深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道TBM施工方法

趙維東

（中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶833300）

0 引言

隨著公路和鐵路隧道建設(shè)的發(fā)展，隧道的修建難度越來越大，在進行深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工中，受到彎矩和樁-樁相互作用的影響，導(dǎo)致隧道產(chǎn)生偏差，需要對深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工技術(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，避免深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工產(chǎn)生偏移。在采空區(qū)邊坡的滑移機理模式下，進行深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工設(shè)計，一般要結(jié)合TBM離心加載法，實現(xiàn)隧道周圍應(yīng)力-應(yīng)變分布特性分析，在有限元強度折減約束控制下，進行深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道TBM施工，提高隧道施工的穩(wěn)定性[1]。

傳統(tǒng)方法中，對深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工技術(shù)設(shè)計多采用模擬斷續(xù)節(jié)理變形控制方法、潛在滑移區(qū)位移控制方法、有限元分析方法和遮攔分析方法等[2,3]。采用現(xiàn)場實測分析方法進行深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工過程中的樁周土體的變形加載控制設(shè)計，提高了樁體的預(yù)埋精度，但該方法進行長距離隧道施工過程中的穩(wěn)態(tài)性不好。文獻[5]中提出一種基于盾構(gòu)隧道段聯(lián)合控制的隧道施工方法，在群樁的樁-樁相互作用影響下，進行隧道開挖的盾構(gòu)優(yōu)化控制，但該方法在進行深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工中的波動變形較大，地基土層基本物理特征的估計精度不高。對此，本文出基于隔離樁盾構(gòu)隧道開挖技術(shù)的深埋軟硬互層地質(zhì)長距離隧道TBM施工方法，實現(xiàn)施工技術(shù)優(yōu)化和指標(biāo)參數(shù)的優(yōu)化計算，并進行實驗測試分析，得出有效性結(jié)論。

1 盾構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和計算

1.1 長距離隧道TBM施工的盾構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

為了實現(xiàn)深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道TBM施工的優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)建長距離隧道TBM施工的盾構(gòu)參數(shù)解算模型，本文選取適合實際長距離隧道工程的盾構(gòu)參數(shù)，分析不同盾構(gòu)參數(shù)對地層的影響。本文研究的深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工現(xiàn)場的基坑平面圖和基坑混凝土澆筑度斷面圖如圖1所示。

圖1 長距離隧道施工現(xiàn)場的基坑澆筑斷面圖

根據(jù)圖1給出的基坑分布圖，設(shè)定距離隧道施工斷面沉降值在4.2 mm～4.3 mm穩(wěn)定，在每0.25m處設(shè)置預(yù)埋鋼筋，進行隧道施工的盾構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)和推進數(shù)據(jù)分析，平均分布隔離樁位置[4]，得到長距離隧道施工的預(yù)埋筋立面圖如圖2所示。

根據(jù)對施工現(xiàn)場的最大沉降斷面沉分布，采集推進數(shù)據(jù)，采用模糊約束控制方法進行長距離隧道TBM施工的盾構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，對彎矩、水平位移、軸力等參數(shù)進行準(zhǔn)確計算[5]，得到長距離隧道TBM施工的盾構(gòu)模態(tài)參量識別模型為

圖2 長距離隧道施工的預(yù)埋筋立面圖

在有限元計算中，根據(jù)承壓控制的辨識參數(shù)模型，得到長距離隧道盾尾空隙分布的特征矩陣R定義為

基于盾構(gòu)外徑與襯砌外徑的載荷轉(zhuǎn)移特性，進行長距離隧道施工過程中的機構(gòu)模型設(shè)計，采用ANSYS有限元軟件建立模糊約束控制參數(shù)模型為

在隧道的襯砌結(jié)構(gòu)中，得到加載力矩的自由邊界分布矩陣為

式中：s表示載荷彈性模量分布角度θ的正弦，c表示長距離隧道施工控制中預(yù)埋鋼筋角度θ的余弦。在連續(xù)驅(qū)動下長距離隧道施工盾構(gòu)參數(shù)控制的擾動力矩為ω(k)，在6自由度空間模型中，得到局部二階收斂特性變換矩陣

根據(jù)上述分析，構(gòu)建長距離隧道TBM施工的盾構(gòu)參數(shù)控制模型，分析長距離隧道TBM施工的盾構(gòu)辨識參數(shù)為mj(j=1,2,…m)?mj∈M，建立起相應(yīng)的Newton迭代格式，提高深埋軟硬互層地質(zhì)條件下長距離隧道施工的參數(shù)穩(wěn)態(tài)性。

1.2 施工關(guān)鍵參量計算

在進行深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道TBM施工中，需要進行長距離隧道施工的關(guān)鍵參量計算，對彎矩、水平位移、軸力等參數(shù)進行準(zhǔn)確計算，針對深埋軟硬互層地質(zhì)土體的各向異性和復(fù)雜邊界條件進行長距離隧道施工過程中的地基土層基本物理力學(xué)指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，采用壓力學(xué)控制方法，對長距離隧道盾尾施工的非線性模型問題轉(zhuǎn)化為線性問題[6]，得到結(jié)構(gòu)分布和相關(guān)參數(shù)模型為

