軟土地層盾構(gòu)掘進(jìn)土體穩(wěn)定性模型試驗(yàn)研究

張子新 李小昌 李佳宇

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2022.052

收稿日期：2021?12?21

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（41877227）

作者簡(jiǎn)介：張子新（1966-?），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事隧道工程、地下結(jié)構(gòu)工程研究，E-mail： zxzhang@#edu.cn。

Received： 2021?12?21

Foundation item： National Natural Science Foundation of China （No. 41877227）

Author brief： ZHANG Zixin（1966-?）， PhD， professor， doctorial supervisor， main research interests： tunneling engineering and underground structures， E-mail： zxzhang@#edu.cn.

（同濟(jì)大學(xué)?a. 土木工程學(xué)院；?b. 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海?200092）

摘要：針對(duì)軟土地層盾構(gòu)掘進(jìn)周?chē)馏w穩(wěn)定性問(wèn)題，自主研制了TJ-TBM2015多功能微型隧道掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)改變外殼直徑以模擬地層損失，采用動(dòng)力控制系統(tǒng)，微型隧道掘進(jìn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道的連續(xù)動(dòng)態(tài)機(jī)械開(kāi)挖?；谠囼?yàn)平臺(tái)進(jìn)行了地表無(wú)超載、地表有局部超載和隧道臨近穿越群樁基礎(chǔ)3種工況的盾構(gòu)隧道掘進(jìn)試驗(yàn)，通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)不同工況掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降變形和隧道周?chē)馏w的應(yīng)力變化，研究土體的穩(wěn)定性特征，并進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?。結(jié)果表明，隧道開(kāi)挖引起的土體應(yīng)力重分布主要發(fā)生在隧道中心1倍直徑范圍內(nèi)；局部超載對(duì)土體穩(wěn)定性影響有限，但超載會(huì)造成其所在位置附近地表沉降增大；群樁基礎(chǔ)對(duì)地層起到了一定的加固和隔離作用。

關(guān)鍵詞：軟土地層；盾構(gòu)掘進(jìn)；模型試驗(yàn)；土體穩(wěn)定

中圖分類號(hào)：U455.7 ????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ????文章編號(hào)：2096-6717（2024）03-0041-11

Stability investigation during shield tunneling in soft soil by model test

ZHANG Zixin^a，b，?LI Xiaochang^a，?LI Jiayu^a

（a. College of Civil Engineering；?b. Key Laboratory of Geotechnical & Underground Engineering of Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 200092， P. R. China）

Abstract： In order to investigate general stability during shield tunneling in soft soil stratum， a TJ-TBM2015 multi-functional micro-tunneling test platform is developed independently. The shield shell diameter is changed to simulate the ground loss. By using the dynamic control system， the micro-tunneling boring machine can realize the continuous dynamic mechanical excavation. Based on the test platform， three tests of shield tunneling under different tunnelling conditions are carried out， including no overloading， local overloading and tunneling near the pile group foundation. The surface subsidence and stress variety around tunnel are monitored by transducer to investigate the general stability of different tests， which further give the comparison and discussion on the different test results. The results show that the soil within the one diameter of the tunnel center is greatly affected by tunneling; the influence of local overloading on soil stability is limited， but local overloading may increase the surface settlement; pile group foundation plays a certain role in strengthening and isolating the stratum.

