深埋軟硬互層地質的長距離隧道TBM施工方法

趙維東

（中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶833300）

0 引言

隨著公路和鐵路隧道建設的發展，隧道的修建難度越來越大，在進行深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工中，受到彎矩和樁-樁相互作用的影響，導致隧道產生偏差，需要對深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工技術進行優化設計，避免深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工產生偏移。在采空區邊坡的滑移機理模式下，進行深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工設計，一般要結合TBM離心加載法，實現隧道周圍應力-應變分布特性分析，在有限元強度折減約束控制下，進行深埋軟硬互層地質的長距離隧道TBM施工，提高隧道施工的穩定性[1]。

傳統方法中，對深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工技術設計多采用模擬斷續節理變形控制方法、潛在滑移區位移控制方法、有限元分析方法和遮攔分析方法等[2,3]。采用現場實測分析方法進行深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工過程中的樁周土體的變形加載控制設計，提高了樁體的預埋精度，但該方法進行長距離隧道施工過程中的穩態性不好。文獻[5]中提出一種基于盾構隧道段聯合控制的隧道施工方法，在群樁的樁-樁相互作用影響下，進行隧道開挖的盾構優化控制，但該方法在進行深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工中的波動變形較大，地基土層基本物理特征的估計精度不高。對此，本文出基于隔離樁盾構隧道開挖技術的深埋軟硬互層地質長距離隧道TBM施工方法，實現施工技術優化和指標參數的優化計算，并進行實驗測試分析，得出有效性結論。

1 盾構參數優化設計和計算

1.1 長距離隧道TBM施工的盾構參數優化設計

為了實現深埋軟硬互層地質的長距離隧道TBM施工的優化設計，構建長距離隧道TBM施工的盾構參數解算模型，本文選取適合實際長距離隧道工程的盾構參數，分析不同盾構參數對地層的影響。本文研究的深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工現場的基坑平面圖和基坑混凝土澆筑度斷面圖如圖1所示。

圖1 長距離隧道施工現場的基坑澆筑斷面圖

根據圖1給出的基坑分布圖，設定距離隧道施工斷面沉降值在4.2 mm～4.3 mm穩定，在每0.25m處設置預埋鋼筋，進行隧道施工的盾構參數調節和推進數據分析，平均分布隔離樁位置[4]，得到長距離隧道施工的預埋筋立面圖如圖2所示。

根據對施工現場的最大沉降斷面沉分布，采集推進數據，采用模糊約束控制方法進行長距離隧道TBM施工的盾構參數優化設計，對彎矩、水平位移、軸力等參數進行準確計算[5]，得到長距離隧道TBM施工的盾構模態參量識別模型為

圖2 長距離隧道施工的預埋筋立面圖

在有限元計算中，根據承壓控制的辨識參數模型，得到長距離隧道盾尾空隙分布的特征矩陣R定義為

基于盾構外徑與襯砌外徑的載荷轉移特性，進行長距離隧道施工過程中的機構模型設計，采用ANSYS有限元軟件建立模糊約束控制參數模型為

在隧道的襯砌結構中，得到加載力矩的自由邊界分布矩陣為

式中：s表示載荷彈性模量分布角度θ的正弦，c表示長距離隧道施工控制中預埋鋼筋角度θ的余弦。在連續驅動下長距離隧道施工盾構參數控制的擾動力矩為ω(k)，在6自由度空間模型中，得到局部二階收斂特性變換矩陣

根據上述分析，構建長距離隧道TBM施工的盾構參數控制模型，分析長距離隧道TBM施工的盾構辨識參數為mj(j=1,2,…m)?mj∈M，建立起相應的Newton迭代格式，提高深埋軟硬互層地質條件下長距離隧道施工的參數穩態性。

1.2 施工關鍵參量計算

在進行深埋軟硬互層地質的長距離隧道TBM施工中，需要進行長距離隧道施工的關鍵參量計算，對彎矩、水平位移、軸力等參數進行準確計算，針對深埋軟硬互層地質土體的各向異性和復雜邊界條件進行長距離隧道施工過程中的地基土層基本物理力學指標優化設計，采用壓力學控制方法，對長距離隧道盾尾施工的非線性模型問題轉化為線性問題[6]，得到結構分布和相關參數模型為

