深埋盾構(gòu)隧道施工模擬及控制要點分析

李小峰

（廣東宏德投資有限公司，廣東 英德 510300）

0 引言

進入21 世紀，城市地上空間的利用已最大化，然而仍無法解決擁堵的交通，地下空間的開發(fā)利用成為本世紀發(fā)展的熱點。我國幅員廣闊，地質(zhì)、地形條件復(fù)雜，各個城市所面對的問題不同，甚至同一城市所面對的工程地質(zhì)環(huán)境也截然不同，在硬巖和軟土地區(qū)地下隧道的施工所控制的要素也不相同[1]。盾構(gòu)法誕生于180年前的英國，在近幾十年得到迅猛發(fā)展，采用盾構(gòu)施工，可以將隧道施工的效率提高8～10 倍，而且對地面擾動小，無需大規(guī)模拆遷和圍擋，對地面交通影響較小，施工過程無噪音，對沿線居民的生活幾乎沒有影響，適用于城市軟土層、深埋隧道。但是在軟土地區(qū)，土體的施工開挖引起的固結(jié)對工程影響較大，另一方面，盾構(gòu)隧道施工過程中引起的土體變形，以及對周圍建筑的影響引起人們的廣泛關(guān)注[2]。

目前，國內(nèi)外工程師對軟土地區(qū)深埋盾構(gòu)法地鐵區(qū)間隧道施工過程的數(shù)值模擬和監(jiān)測已越來越重視，并且有不少研究成果。馮利坡，鄭永來[3]等依據(jù)極限分析上限法和水土壓力統(tǒng)一參數(shù)，建立了考慮水壓影響的深埋盾構(gòu)隧道開挖面三維對數(shù)螺旋破壞模式模型，并推導(dǎo)了其支護壓力計算公式，并將其應(yīng)用到上海長江盾構(gòu)隧道工程中。劉樹佳，白廷輝[4]等對上海軟土地區(qū)深埋地層某盾構(gòu)區(qū)間施工過程進行施工過程擾動全斷面監(jiān)測，并對深部地層土體擾動進行分析。張治國，張孟喜[5]依托上海軌道工程實踐，采用三維有限元數(shù)值模擬方法研究軟土城區(qū)土壓平衡盾構(gòu)機上下交疊穿越地鐵隧道的變形規(guī)律，提出上下交疊穿越地鐵隧道的盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)定規(guī)律以及安全控制技術(shù)措施。上述研究，對盾構(gòu)法隧道的數(shù)值模擬做出了貢獻，但是，由于模擬手段、建模方式以及地質(zhì)差異性的限制，使得不能對具體的問題提供有效的指導(dǎo)。

本文以某地鐵盾構(gòu)隧道工程為例，利用有限元計算分析軟件Midas 對軟土地區(qū)深埋盾構(gòu)法隧道施工的全過程進行三維數(shù)值仿真分析，研究盾構(gòu)隧道施工過程所引起的土體位移場、應(yīng)力場的改變，并對現(xiàn)場監(jiān)測值進行對比，最后對施工位移控制提出相應(yīng)的建議。

1 計算原理

Mohr-Coulomb 強度理論是Mohr 強度理論的一個特殊情況。Mohr 強度理論認為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料的破壞，是由于在荷載的作用下，沿某一斜截面上的剪應(yīng)力τ達到了極值，但是該值與剪切面上的所受到的正應(yīng)力σ有關(guān)。斜截面上材料的抗剪強度是該面上正應(yīng)力的函數(shù)[6]。即。只有當(dāng)剪應(yīng)力時，材料才會沿該斜截面發(fā)生破壞。上述表達式是一條曲線，而Mohr-Coulomb 強度理論則是其中最簡單的直線，具體表達式為：

其中，［τ］為抗剪強度，C 為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角，σ為正應(yīng)力。

極限情況為：τ=σt anφ+C，屈服曲線如圖1所示，該強度理論的物理意義為：當(dāng)剪切面上的主應(yīng)力與正應(yīng)力的比值達到最大時，材料發(fā)生屈服與破壞。

此外，由于土體的三相特性，使得土體在外荷載作用下的變形呈現(xiàn)除彈性、塑性外的粘滯特性，具體表現(xiàn)在土體的變形除受應(yīng)力水平的影響，還與時間先關(guān)，即蠕變，在有限元仿真模擬的過程中，采用Mohr—Coulomb 本構(gòu)模型可真實反映軟土變形狀況。

