深埋盾構隧道施工模擬及控制要點分析

李小峰

（廣東宏德投資有限公司，廣東 英德 510300）

0 引言

進入21 世紀，城市地上空間的利用已最大化，然而仍無法解決擁堵的交通，地下空間的開發利用成為本世紀發展的熱點。我國幅員廣闊，地質、地形條件復雜，各個城市所面對的問題不同，甚至同一城市所面對的工程地質環境也截然不同，在硬巖和軟土地區地下隧道的施工所控制的要素也不相同[1]。盾構法誕生于180年前的英國，在近幾十年得到迅猛發展，采用盾構施工，可以將隧道施工的效率提高8～10 倍，而且對地面擾動小，無需大規模拆遷和圍擋，對地面交通影響較小，施工過程無噪音，對沿線居民的生活幾乎沒有影響，適用于城市軟土層、深埋隧道。但是在軟土地區，土體的施工開挖引起的固結對工程影響較大，另一方面，盾構隧道施工過程中引起的土體變形，以及對周圍建筑的影響引起人們的廣泛關注[2]。

目前，國內外工程師對軟土地區深埋盾構法地鐵區間隧道施工過程的數值模擬和監測已越來越重視，并且有不少研究成果。馮利坡，鄭永來[3]等依據極限分析上限法和水土壓力統一參數，建立了考慮水壓影響的深埋盾構隧道開挖面三維對數螺旋破壞模式模型，并推導了其支護壓力計算公式，并將其應用到上海長江盾構隧道工程中。劉樹佳，白廷輝[4]等對上海軟土地區深埋地層某盾構區間施工過程進行施工過程擾動全斷面監測，并對深部地層土體擾動進行分析。張治國，張孟喜[5]依托上海軌道工程實踐，采用三維有限元數值模擬方法研究軟土城區土壓平衡盾構機上下交疊穿越地鐵隧道的變形規律，提出上下交疊穿越地鐵隧道的盾構施工參數設定規律以及安全控制技術措施。上述研究，對盾構法隧道的數值模擬做出了貢獻，但是，由于模擬手段、建模方式以及地質差異性的限制，使得不能對具體的問題提供有效的指導。

本文以某地鐵盾構隧道工程為例，利用有限元計算分析軟件Midas 對軟土地區深埋盾構法隧道施工的全過程進行三維數值仿真分析，研究盾構隧道施工過程所引起的土體位移場、應力場的改變，并對現場監測值進行對比，最后對施工位移控制提出相應的建議。

1 計算原理

Mohr-Coulomb 強度理論是Mohr 強度理論的一個特殊情況。Mohr 強度理論認為復雜應力狀態下材料的破壞，是由于在荷載的作用下，沿某一斜截面上的剪應力τ達到了極值，但是該值與剪切面上的所受到的正應力σ有關。斜截面上材料的抗剪強度是該面上正應力的函數[6]。即。只有當剪應力時，材料才會沿該斜截面發生破壞。上述表達式是一條曲線，而Mohr-Coulomb 強度理論則是其中最簡單的直線，具體表達式為：

其中，［τ］為抗剪強度，C 為黏聚力，φ為內摩擦角，σ為正應力。

極限情況為：τ=σt anφ+C，屈服曲線如圖1所示，該強度理論的物理意義為：當剪切面上的主應力與正應力的比值達到最大時，材料發生屈服與破壞。

此外，由于土體的三相特性，使得土體在外荷載作用下的變形呈現除彈性、塑性外的粘滯特性，具體表現在土體的變形除受應力水平的影響，還與時間先關，即蠕變，在有限元仿真模擬的過程中，采用Mohr—Coulomb 本構模型可真實反映軟土變形狀況。

圖1 Mohr-Coulomb 強度準則屈服曲線

2 工程概況與模型建立

2.1 工程概況

東南某沿江城市地下鐵路隧道，盾構法區間隧道長1836m，采用分離式單洞單線圓形斷面形式，隧道斷面內徑5.9m，外徑6.6m。管片內徑：5900mm，管片厚度：350mm，管片寬度：1200mm，分塊數：6 塊，楔形量：26.4mm，縱向螺栓：16 根M30 彎螺栓，環向螺栓：12 根M30 彎螺栓。結構埋深約7.5～21.5m。

2.2 計算參數

依據地勘提供鉆孔柱狀圖，確定了該深隧道圍巖的初始參數，由于表層土體物理性質基本一致，為粉質黏土，現將覆土合并，參數見表1。

表1 計算參數表

2.3 模型建立

根據勘察資料，建立如圖2所示的模型。隧道埋深依據實際情況確定，為21.5，隧道底部，以及兩側距離邊界為5D，為簡化建模，將隧道設置為均質圓環，不考慮管片接頭。本文模擬，土體采用Mohr-Coulomb 模型，管片、注漿按彈性模型處理。除定義自重外，還需要模擬施工頂進過程中的壓力，即掘進壓、千斤頂推力、盾殼外壓以及管片外壓。

圖2 模型示意圖

3 計算結果

本文為研究軟土地區深埋盾構法隧道施工過程所引起的土體位移場、應力場的改變，需要監測測點的位移、應力變化及分布規律，現將計算結果分別分析。

3.1 變形分析

在施工區域中各選取一個具有代表性的監測點，提取模擬全過程中的位移資料，并提取施工過程中現場實際監測的結果，現將計算過程中所監測到的測點位移與現場監測值繪制在圖3中。

由圖3可以看出，模擬過程中的監測點的數值模擬結果與現場實測值值存在一定的誤差，軟件計算的結果具有階梯性，而現場實測值由于監測頻率限制，呈增長趨勢。但監測點的位移變化規律與實際變化規律基本一致，由此可見利用軟件對施工過程進行模擬分析基本可行，并且具有一定的參考價值。

圖3 測點位移變化規律

為研究施工過程對周圍土體的影響深度，對模擬過程中由外力引起的位移進行簡化分析，并簡化成理論模型，如圖4所示。

圖3 施工擾動范圍

根據簡化模型可以發現，盾構隧道施工過程中將對90°-ψ范圍內的土體有擾動，ψ為土體內摩擦角。在施工過程中應對此范圍加強監測，如果在此范圍內有建筑物或相鄰管線、隧道等，應加強保護，防止施工時致其傾倒或沉降過大。

3.2 應力分析

3.2.1 最大主應力分析

將測點的最大主應力值提取，并繪制在表=圖4中，根據Mohr-Coulomb 強度理論，材料抗剪強度與作用在其上額正應力相關，隨著施工的進行，測點的最大主應力增加，土體受壓，抗剪強度提高。

圖4 最大主應力變化曲線

3.2.2 管片應力分析

管片受力，在一定程度上也反映了施工過程周圍土體的受力狀況，現提取S17施工階段的管片主應力云圖，如圖5所示。

根據模擬全過程的云圖可以發現，管片的最大主應力隨開挖不斷變化，開挖部分的主應力最大，距離掌子面越遠，主應力越小。

圖5 管片最大主應力云圖

4 結語

本文對軟土地區深埋盾構法隧道施工過程進行三維有限元仿真分析，首先對模擬的基本原理進行解釋，將模擬結果進行分析，并將其與現場實測結果進行對比，得出以下主要結論：

（1）監測點的軟件計算值與實際監測值，基本趨勢一致，工程中利用有限元軟件對施工過程進行預測是可行的，并且具有參考價值；

（2）盾構隧道施工過程中，對土體的擾動在90°-ψ范圍內，應加強該范圍內土體以及相鄰構造物的監測和加固。