復雜環境軟土地層中盾構隧道的變形效應研究

么家琦

（廣東粵東城際鐵路有限公司，廣東 汕頭 515000）

城市地鐵軌道交通日益發達，很大程度地緩解了城市交通壓力。在使用盾構機挖掘軌道交通隧道的過程中[1]，地下的地質條件復雜，在軟土環境下盾構隧道容易出現變形效應，在該情況下盾構隧道出現坍塌的風險較大。為保障盾構機施工作業安全，保證盾構隧道施工質量，對盾構隧道變形效應進行研究意義較大[2]。復雜環境軟土地層內含水率較高且土層內由淤泥質土、粉質黏土組成，當受到荷載或者自身荷載發生變化時，容易出現位移現象，地質結構不穩定增加了盾構機施工難度[3]。在該情況下，本文研究復雜環境軟土地層中盾構隧道的變形效應，為盾構隧道施工提供變形數據。

1 復雜環境軟土地層中盾構隧道的變形效應

1.1 工程地質概況

本文以某地鐵項目作為研究對象，車站主體基坑基底范圍內為軟土地層，以淤泥質土、淤泥質細沙和粉質黏土為主，其次為全風化和強風化的泥質粉砂巖，地質環境較為復雜。在車站主體基坑基底范圍地質結構內含水率數值較大，地質結構不夠穩定，為盾構隧道建設帶來了較大的難度。工程地質匯總見表1，其盾構隧道平面圖如圖1所示。

圖1 盾構隧道平面圖 （單位：mm）

表1 地質匯總表

盾構隧道推進方向相同，兩側均設有承臺，承臺尺寸為10m×10m，承臺兩端分別距離隧道5.5m 和5.8m，每個承臺均具有3 排樁，分別為前排樁、中排樁和后排樁。盾構隧道外徑寬度為6.1m，2 個盾構隧道之間的距離為11m。

1.2 基于HSS 模型的盾構隧道的變形效應計算

HSS 模型（Hyperstatic Soil-Structure）是一種新型的土力學模型，它可以描述土體中不同巖性的存在，從而更準確地預測建筑物所處的土壤狀態。該模型可以用于分析盾構隧道在復雜環境軟土地層中的變形效應?；趶椝苄岳碚?，將盾構隧道土體的變形行為視為由2 個方面共同貢獻的因素：彈性變形和塑性變形。其中，彈性變形是土體在受到加載后能恢復到原始狀態的變形，而塑性變形是當土體受到過大加載時，無法完全恢復的永久性變形。使用HSS 模型可以計算盾構隧道在不同情況下的變形效應。盾構機工作是分段連續進行的，盾構機每推進一段長度[4]，其土倉內壓力和尾部注漿的壓力均會被激活，土倉壓力和注漿壓力變化后，對盾構隧道產生一定作用力，使盾構隧道出現變形效應。令P為盾構機土倉壓力，其計算如公式（1）所示。

式中：L為盾構隧道中軸線以上覆土厚度；γm為盾構隧道覆土層加權平均重度；K0為正常固結條件下，靜止側壓力系數。

盾構機在工作的過程中，當盾尾部脫出時導致隧道壁和襯砌間出現間隙[5]，在理論上該間隙數值約為1.65m2，但在實際工況中，會存在一定偏差。為充分描述盾構尾部與襯砌之間間隙、盾構機注漿程度和隧道面土體的變形程度和范圍[6]，將盾構尾部與襯砌之間間隙概化為均質的彈性等代層，δ表示該層厚度，其計算如公式（2）所示。

式中：η為經驗系數；Qp為理論盾構尾部與襯砌之間間隙。

當考慮注漿時，盾構機尾部間隙填充不足、偏心超挖和支護壓力不足引起的間隙，則等代層厚度可改寫式（3）。

式中：z1、z2、z3分別為盾構機尾部間隙填充不足、偏心超挖和支護壓力不足引起的間隙。

以公式（1）和公式（3）結果為基礎，利用HSS 模型對盾構隧道變形效應進行反演。HSS 模型是反映土的硬化特征的模型，利用該模型可得到盾構隧道變形效應數值。令q、ε1分別為盾構隧道的偏應力和主應變，二者之間關系如公式（4）所示。

