土體在盾構法隧道施工中產生的變形預測

師麗穎

(山西路橋集團國際交通建設工程有限公司，山西太原 030006)

土體在盾構法隧道施工中產生的變形預測

師麗穎

(山西路橋集團國際交通建設工程有限公司，山西太原 030006)

介紹了土體變形的二維彈性應變理論，探討了土體損失率的計算方法，并結合多個實際工程案例，對土體在盾構法隧道施工中產生的變形問題進行了研究，指出土體在盾構法隧道施工中產生變形的原因是多方面的，且離隧道越近，土體產生的變形越明顯，因此在隧道施工中要對這一現象予以高度重視。

土體，盾構法，隧道施工，變形預測

0 引言

在當前盾構法隧道施工過程中，不可避免的會對周圍土體產生擾動，最終出現土體變化，如不能及時處理，將會對隧道施工建設造成嚴重影響。一般認為，在盾構法隧道施工過程中，土體損失是導致土體變形的關鍵因素，隧道單位長度土體損失量主要用Vlass表示。目前，Peck公式已經被應用在預測盾構施工中優于土體損失而引起的地面沉降曲線分析中，但從實際情況來看，考慮到盾構施工所引起的土體變形具有不確定性，若單方面采用一種計算方法不能全面分析其變形現象。因此，需要對土體在盾構法隧道施工中產生變形情況進行預測，以更好的指導盾構法隧道施工項目開展。

1 土體變形的二維彈性應變理論研究

一般在盾構法施工過程中，受盾構開挖卸載與盾尾通過后所產生的建筑空隙等多方面因素影響，土體損失現象會不可避免的產生，最終引起地面沉降變形。圖1記錄了一種簡單的土體損失資料。假設隧道開挖斷面中心線深度為H，在施工過程中沿x軸開展施工，采用等效圓柱體模擬土體損失情況，并根據x軸不斷變化而有效分布。同時，假設土體為無限介質(在施工中土體體積不可壓縮，固定不變)，則可以確定，此時地面沉降計算公式為:

其中，Vlass為隧道單位長度的土體損失量;x，y，H等均采用圖1相關系數。

根據式(1)，為方便研究，假設y=0，則隧道軸線上地面最大沉降量Smax(x)掘進方向的變化為:

根據式(2)，假設當x→+∞時，土體損失所引起的隧道軸線上的最大沉降量等于0，則土體損失率η(x)=0;若x=0，則土體損失所引起的隧道軸線上的土體沉降率達到最大值，η(x)=η，此時η就是最大土體損失率。

2 土體損失率計算

2.1 關系分析

相關研究表明，土體損失呈三維，包括:在開挖前方，土體損失所引起的地面沉降不斷減少;在開挖面后方，地面沉降會沿掘進方向逐漸增大，并能在達到一定距離后將沉降現象穩定在一定區域內。

假設采用切片法沿隧道掘進方向(x方向)將土體切成多個橫向斷面，在這種環境下，每個橫向斷面都存在一條地面沉降曲線。此時，采用Peck公式擬合、反分析每一條地面沉降曲線的資料，就可以確定不同斷面的土體損失率。同時，考慮到每一個斷面的地面沉降曲線存在差異，因此在確定不同斷面土體損失率時會發現其數值也會存在差異。即土體損失率不是定制，主要會沿著掘進方向而變化，且η(x)是橫向斷面土體損失率，隨著施工深入，該數值會逐漸經歷一個從無到有的過程，會單方面與x存在關系，不與y，z存在關系。該結論已經在上述公式論證。

2.2 位移計算公式推導

根據盾構法隧道工程項目施工實際情況來看，焦點上方土體會產生向下移動，因此可以采用圖2的結構來計算部分土體損失情況。

圖1 土體損失量結構示意圖

圖2土體變形模型與土體損失邊界條件

根據圖2的相關信息，根據上文所提出的土體不排水為基礎條件。由于土體損失擴散方式不同，根據土體損失面積相等原理，在統一土體移動模型所引起的隧道軸線上方最大地面沉降量的Smax1值應該大于徑向移動模型相應引起的Smax2值，并保證地面沉降的影響范圍變小。在上述數據基礎上，令:

其中，A，B分別為不同修正系數，主要根據便捷條件所獲取。

根據式(3)相關內容，當x=0，z=0，則其修正系數則可以表示為B=Smax1/Smax2。同時，根據土體損失面積相等原理，推導出:

其中，η為土體損失百分率。

根據式(4)的相關內容，假設d=0，B=0，則在隧道軸線上方，地面沉降主要由隧道周圍累積等量土體損失所引起的;對于地面沉降槽邊緣點處，所產生的土體損失量與填充部分以外的土體損失量相同。由此可以確定，研究地段的地面沉降量與Smax1之間的比值，應該與填充部分以外的土體損失量與總的土體損失量比值相同。

