盾構(gòu)施工過程中的土體變形研究

■陳德國

（中鐵二十一局軌道工程公司 山東濟(jì)南250000）

盾構(gòu)施工過程中的土體變形研究

■陳德國

（中鐵二十一局軌道工程公司 山東濟(jì)南250000）

在我國城市化建設(shè)的過程中，越來越多的大中城市開始修建地鐵，以緩解城市的交通壓力。在地鐵修建的過程中經(jīng)常使用到盾構(gòu)施工法。盾構(gòu)施工法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠使隧道周圍土體受到隧道開挖的影響降低。但是盾構(gòu)推進(jìn)的過程中也難免會(huì)對(duì)地層進(jìn)行擾動(dòng)。本文對(duì)盾構(gòu)施工過程中的土體變形情況進(jìn)行了研究，希望能夠?yàn)槎軜?gòu)施工提供一些經(jīng)驗(yàn)和參考。

土體變形盾構(gòu)施工土體損失

在地鐵施工中，盾構(gòu)和土體之間會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，從而引起土體的變形。要對(duì)盾構(gòu)施工過程中的土體變形進(jìn)行控制，就必須對(duì)盾構(gòu)施工造成的土體變形的特征進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致土體變形的各種因素。當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)盾構(gòu)施工引起的土體變形的研究方式主要有數(shù)值計(jì)算法、Mindlin法、復(fù)變函數(shù)法、隨機(jī)介質(zhì)法、彈性應(yīng)變法以及Peck公式和修正Peck公式法等等。

1　施工階段盾構(gòu)受力分析

在施工掘進(jìn)的過程中，盾構(gòu)主要受到兩方面的力：扭矩阻力和推進(jìn)阻力，具體情況見圖1。根據(jù)圖1可知，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中主要的扭矩阻力有：T3——刀盤切削渣土所需扭矩、T2——刀盤周邊摩擦扭矩、T1——刀盤正面摩擦扭矩；盾構(gòu)掘進(jìn)過程中主要的推進(jìn)阻力有：F2——刀盤正面土水壓力、F1——盾構(gòu)與地層之間摩擦。可以使用經(jīng)驗(yàn)公式來對(duì)扭矩和推力進(jìn)行計(jì)算，從而得出確切的力值[1]。

圖1　掘進(jìn)過程中的盾構(gòu)受力圖

2　盾構(gòu)施工中土體變形分析

本文在排出盾構(gòu)推進(jìn)過程中的時(shí)間效應(yīng)，僅考慮空間位置變化，并設(shè)定施工現(xiàn)場的土體為均質(zhì)不排水的線彈性半無限體的基礎(chǔ)上，探討了施工階段的盾構(gòu)受力特性。主要有以下一些因素會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)施工中的地面變形：①由于盾尾施工和開挖卸載而引起的土體損失，進(jìn)而造成地表沉降。②施工的過程中盾殼會(huì)與周圍的的土體產(chǎn)生摩擦，由于土體和盾構(gòu)之間具有較大的接觸面積，又受到了土壓力的作用，在盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行過程中盾殼就會(huì)與周圍的土體產(chǎn)生不斷的摩擦，從而形成較大的摩擦力，加速了地表的變形。③受到盾構(gòu)開挖面支護(hù)力的影響。在施工的過程中，開挖面必須具備一定的支護(hù)力，才能保證盾構(gòu)施工中開挖面土體的穩(wěn)定性，從而對(duì)開挖面前方的土體產(chǎn)生20 kPa左右的正面附加推力，盾構(gòu)對(duì)土體產(chǎn)生擠壓而造成擠土效應(yīng)，這樣就很容易使開挖面前方的地表由于擠壓的作用而向上隆起。④周圍土體會(huì)與刀盤產(chǎn)生摩擦作用。土體在這種摩擦作用的影響下會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切削作用，并使周圍土體產(chǎn)生變形[2]。

3　刀盤扭矩引起的變形

有兩種摩擦共同構(gòu)成了刀盤對(duì)土體對(duì)扭矩作用，一個(gè)是刀盤周圍的摩擦，另一個(gè)是刀盤正面的摩擦。以圖2所示的坐標(biāo)系為例，假設(shè)刀盤從y軸的正半軸轉(zhuǎn)向z軸的正半軸為刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，假定刀具為條幅型，并具有n幅刀具數(shù)量，對(duì)刀盤正面刀具摩擦力造成的縱向變形進(jìn)行計(jì)算，每幅刀具上的應(yīng)力均呈三角形分布狀態(tài)[3]。

