盾構施工過程中的土體變形研究

溫慶峰

[摘要]在盾構施工過程中，采用彈性力學的Mindlin解經變換坐標推導出土體和刀盤之間摩擦力引發地面變形的計算公式，從而導出盾構施工引發土體變形的計算方法。通過研究可知：盾構施工過程中，影響土地變形的主要因素是正面推力以及后殼的摩擦，設置刀盤扭矩的主要因素是刀盤和土體之間的摩擦。本文結合成都地鐵10號線工程中的土層結構，對盾構和土地之間相互作用進行分析，計算出盾構和土體之間作用引發土體變形特點。由此可見，研究盾構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意義。

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

近年來，我國城市建設快速發展，我國很多城市地鐵已經投入使用，也有很多地鐵項目在修建當中。在開挖隧道過程中，會對周圍的土地產生擾動，因此，一般采用盾構施工方式進行。雖然，近年來盾構施工的技術有了很大的提升，但是，由于隧道施工受到施工工藝以及地質條件的影響，很難避免因推進盾構引發的地層擾動。結合盾構施工過程中引發的土體變形，現階段，業內人士已經開展大量的研究，旨在保障隧道施工相關工作順利開展。

1 盾構施工土體變形研究方法

1.1 經驗公式法

經驗公式法也稱為（修正）Peck公式法，其一般應用于水平地表隧道施工沉降預測，而對于山嶺隧道，特別是進出口段往往地形傾斜，存在不同程度的偏壓。通過查閱大量文獻資料可知，通過地層損失率對土體變形進行估算，結合工程實際情況和資料統計土體損失率取值。

1.2 彈性應變法

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，通過進一步的論證，可以將盾構施工過程中的土體看做是可以壓縮的材料，結合隧道變形情況，對土體空隙的參數進行重新的定義。

1.3 復變函數法

以隧道變形為基礎，將隧道變形看做是橢圓化，采用復變函數分析盾構施工中的土體變形，從而映射求解。

1.4 隨機介質法

將盾構結構中的土體看做是隨機變化的介質，采用隨機預測方式預測盾構施工中引發的土體損失數值。

1.5 Mindlin解法

采用空間彈性力學的Mindlin解，通過正面附加的推力以及盾殼和土體之間產生的摩擦力土體導出土體變形的計算方法。

1.6 數值計算法

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

本文結合盾構施工的過程，對盾構施工中的盾構和土體之間摩擦作用進行分析，選擇盾構土體變形主要形式。通過Mindlin解對刀盤和土體之間的摩擦引發土體變形的計算公式進行詳細推到，并結合土體變形公式、盾殼和土體之間摩擦引發變形公式，推算出盾構施工總地面的變形公式，分析盾構和土體作用之后的土體變形的特點，對比實測結果。

2 盾構施工過程中的土體變形研究

2.1 盾構施工過程中的土體變形因素

在盾構施工過程中，主要是由于以下幾個方面因素引發的土體變形。

（1）刀盤和周圍土體產生的摩擦作用，此種摩擦會在一定程度上扭轉切削土體，從而導致土體變形。

（2）盾構在開挖過程中產生的支護力作用。為了保障挖面土體的穩定性，在開挖盾構過程中需要保障有充足的支護力，從而保障開挖土體能夠有個正面的附加推力P，數值一般控制為±20kPa，由于盾構擠壓造成土體出現擠土反應，主要體現在開挖前方地面出現隆起現象。

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

（4）在開挖卸載過程中和盾尾施工過程中引發的土體損失，導致地表下沉。

2.2 研究內容和難點

本文將理論和項目實踐相結合對盾構施工過程中土體變形展開研究。由于在盾構施工中其土體層次和性質不同，因此，在解析過程中計算土體變形數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際的沉降值相互吻合，從而保障盾構隧道開挖引發的土體變形預測值更加準確。由于Mindlin解法對于計算均勻土質相對比較有效，也可以采用ANSYS軟件進行隧道開挖土體變形模擬，在挖掘過程中，土體變化是一個動態的力學過程，需要考慮三維分析方式，因此，在存儲數據以及計算數值方面需要耗費大量人力和物力，隧道施工屬于批量性作業，無疑為土體變形研究帶來一定的難度。

3 工程實例

本文以成都地鐵10號線一期工程為例，對成都地鐵盾構和土體之間相互作用進行分析。成都地鐵10號線一期工程土建4標華金中間風井至金花站盾構區間，左線起止點里程ZDK5+634.830-ZDK7+197.331，區間全線1562. 501m；右線起止里程YDK5 +617. 704～YDK7 +151.363，區間全長1533.659m。施工設計區間采用盾構法施工，從明挖中間風井始發，平行繞城高速方向向西北方向行進，在YDK7+013-YDK7+100處斜穿繞城高速（K48+216.80 - K48+317）到達金花站。共投入兩臺盾構機分別為中鐵裝備66#和137#。區間共設置兩處聯絡通道，分別在YDK6+179.787和YDK6+665.206，其中YDK6+179.787處為聯絡通道兼廢水泵房。正線線路右線共設曲線2處，最大曲線半徑為650m，最小曲線半徑為650m；左線共設曲線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，結構最小覆土埋深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‰。盾構隧道主要處于密實砂卵石層中。

本研究對盾構和土體之間復雜作用進行研究，通過Mindlin解進行坐標變換，推導出在盾構施工過程中刀盤摩擦以及側面摩擦引發的土體變形公式，并結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值。經過研究可知，正面的附加推力以及盾殼和土體摩擦力是推力設定主要因素，刀盤和土體的摩擦是扭矩設定主要因素。由于盾殼和土體的摩擦力相對較穩定，因此，引發的土體變形在刀盤Sm處的盾構部位呈現軸線反對稱現象，這也是引發盾構土面隆起的因素之一。刀面正面和側面的摩擦會引發土體表面沉降，導致沉降槽分布不對稱，特別在刀盤的截面處更加明顯，這和刀盤轉動的方向有密切的關聯。

4 結語

現階段，隧道施工一般使用挖掘機設計開挖土體，其具有經濟、快速、安全等優點。在盾構施工過程中，土體挖掘采用先進開挖技術，盾構施工技術以及設計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，會引發周圍土體變形，地面沉降等。因此，在盾構施工前期，需要深入研究盾構土體變形，盡量減少對周圍環境的影響，通過研究可知，土體正面的附加推力以及土體損失和現場的施工環境和施工工藝有很大的關聯，很容易發生起伏。因此，深入研究盾構施工過程中的土體變形十分必要。

參考文獻：

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