3 實例研究

3.1 杭州地鐵1號線隧道

在杭州地鐵1號線施工中，其盾構開挖直徑D=6.34 m，盾構穿越粉質砂土與粉土，于右側先開挖。根據杭州地鐵1號線的實際施工情況，考慮到其掘進距離x不同，則先計算先行隧道與后行隧道引起的橫向地面沉降曲線，并在疊加之后確定總的橫向地面沉降曲線。從曲線的相關規格可以發現，其中x=－100，說明該工程項目的開挖面已經通過計算斷面100 m;而在開挖面還沒達到目標位置時，x＜5.0 m，則整個工程項目已經產生地面沉降現象，并且隨著整個掘進施工不斷開展，其最大地面沉降值也會隨之增大，但其沉降幅度也會相應的減小;當掘進到一定距離后，最大沉降值的變化也會逐漸趨于穩定。

同時，由于該斷面數據近距離雙線盾構隧道，因此其地面沉降曲線基本符合正態分布的相關規律，總沉降最大值偏向先行隧道。因此可以判斷，當隧道掘進在一定距離時，本文的計算方法與實測數據是基本相同的。

圖3 案例隧道工程項目所引起的地面沉降曲線

圖3顯示的為兩條隧道中軸線，其相關數據分別顯示了當y=0與y=6 m時，縱向地面沉降曲線計算值與實測值之間的比值情況，其中y=6 m表示位于中軸線右側6 m處。

從圖3可以發現，隨著該工程項目不斷開展，當隧道通過該斷面時，土體損失所引起的地面沉降量逐漸變大;在隧道開挖至該計算斷面后，沉降量也有了相應的變化，單其變化幅度不明顯，并逐漸趨于穩定，但需要注意的是，雙線隧道所引起的最大沉降量約為計算斷面處的2倍。通過對相關數據進行分析后可以發現，兩者的變化趨勢十分吻合，但與實際數據相比，通過計算所確定的土體沉降資料大于實測數據。導致出現這一誤差的原因是由于在本次研究中沒有考慮在施工中出現的摩擦力、推力的作用。

3.2 武漢長江隧道

武漢長江隧道的雙線盾構開挖直徑D=11.38 m，主要開挖土質包括中粗砂、粉細砂、卵石底層等，均屬于右側先開挖。

根據武漢長江隧道工程項目的實際情況，確定不同x時的雙線盾構隧道所引起的總沉降曲線。在曲線圖中，x=0 m代表隧道開挖面處于計算面中，并且隨著隧道掘進工程不斷開展，其橫向地面總沉降不斷接近實測數據。當x=－40 m時，該工程項目的計算值與實測值相差不大;而隨著x繼續增大，其總沉降曲線變化不明顯。

而通過對該隧道某斷面在雙線盾構開挖面前后距離的研究情況來看，在不同位置時所引起的總橫向地面沉降曲線存在十分明顯的沉降曲線變化情況。在研究中，假設先行隧道開挖位置不變，x=－100 m，則隨著后行隧道開挖深入，其地面沉降槽寬度、總沉降量相應的增加，最大沉降值將小幅度靠近于后行隧道。該結果說明，雙線平行盾構隧道施工時前后開挖面距離不宜太近，避免出現嚴重的土體變形現象。

4 結語

主要研究了土體在盾構法隧道施工中產生變形預測的相關內容，并從多個方面對其變形內容進行研究。總體而言，土體變形是盾構隧道施工過程中的一種常見現象，因此在施工過程中要予以高度重視。在實際工程項目施工中，相關人員需要全面研究不同掘進條件等對土體變形的影響，為保證工程項目順利開展奠定基礎。

［1］ 朱逢斌，繆林昌.盾構隧道鄰近建筑物施工的地面變形分析及預測［J］.東南大學學報(自然科學版)，2013(4):856-862.

［2］ 張冬梅，宗 翔，黃宏偉.盾構隧道掘進引起上方已建隧道的縱向變形研究［J］.巖土力學，2014(9):2659-2666.

［3］ 梁榮柱，夏唐代，林存剛，等.盾構推進引起地表變形及深層土體水平位移分析［J］.巖石力學與工程學報，2015(3): 583-593.

［4］ 張 恒，陳壽根，鄧稀肥.盾構法施工對地表及橋梁樁基的影響分析［J］.地下空間與工程學報，2011(3):552-557.

［5］ 王 毅，范厚彬，郭傳點.盾構隧道施工引起地層變形的預測控制［J］.公路，2007(6):193-197.

The deformation prediction of soil in shield tunnel construction

Shi Liying
(Shanxi Road and Bridge International Transportation Construction Engineering Limited Company，Taiyuan 030006，China)

This paper introduced the two-dimensional elastic strain theory of soil deformation，discussed the calculation method of soil loss rate，and combining with a number of practical engineering cases，researched the deformation problems of soil in shield tunnel construction，pointed out that the deformation reasons were various of soil in shield tunnel construction，and the tunnel nearer，the soil deformation was more obvious，so in the tunnel construction should attach great importance to this phenomenon.

soil，shield method，tunnel construction，deformation prediction

U456.3

A

1009-6825(2016)35-0175-03

2016-10-10

師麗穎(1979-)，女，工程師