式中：Vf=qf/qa，qf為盾構隧道變形時偏應力；E50為三軸加載模量；qa為剪切強度漸進值。

令Eoed為不同預應力下盾構隧道土體壓縮模量，其計算如公式（5）所示。

令Eur為不同圍壓情況下盾構隧道土體卸載模量，其與盾構隧道土體切割線模量E50之間轉換公式如公式（6）所示。

令Q0為不同圍壓下，盾構隧道初始剪切模量，如公式（7）所示。

以公式（7）結果為基礎，計算盾構隧道土體剪切模量，如公式（8）所示。

式中：Q為盾構隧道土體剪切模量；ζ、ζ0.7分別為初始剪應變和剪切模量衰減到初始剪切模量的70%時對應的剪應變。

通過上述步驟，得到不同情況下盾構隧道土體剪切模量，該剪切模量為盾構隧道變形效應數值。

2 盾構隧道—周邊建筑群全區段一體化施工數值模擬方法

PLAXIS 3D 軟件是一種專業的有限元分析軟件，可用于進行土體和結構的三維數值模擬。在本文中，研究人員使用PLAXIS 3D 軟件進行盾構隧道與周邊建筑群全區段一體化施工的數值模擬。通過該軟件可以模擬盾構隧道施工對周邊土體和建筑物的影響，以評估變形效應并優化施工方案。使用PLAXIS 3D 軟件對盾構隧道－周邊建筑群全區段一體化施工數值模擬，獲得盾構隧道在復雜環境軟土地層中的變形效應[7]。盾構隧道與其周邊建筑群實體單元和節點較多，為簡化計算，將其地質軟土層看均質水平分布，周邊建筑樁基為矩形均勻分布[8]，建筑荷載也是均勻分布在底板位置。盾構隧道土體參數根據表1，隧道模型采用笛卡爾坐標系，盾構隧道邊界尺寸參考圖1，盾構隧道為彈性本構，其結構參數見表2。

表2 盾構隧道結構參數

根據上述參數，使用PLAXIS 3D 軟件建立盾構隧道施工數值模擬模型，從而進行施工模擬。這包括逐步添加盾構隧道和支護結構，并設置相應的施工時間和序列。定義盾構推進速度、注漿壓力等施工參數，并考慮盾構隧道和支護結構與土體的相互作用。通過動力學分析，模擬盾構的推進過程和支護結構的安裝過程，預測隧道變形和土體響應。首先，利用該模型模擬盾構機作業過程，其次，得到盾構隧道變形效應。最后，分析結果。施加適當的荷載條件，如地震荷載或靜態荷載，以評估盾構隧道和周邊土體的穩定性。通過計算位移、應變、應力和變形等參數，評估盾構隧道和周邊土體的變形效應。生成圖形化和數值化的分析結果，并進行后處理和結果解釋，以支持工程設計和決策。

3 試驗分析

利用建立的盾構隧道施工數值模擬模型，模擬盾構機推進，使用本文方法對該盾構隧道進行變形效應計算。在盾構隧道內每隔50m 設置一個觀測點，以5 個連續觀測點作為試驗對象，對右側隧道進行盾構機推進時，模擬5 個連續觀測點水平方向的變形位移，結果如圖2所示。

圖2 盾構隧道水平方向變形效應

分析圖2 可知，該隧道5 個監測點在水平方向上均出現不同的變形效應，其中測點5 在水平方向上變形效應數值最大。從5 個測點水平方向變形效應數值曲線來看，當樁長為20m～40m 時，該隧道水平變形效應最大。利用數值模擬方式呈現該盾構隧道垂直方向的變形效應，結果如圖3所示。

圖3 盾構隧道垂直變形效應云圖

分析圖3 可知，從盾構隧道垂直變形效應云圖來看，盾構隧道豎向位移由拱頂位置逐漸向兩側降低，但其幅度略小。盾構隧道豎向位移數值由大到小順序：拱頂位移大于兩側位置大于拱底為止，說明盾構隧道頂部位置變形效應較強，該結果也說明本文方法具有較為顯著的應用效果。以盾構隧道變形效應中的沉降量為衡量指標，10 個測點作為試驗對象，測試盾構隧道在穿越的過程中、穿越50 d 后和后續沉降數值，測試結果見表3。

表3 不同時段盾構隧道變形效應沉降量（單位：mm）

由表3 可知，10 個盾構隧道測點在盾構穿越過程中、盾構穿越后50 d 和后續時間中，其最大變形效應沉降量呈現上升趨勢[9]，但上升幅度不明顯。當10 個盾構隧道測點在盾構穿越時，其最大變形效應數值為0.193mm，最小變形效應數值為0.124mm。盾構穿越后50 d 時，盾構隧道測點最大變形效應數值為3.096mm，最小變形效應數值為2.036mm。當隧道盾構施工作業完成后，盾構隧道測點最大變形效應數值為3.824mm，最小變形效應數值為2.978mm。綜上所述，利用本文方法可有效獲得盾構隧道在不同時間段時，其最大和最小變形效應，為隧道安全施工提供變形效應數值，應用效果較佳。

4 結論

本文研究復雜環境軟土地層中盾構隧道的變形效應，采用該方法通過HSS 模型獲得盾構隧道變形效應數據，并建立盾構隧道掘進數學模型，對其盾構機掘進進行模擬。經過試驗可知，在負載環境軟土地層中，盾構隧道拱頂位置變形效應最大，當盾構樁長度為20m～40m 時水平變形效應最大。通過對盾構隧道變形效應進行研究，為盾構隧道施工安全管控打下良好基礎，未來可在盾構隧道施工領域廣泛應用。