圖1 Mohr-Coulomb 強度準則屈服曲線

2 工程概況與模型建立

2.1 工程概況

東南某沿江城市地下鐵路隧道，盾構(gòu)法區(qū)間隧道長1836m，采用分離式單洞單線圓形斷面形式，隧道斷面內(nèi)徑5.9m，外徑6.6m。管片內(nèi)徑：5900mm，管片厚度：350mm，管片寬度：1200mm，分塊數(shù)：6 塊，楔形量：26.4mm，縱向螺栓：16 根M30 彎螺栓，環(huán)向螺栓：12 根M30 彎螺栓。結(jié)構(gòu)埋深約7.5～21.5m。

2.2 計算參數(shù)

依據(jù)地勘提供鉆孔柱狀圖，確定了該深隧道圍巖的初始參數(shù)，由于表層土體物理性質(zhì)基本一致，為粉質(zhì)黏土，現(xiàn)將覆土合并，參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)表

2.3 模型建立

根據(jù)勘察資料，建立如圖2所示的模型。隧道埋深依據(jù)實際情況確定，為21.5，隧道底部，以及兩側(cè)距離邊界為5D，為簡化建模，將隧道設(shè)置為均質(zhì)圓環(huán)，不考慮管片接頭。本文模擬，土體采用Mohr-Coulomb 模型，管片、注漿按彈性模型處理。除定義自重外，還需要模擬施工頂進過程中的壓力，即掘進壓、千斤頂推力、盾殼外壓以及管片外壓。

圖2 模型示意圖

3 計算結(jié)果

本文為研究軟土地區(qū)深埋盾構(gòu)法隧道施工過程所引起的土體位移場、應(yīng)力場的改變，需要監(jiān)測測點的位移、應(yīng)力變化及分布規(guī)律，現(xiàn)將計算結(jié)果分別分析。

3.1 變形分析

在施工區(qū)域中各選取一個具有代表性的監(jiān)測點，提取模擬全過程中的位移資料，并提取施工過程中現(xiàn)場實際監(jiān)測的結(jié)果，現(xiàn)將計算過程中所監(jiān)測到的測點位移與現(xiàn)場監(jiān)測值繪制在圖3中。

由圖3可以看出，模擬過程中的監(jiān)測點的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測值值存在一定的誤差，軟件計算的結(jié)果具有階梯性，而現(xiàn)場實測值由于監(jiān)測頻率限制，呈增長趨勢。但監(jiān)測點的位移變化規(guī)律與實際變化規(guī)律基本一致，由此可見利用軟件對施工過程進行模擬分析基本可行，并且具有一定的參考價值。

圖3 測點位移變化規(guī)律

為研究施工過程對周圍土體的影響深度，對模擬過程中由外力引起的位移進行簡化分析，并簡化成理論模型，如圖4所示。

圖3 施工擾動范圍

根據(jù)簡化模型可以發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)隧道施工過程中將對90°-ψ范圍內(nèi)的土體有擾動，ψ為土體內(nèi)摩擦角。在施工過程中應(yīng)對此范圍加強監(jiān)測，如果在此范圍內(nèi)有建筑物或相鄰管線、隧道等，應(yīng)加強保護，防止施工時致其傾倒或沉降過大。

3.2 應(yīng)力分析

3.2.1 最大主應(yīng)力分析

將測點的最大主應(yīng)力值提取，并繪制在表=圖4中，根據(jù)Mohr-Coulomb 強度理論，材料抗剪強度與作用在其上額正應(yīng)力相關(guān)，隨著施工的進行，測點的最大主應(yīng)力增加，土體受壓，抗剪強度提高。

圖4 最大主應(yīng)力變化曲線

3.2.2 管片應(yīng)力分析

管片受力，在一定程度上也反映了施工過程周圍土體的受力狀況，現(xiàn)提取S17施工階段的管片主應(yīng)力云圖，如圖5所示。

根據(jù)模擬全過程的云圖可以發(fā)現(xiàn)，管片的最大主應(yīng)力隨開挖不斷變化，開挖部分的主應(yīng)力最大，距離掌子面越遠，主應(yīng)力越小。

圖5 管片最大主應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

本文對軟土地區(qū)深埋盾構(gòu)法隧道施工過程進行三維有限元仿真分析，首先對模擬的基本原理進行解釋，將模擬結(jié)果進行分析，并將其與現(xiàn)場實測結(jié)果進行對比，得出以下主要結(jié)論：

（1）監(jiān)測點的軟件計算值與實際監(jiān)測值，基本趨勢一致，工程中利用有限元軟件對施工過程進行預(yù)測是可行的，并且具有參考價值；

（2）盾構(gòu)隧道施工過程中，對土體的擾動在90°-ψ范圍內(nèi)，應(yīng)加強該范圍內(nèi)土體以及相鄰構(gòu)造物的監(jiān)測和加固。