Keywords： soft soil；?shield tunneling；?model test；?soil stability

經(jīng)過(guò)近200年的發(fā)展，盾構(gòu)法已經(jīng)成為一種比較成熟的城市隧道施工方法^[1]，具有對(duì)環(huán)境影響小、機(jī)械化程度高、地層適應(yīng)性強(qiáng)等多種優(yōu)勢(shì)^[2]，是現(xiàn)代隧道最理想的施工方法之一。然而，軟土地層中盾構(gòu)隧道掘進(jìn)依然面臨一些難題和挑戰(zhàn)：首先，軟土地層中盾構(gòu)隧道很難形成穩(wěn)定的土拱效應(yīng)來(lái)維持隧道的穩(wěn)定；其次，軟土顆粒間的摩擦效應(yīng)弱，這使土拱效應(yīng)的形成更加困難；還有盾構(gòu)穿越過(guò)程中對(duì)樁基周邊土體造成較大擾動(dòng)，土體變形行為尚不清楚，故開(kāi)挖面的失穩(wěn)就可能發(fā)生在上述各種實(shí)際工況中^[3-4]。因此，軟土地層中盾構(gòu)隧道穩(wěn)定性的關(guān)鍵就是如何控制好盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的土體變形。為了研究盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的土體變形行為，以及相應(yīng)的施工穩(wěn)定性問(wèn)題，一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)隧道開(kāi)挖土體穩(wěn)定性模型試驗(yàn)研究。Sterpi等^[5]進(jìn)行了砂性土層中馬蹄形隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性模型試驗(yàn)，根據(jù)對(duì)稱性原理取半個(gè)隧道寬度，襯砌由鋼管模擬，開(kāi)挖面采用氣囊支護(hù)，通過(guò)減小氣囊壓力的方式來(lái)觀察開(kāi)挖面穩(wěn)定性的變化。Kamata等^[6]進(jìn)行了砂性土地層中的隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性離心機(jī)試驗(yàn)，采用半圓形隧道模型，考慮了多種錨桿支護(hù)形式對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明開(kāi)挖面水平錨桿加固和地表豎向錨桿加固對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定性有較大影響。Lee等^[7]進(jìn)行了一系列黏土中的隧道開(kāi)挖離心機(jī)模型試驗(yàn)，考慮不同埋深比的單線隧道和不同間距的雙線隧道，研究了隧道開(kāi)挖引起的地表沉降槽以及土拱效應(yīng)等情況。Idinger等^[8]進(jìn)行了非黏土條件下隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性的離心機(jī)試驗(yàn)，采用半圓形隧道模型，用活塞模擬開(kāi)挖面支護(hù)，并考慮了不同的覆土深度。范祚文等^[9]采用外徑為164 mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)模型進(jìn)行了砂卵石地層盾構(gòu)施工開(kāi)挖面穩(wěn)定性及鄰近建筑物影響模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，砂卵石地層較易形成土拱，且能有效減小地面建筑物沉降值。芮瑞等^[10]通過(guò)自制試驗(yàn)裝置，采用活動(dòng)門(mén)下沉模擬隧道地層損失，研究了盾構(gòu)隧道穿越臨近地下?lián)跬两Y(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)擋土結(jié)構(gòu)土壓力及地表沉降的影響。宋洋等^[11]定義砂-礫復(fù)合地層（盾構(gòu)開(kāi)挖面內(nèi)粉細(xì)砂高度與盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)直徑的比值），并通過(guò)試驗(yàn)分析了對(duì)極限支護(hù)力、地表沉降和開(kāi)挖面失穩(wěn)擾動(dòng)范圍的影響。昝文博等^[12]采用相似模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值仿真相結(jié)合的方法研究松散堆積體隧道開(kāi)挖引起的圍巖應(yīng)力擾動(dòng)特征與壓力拱形成機(jī)理。馬少坤等^[13]研發(fā)了一種可以自由施加多種滲流承壓作用的三維可視化盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性模型試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了承壓滲流條件下復(fù)合地層盾構(gòu)開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞模式及支護(hù)壓力。魏綱等^[14]設(shè)計(jì)并發(fā)明了一種豎向頂管室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，考慮多種因素研究了盾構(gòu)隧道內(nèi)豎向頂管施工引起的盾構(gòu)隧道內(nèi)側(cè)變形及地表豎向位移變化規(guī)律。大部分隧道穩(wěn)定性模型試驗(yàn)均為靜態(tài)開(kāi)挖面穩(wěn)定性模擬，只不過(guò)是分別采用了不同的土體材料、隧道形狀、重力條件等，且大部分試驗(yàn)并未考慮隧道的開(kāi)挖過(guò)程。