采取有效的措施進行調(diào)控對于水資源可持續(xù)利用具有重要意義。通常采取以下兩種措施：第一，增加供水，滿足用水需求，實現(xiàn)供需平衡；第二，減少需水，抑制需求，緩解供需矛盾。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展和人口增長，用水需求日益增加，造成供水不足，進而使供需矛盾尖銳，最終發(fā)展為經(jīng)濟社會干旱。

引入有限元自適應(yīng)調(diào)整方法，得到隧道方向的中間橫截面為驅(qū)動方程為忽略不同工況之間的動力學(xué)差異性的動態(tài)特性影響，得到隧道開挖過程中對群樁的動態(tài)特征分布函數(shù)為

采用垂直約束方法構(gòu)建長距離隧道施工的加載力/力矩聯(lián)合控制項為{Wfinal}，盾構(gòu)隧道分步開挖控制器參數(shù)特征量為

根據(jù)上述設(shè)計，得到彎矩、水平位移、軸力等關(guān)鍵參數(shù)的計算結(jié)果描述為

對上述計算的參數(shù)進行信息融合處理，為實現(xiàn)深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工控制提供數(shù)據(jù)輸入基礎(chǔ)。

2 施工優(yōu)化控制

2.1 地基土層基本物理力學(xué)指標(biāo)及基樁優(yōu)化優(yōu)化設(shè)計

在上述進行長距離隧道TBM施工的盾構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，對彎矩、水平位移、軸力等參數(shù)進行準(zhǔn)確計算的基礎(chǔ)上，進行施工方法的優(yōu)化設(shè)計[7]，隧道開挖對群樁彎矩影響的Lyapunov函數(shù)為

對Lyapunov函數(shù)求導(dǎo)：

根據(jù)隧道由遠及近側(cè)的趨于穩(wěn)定性原理[8]，隧道開挖對群樁彎矩的穩(wěn)態(tài)誤差補償項為

當(dāng)?=±90°時，隧道掘進過程中的樁體彎矩動態(tài)轉(zhuǎn)動慣量qi(t)為

其中0＜t＜1，隨著盾構(gòu)推進，得到驅(qū)動力學(xué)模型方程為

圖3 施工的基樁優(yōu)化設(shè)計模型

2.2 隔離樁盾構(gòu)隧道開挖施工優(yōu)化控制

由于隧道掘進過程中的樁體彎矩動態(tài)變化，得到隔離樁盾構(gòu)隧道開挖陡峭程度為一個1×k維向量為D，得到根樁的彎矩模式為

在樁身中間(隧道開挖平面位置)水平方向，隔離樁的載荷延遲共軛為

其中

在樁底變形的限制下，不同工況軸力差異特征統(tǒng)計量為

已知a(t)≥| |s(t)，表示a(t)在載荷的平坦系數(shù)，針對深埋軟硬互層地質(zhì)土體的各向異性和復(fù)雜邊界條件進行長距離隧道施工過程中的地基土層基本物理力學(xué)指標(biāo)，使得輸出荷載信息與期望最小，實現(xiàn)隔離樁盾構(gòu)隧道開挖施工優(yōu)化設(shè)計。

3 實驗測試

在實際的施工場景中分析本文設(shè)計的隔離樁盾構(gòu)隧道開挖施工方法的性能，隧道開挖端的橫截面為23.4m,隔離樁沿地層埋深(即y向)取36m，最大負彎矩從55 kN·m，隧道盾構(gòu)施工的斷面圖如圖4所示。

圖4 隧道盾構(gòu)施工的斷面圖

采用模糊約束控制方法進行長距離隧道TBM施工的盾構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，對關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計隧道的盾構(gòu)掘進結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，進行長距離隧道TBM施工，測試不同工況下的地基土層基本物理參數(shù)，得到彎矩測試結(jié)果如圖5所示。

表1 隧道的盾構(gòu)掘進結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 施工參數(shù)測試分析

分析上述測試結(jié)果得知，不同工況的彎矩差異性較小，說明采用該方法進行深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工的彎矩控制性能較好，水平位移和沉降的效能較好，提高了深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

在進行深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工中，受到彎矩和樁-樁相互作用的影響，導(dǎo)致隧道產(chǎn)生偏差，需要對深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工技術(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。本文基于隔離樁盾構(gòu)隧道開挖技術(shù)的深埋軟硬互層地質(zhì)長距離隧道TBM施工方法，根據(jù)對施工現(xiàn)場的最大沉降斷面沉分布，采集推進數(shù)據(jù)，采用壓力學(xué)控制方法，對長距離隧道盾尾施工的非線性模型問題轉(zhuǎn)化為線性問題進行長距離隧道施工過程中的地基土層基本物理力學(xué)指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了隔離樁盾構(gòu)隧道開挖施工優(yōu)化設(shè)計。研究得知，采用本文方法進行深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工的彎矩控制性能較好，水平位移和沉降的效能較好，提高了深埋軟硬互層地質(zhì)的長距離隧道施工的質(zhì)量，具有很好的應(yīng)用價值。