圖2　Mindlin解計(jì)算示意圖

此時(shí)可以根據(jù)伽遼金位移函數(shù)將半空間體內(nèi)所受到的豎向集中力和水平集中力時(shí)產(chǎn)生的變形場合應(yīng)力求出來。以圖2顯示的坐標(biāo)系為例，在豎向集中荷載中作用的豎向位移公式應(yīng)該為公式1，在水平集中荷載中作用的豎向位移公式應(yīng)該為公式2。

公式中的土體泊松比用v表示，土體剪切彈性模量用G表示，掘進(jìn)方向離開挖面的水平距離用x表示。在公示1中，如果地表處的z=0，而且刀盤的位置為x=0的平面上，那么土體和刀盤之間的作用力就位于yz平面上。但是必須使集中荷載處于xz平面上才能利用Mindlin解進(jìn)行求解，因此還要對(duì)公式1進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)化，最終將刀盤正面刀具摩擦而造成的地表變形求出來。使用類似的求解方法，設(shè)定刀盤側(cè)面摩擦的分布是均勻的，那么可以對(duì)刀盤側(cè)面摩擦造成的縱向變形進(jìn)行計(jì)算，最終將其得出來[4]。

4　附加推力、盾殼摩擦和盾尾間隙引起的變形

在運(yùn)用盾構(gòu)法進(jìn)行施工時(shí)，盾構(gòu)通過以及盾構(gòu)的開挖卸載都會(huì)造成一定的建筑空隙，盡管使用了注漿工藝對(duì)空隙進(jìn)行填補(bǔ)，但是也會(huì)產(chǎn)生一定的土體損失，使地表發(fā)生沉降作用。研究中在計(jì)算附加推力、盾殼摩擦和盾尾間隙引起的變形時(shí)設(shè)定沿著軸線均勻的分布土體損失，并使用等效圓柱來對(duì)土體的損失進(jìn)行模擬，將地表豎向位移計(jì)算公式得出來。在施工的過程中，盾尾是盾尾間隙土體損失的主要產(chǎn)生部位，此時(shí)就需要修正Sagaseta公式的坐標(biāo)，從而得出公式3，也就是土體損失引起地表變形計(jì)算公式。

在公式3中，等效土體損失圓柱的半徑為a，盾構(gòu)長度為L。等效土體損失圓柱的半徑a的值直接關(guān)系到土體損失，土體損失百分率為η，單位長度的土體損失面積為πa2，那么可以得出R 2η= a2。

使用Mindlin解能夠?qū)⒍軞つΣ亮σ鸬牡乇碜冃魏驼娓郊油屏σ鸬牡乇碜冃斡?jì)算出來。在計(jì)算時(shí)假定荷載作用面就是推進(jìn)面，并以圓形均布荷載為正面附加推力。此時(shí)與前兩個(gè)公式相對(duì)照，可以將圓形均布荷載作用下地表變形計(jì)算公式得出來，即為公式4。其中盾構(gòu)正面單位面積附加推力為P。

運(yùn)用該計(jì)算方法可以求出周圍土體與盾殼摩擦力造成的地表變形。

在盾構(gòu)施工的過程中，土體損失造成的地表變形、土體與刀盤的側(cè)面和正面發(fā)生摩擦而造成的地表變形、周圍土體和盾殼形成的摩擦力造成的地表變形、正面附加推力造成的地表變形共同構(gòu)成了整個(gè)施工工程中的地表變形。

5　結(jié)論

本文對(duì)盾構(gòu)施工過程中的土體變形進(jìn)行了簡要的分析，盾構(gòu)施工過程中的土體變形可以分為土體損失造成的地表變形、土體與刀盤的側(cè)面和正面發(fā)生摩擦而造成的地表變形、周圍土體和盾殼形成的摩擦力造成的地表變形、正面附加推力造成的地表變形，將其分別計(jì)算出來并相加之后就能夠得到盾構(gòu)施工過程中的土體變形總和，從而對(duì)盾構(gòu)施工進(jìn)行指導(dǎo)。

[1]伍振志.基于非均勻收斂模式的隧道地表變形的隨機(jī)介質(zhì)預(yù)測模型 [J].中南大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版).2010(05).

[2]宋書顯.基于隨機(jī)介質(zhì)理論的盾構(gòu)法隧道穿越火車站股道沉降預(yù)計(jì) [J].企業(yè)技術(shù)開發(fā).2011(15).

[3]劉廣仁,常喜平,寇寶慶,安冬云,李應(yīng)輝.盾構(gòu)法施工中砂層進(jìn)洞段降水設(shè)計(jì)與施工[J].石油工程建設(shè).2012(01).

[4]余勇利,羅曉娟,王永軍.北京地區(qū)隧道盾構(gòu)法施工中地表沉降影響因素分析 [J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù).2012(01).

TU7[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-370-2

陳德國（1976～），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殍F路、公路、地鐵工程施工。