盾構(gòu)施工過程中的土體變形研究

溫慶峰

[摘要]在盾構(gòu)施工過程中，采用彈性力學(xué)的Mindlin解經(jīng)變換坐標(biāo)推導(dǎo)出土體和刀盤之間摩擦力引發(fā)地面變形的計(jì)算公式，從而導(dǎo)出盾構(gòu)施工引發(fā)土體變形的計(jì)算方法。通過研究可知：盾構(gòu)施工過程中，影響土地變形的主要因素是正面推力以及后殼的摩擦，設(shè)置刀盤扭矩的主要因素是刀盤和土體之間的摩擦。本文結(jié)合成都地鐵10號線工程中的土層結(jié)構(gòu)，對盾構(gòu)和土地之間相互作用進(jìn)行分析，計(jì)算出盾構(gòu)和土體之間作用引發(fā)土體變形特點(diǎn)。由此可見，研究盾構(gòu)施工過程中的土體變形對于隧道施工具有十分重要的指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)施工；Mindlin解；土體變形；正面推力 文章編號：2095 -4085（2018）09 -0116 - 02

近年來，我國城市建設(shè)快速發(fā)展，我國很多城市地鐵已經(jīng)投入使用，也有很多地鐵項(xiàng)目在修建當(dāng)中。在開挖隧道過程中，會對周圍的土地產(chǎn)生擾動，因此，一般采用盾構(gòu)施工方式進(jìn)行。雖然，近年來盾構(gòu)施工的技術(shù)有了很大的提升，但是，由于隧道施工受到施工工藝以及地質(zhì)條件的影響，很難避免因推進(jìn)盾構(gòu)引發(fā)的地層擾動。結(jié)合盾構(gòu)施工過程中引發(fā)的土體變形，現(xiàn)階段，業(yè)內(nèi)人士已經(jīng)開展大量的研究，旨在保障隧道施工相關(guān)工作順利開展。

1 盾構(gòu)施工土體變形研究方法

1.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

經(jīng)驗(yàn)公式法也稱為（修正）Peck公式法，其一般應(yīng)用于水平地表隧道施工沉降預(yù)測，而對于山嶺隧道，特別是進(jìn)出口段往往地形傾斜，存在不同程度的偏壓。通過查閱大量文獻(xiàn)資料可知，通過地層損失率對土體變形進(jìn)行估算，結(jié)合工程實(shí)際情況和資料統(tǒng)計(jì)土體損失率取值。

1.2 彈性應(yīng)變法

通過查閱以往資料，采用鏡像方式分析彈性半空間的解法，并以此為基礎(chǔ)，通過進(jìn)一步的論證，可以將盾構(gòu)施工過程中的土體看做是可以壓縮的材料，結(jié)合隧道變形情況，對土體空隙的參數(shù)進(jìn)行重新的定義。

1.3 復(fù)變函數(shù)法

以隧道變形為基礎(chǔ)，將隧道變形看做是橢圓化，采用復(fù)變函數(shù)分析盾構(gòu)施工中的土體變形，從而映射求解。

1.4 隨機(jī)介質(zhì)法

將盾構(gòu)結(jié)構(gòu)中的土體看做是隨機(jī)變化的介質(zhì)，采用隨機(jī)預(yù)測方式預(yù)測盾構(gòu)施工中引發(fā)的土體損失數(shù)值。

1.5 Mindlin解法

采用空間彈性力學(xué)的Mindlin解，通過正面附加的推力以及盾殼和土體之間產(chǎn)生的摩擦力土體導(dǎo)出土體變形的計(jì)算方法。

1.6 數(shù)值計(jì)算法

通過動態(tài)模擬的方式對盾構(gòu)施工過程中的土體變形進(jìn)行全方位的模仿，分析土體變形情況[1]。

本文結(jié)合盾構(gòu)施工的過程，對盾構(gòu)施工中的盾構(gòu)和土體之間摩擦作用進(jìn)行分析，選擇盾構(gòu)土體變形主要形式。通過Mindlin解對刀盤和土體之間的摩擦引發(fā)土體變形的計(jì)算公式進(jìn)行詳細(xì)推到，并結(jié)合土體變形公式、盾殼和土體之間摩擦引發(fā)變形公式，推算出盾構(gòu)施工總地面的變形公式，分析盾構(gòu)和土體作用之后的土體變形的特點(diǎn)，對比實(shí)測結(jié)果。

2 盾構(gòu)施工過程中的土體變形研究

2.1 盾構(gòu)施工過程中的土體變形因素

在盾構(gòu)施工過程中，主要是由于以下幾個(gè)方面因素引發(fā)的土體變形。

（1）刀盤和周圍土體產(chǎn)生的摩擦作用，此種摩擦?xí)谝欢ǔ潭壬吓まD(zhuǎn)切削土體，從而導(dǎo)致土體變形。

（2）盾構(gòu)在開挖過程中產(chǎn)生的支護(hù)力作用。為了保障挖面土體的穩(wěn)定性，在開挖盾構(gòu)過程中需要保障有充足的支護(hù)力，從而保障開挖土體能夠有個(gè)正面的附加推力P，數(shù)值一般控制為±20kPa，由于盾構(gòu)擠壓造成土體出現(xiàn)擠土反應(yīng)，主要體現(xiàn)在開挖前方地面出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。