采取有效的措施進行調控對于水資源可持續利用具有重要意義。通常采取以下兩種措施：第一，增加供水，滿足用水需求，實現供需平衡；第二，減少需水，抑制需求，緩解供需矛盾。隨著經濟社會發展和人口增長，用水需求日益增加，造成供水不足，進而使供需矛盾尖銳，最終發展為經濟社會干旱。

引入有限元自適應調整方法，得到隧道方向的中間橫截面為驅動方程為忽略不同工況之間的動力學差異性的動態特性影響，得到隧道開挖過程中對群樁的動態特征分布函數為

采用垂直約束方法構建長距離隧道施工的加載力/力矩聯合控制項為{Wfinal}，盾構隧道分步開挖控制器參數特征量為

根據上述設計，得到彎矩、水平位移、軸力等關鍵參數的計算結果描述為

對上述計算的參數進行信息融合處理，為實現深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工控制提供數據輸入基礎。

2 施工優化控制

2.1 地基土層基本物理力學指標及基樁優化優化設計

在上述進行長距離隧道TBM施工的盾構參數優化設計，對彎矩、水平位移、軸力等參數進行準確計算的基礎上，進行施工方法的優化設計[7]，隧道開挖對群樁彎矩影響的Lyapunov函數為

對Lyapunov函數求導：

根據隧道由遠及近側的趨于穩定性原理[8]，隧道開挖對群樁彎矩的穩態誤差補償項為

當?=±90°時，隧道掘進過程中的樁體彎矩動態轉動慣量qi(t)為

其中0＜t＜1，隨著盾構推進，得到驅動力學模型方程為

圖3 施工的基樁優化設計模型

2.2 隔離樁盾構隧道開挖施工優化控制

由于隧道掘進過程中的樁體彎矩動態變化，得到隔離樁盾構隧道開挖陡峭程度為一個1×k維向量為D，得到根樁的彎矩模式為

在樁身中間(隧道開挖平面位置)水平方向，隔離樁的載荷延遲共軛為

其中

在樁底變形的限制下，不同工況軸力差異特征統計量為

已知a(t)≥| |s(t)，表示a(t)在載荷的平坦系數，針對深埋軟硬互層地質土體的各向異性和復雜邊界條件進行長距離隧道施工過程中的地基土層基本物理力學指標，使得輸出荷載信息與期望最小，實現隔離樁盾構隧道開挖施工優化設計。

3 實驗測試

在實際的施工場景中分析本文設計的隔離樁盾構隧道開挖施工方法的性能，隧道開挖端的橫截面為23.4m,隔離樁沿地層埋深(即y向)取36m，最大負彎矩從55 kN·m，隧道盾構施工的斷面圖如圖4所示。

圖4 隧道盾構施工的斷面圖

采用模糊約束控制方法進行長距離隧道TBM施工的盾構參數優化設計，對關鍵參數進行優化設計，設計隧道的盾構掘進結構參數見表1。

根據上述參數設定，進行長距離隧道TBM施工，測試不同工況下的地基土層基本物理參數，得到彎矩測試結果如圖5所示。

表1 隧道的盾構掘進結構參數

圖5 施工參數測試分析

分析上述測試結果得知，不同工況的彎矩差異性較小，說明采用該方法進行深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工的彎矩控制性能較好，水平位移和沉降的效能較好，提高了深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工的質量。

4 結束語

在進行深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工中，受到彎矩和樁-樁相互作用的影響，導致隧道產生偏差，需要對深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工技術進行優化設計。本文基于隔離樁盾構隧道開挖技術的深埋軟硬互層地質長距離隧道TBM施工方法，根據對施工現場的最大沉降斷面沉分布，采集推進數據，采用壓力學控制方法，對長距離隧道盾尾施工的非線性模型問題轉化為線性問題進行長距離隧道施工過程中的地基土層基本物理力學指標優化設計，實現了隔離樁盾構隧道開挖施工優化設計。研究得知，采用本文方法進行深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工的彎矩控制性能較好，水平位移和沉降的效能較好，提高了深埋軟硬互層地質的長距離隧道施工的質量，具有很好的應用價值。