隧道盾構法施工中地表沉降影響因素分析 [J].地質災害與環境保護.2012(01).

TU7[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-370-2

陳德國（1976～），男，高級工程師，研究方向為鐵路、公路、地鐵工程施工。