（3）盾殼和周圍土體產(chǎn)生的摩擦作用。由于盾構(gòu)和土體接觸的面積較大，因此，在土體受到壓力時(shí)，與盾構(gòu)運(yùn)行之間產(chǎn)生很大摩擦力，從而引發(fā)地表出現(xiàn)變形問題。

（4）在開挖卸載過程中和盾尾施工過程中引發(fā)的土體損失，導(dǎo)致地表下沉。

2.2 研究內(nèi)容和難點(diǎn)

本文將理論和項(xiàng)目實(shí)踐相結(jié)合對盾構(gòu)施工過程中土體變形展開研究。由于在盾構(gòu)施工中其土體層次和性質(zhì)不同，因此，在解析過程中計(jì)算土體變形數(shù)值會存在很大的誤差，采用Mindlin解方式，可以使地表的橫向沉降槽的曲線和工程實(shí)際的沉降值相互吻合，從而保障盾構(gòu)隧道開挖引發(fā)的土體變形預(yù)測值更加準(zhǔn)確。由于Mindlin解法對于計(jì)算均勻土質(zhì)相對比較有效，也可以采用ANSYS軟件進(jìn)行隧道開挖土體變形模擬，在挖掘過程中，土體變化是一個(gè)動態(tài)的力學(xué)過程，需要考慮三維分析方式，因此，在存儲數(shù)據(jù)以及計(jì)算數(shù)值方面需要耗費(fèi)大量人力和物力，隧道施工屬于批量性作業(yè)，無疑為土體變形研究帶來一定的難度。

3 工程實(shí)例

本文以成都地鐵10號線一期工程為例，對成都地鐵盾構(gòu)和土體之間相互作用進(jìn)行分析。成都地鐵10號線一期工程土建4標(biāo)華金中間風(fēng)井至金花站盾構(gòu)區(qū)間，左線起止點(diǎn)里程ZDK5+634.830-ZDK7+197.331，區(qū)間全線1562. 501m；右線起止里程YDK5 +617. 704～YDK7 +151.363，區(qū)間全長1533.659m。施工設(shè)計(jì)區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，從明挖中間風(fēng)井始發(fā)，平行繞城高速方向向西北方向行進(jìn)，在YDK7+013-YDK7+100處斜穿繞城高速（K48+216.80 - K48+317）到達(dá)金花站。共投入兩臺盾構(gòu)機(jī)分別為中鐵裝備66#和137#。區(qū)間共設(shè)置兩處聯(lián)絡(luò)通道，分別在YDK6+179.787和YDK6+665.206，其中YDK6+179.787處為聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房。正線線路右線共設(shè)曲線2處，最大曲線半徑為650m，最小曲線半徑為650m；左線共設(shè)曲線2處，最大曲線半徑為690m，最小曲線半徑為650m。線間距9.3m-20.03m，結(jié)構(gòu)最小覆土埋深9m，最大覆土埋深13m，線路縱斷面最大坡度5%0，最小坡度3.085‰。盾構(gòu)隧道主要處于密實(shí)砂卵石層中。

本研究對盾構(gòu)和土體之間復(fù)雜作用進(jìn)行研究，通過Mindlin解進(jìn)行坐標(biāo)變換，推導(dǎo)出在盾構(gòu)施工過程中刀盤摩擦以及側(cè)面摩擦引發(fā)的土體變形公式，并結(jié)合正面的附加推力以及盾殼和土體摩擦力推算出土體變形數(shù)值。經(jīng)過研究可知，正面的附加推力以及盾殼和土體摩擦力是推力設(shè)定主要因素，刀盤和土體的摩擦是扭矩設(shè)定主要因素。由于盾殼和土體的摩擦力相對較穩(wěn)定，因此，引發(fā)的土體變形在刀盤Sm處的盾構(gòu)部位呈現(xiàn)軸線反對稱現(xiàn)象，這也是引發(fā)盾構(gòu)土面隆起的因素之一。刀面正面和側(cè)面的摩擦?xí)l(fā)土體表面沉降，導(dǎo)致沉降槽分布不對稱，特別在刀盤的截面處更加明顯，這和刀盤轉(zhuǎn)動的方向有密切的關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，隧道施工一般使用挖掘機(jī)設(shè)計(jì)開挖土體，其具有經(jīng)濟(jì)、快速、安全等優(yōu)點(diǎn)。在盾構(gòu)施工過程中，土體挖掘采用先進(jìn)開挖技術(shù)，盾構(gòu)施工技術(shù)以及設(shè)計(jì)理論也在不斷的完善。但是，隧道施工不可能完全避免地層擾動，會引發(fā)周圍土體變形，地面沉降等。因此，在盾構(gòu)施工前期，需要深入研究盾構(gòu)土體變形，盡量減少對周圍環(huán)境的影響，通過研究可知，土體正面的附加推力以及土體損失和現(xiàn)場的施工環(huán)境和施工工藝有很大的關(guān)聯(lián)，很容易發(fā)生起伏。因此，深入研究盾構(gòu)施工過程中的土體變形十分必要。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐曉武，朱季，劉維，等，盾構(gòu)施工過程中的土體變形研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，（05）.