針對(duì)軟土盾構(gòu)隧道掘進(jìn)問(wèn)題，筆者開(kāi)展模型試驗(yàn)研究，圍繞土體穩(wěn)定性控制難題，以土體的應(yīng)力和變形為主要指標(biāo)，研究軟土地層中盾構(gòu)掘進(jìn)土體力學(xué)行為。設(shè)計(jì)并研制了新型多功能微型隧道掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)（TJ-TBM2015），其中的微型隧道掘進(jìn)機(jī)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)機(jī)械開(kāi)挖，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)不同工況下軟土地層中開(kāi)挖土體穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行研究，可為軟土中盾構(gòu)隧道施工提供技術(shù)參考。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)組成

為真實(shí)模擬軟土地層盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工過(guò)程，在TJ-TUE2010隧道及地下工程多功能相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上^[15]，自主研發(fā)了TJ-TBM2015多功能微型盾構(gòu)機(jī)隧道掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)，共分為3個(gè)部分：微型隧道掘進(jìn)機(jī)、試驗(yàn)平臺(tái)架、輔助及控制設(shè)備。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

最核心的部分是微型隧道掘進(jìn)機(jī)，包括外殼系統(tǒng)、刀盤(pán)及其動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)及其動(dòng)力系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)4個(gè)部分。外殼系統(tǒng)由3種不同的無(wú)縫鋼管組成，包括盾首部分、管片部分和連接部分，盾首（直徑248 mm）和管片部分（直徑236 mm）存在12 mm的直徑差，以模擬地層損失?？紤]到不銹鋼管的標(biāo)準(zhǔn)件直徑及加工難度，微型隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)選定的相似比為1：25.6，模擬對(duì)象為常規(guī)地鐵盾構(gòu)隧道（外徑6 340 mm）。刀盤(pán)及其動(dòng)力系統(tǒng)由刀盤(pán)、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)及傳動(dòng)系統(tǒng)組成。軟土中通常使用輻板式刀盤(pán)，開(kāi)口率35%～50%^[16]，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)直徑較小時(shí)，開(kāi)口率應(yīng)適當(dāng)增加^[17]。試驗(yàn)刀盤(pán)為可更換式設(shè)計(jì)，通過(guò)4顆螺栓與傳動(dòng)系統(tǒng)相連。刀盤(pán)采用楔形輻條狀刀頭，開(kāi)口率約為51.3%。水循環(huán)系統(tǒng)主要由水泵和軟管組成，通過(guò)向開(kāi)挖面注水或有壓泥漿，可以起到潤(rùn)滑或維持開(kāi)挖面穩(wěn)定以及帶走土渣的作用。

TJ-TUE2010試驗(yàn)系統(tǒng)兩側(cè)及后擋板均設(shè)置有剛性支撐，確保模型的剛性邊界約束效應(yīng)。為配合試驗(yàn)重新設(shè)計(jì)了前擋板，選用厚度40 mm有機(jī)玻璃制作，既便于試驗(yàn)觀測(cè)，又可以保證剛性邊界。試驗(yàn)過(guò)程中隧道邊緣距離兩側(cè)邊界約2D（D為隧道直徑），弱化了邊界效應(yīng)的影響，同時(shí)在填土之前對(duì)模型箱內(nèi)部進(jìn)行充分清理和光滑處理，盡可能減小隧道縱向的邊界效應(yīng)的影響。

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)

微型隧道掘進(jìn)機(jī)采用的變頻馬達(dá)標(biāo)準(zhǔn)電壓為220 V，額定功率120 W，通過(guò)電阻控制旋鈕控制兩個(gè)馬達(dá)的輸出功率，輸出功率范圍為額定功率的30%～90%。刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)確定，具體方法為：對(duì)兩個(gè)馬達(dá)分別選擇輸出功率的30%～90%，每種功率下測(cè)定3次刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度，取平均值并進(jìn)行線性擬合。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行的線性擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.99，說(shuō)明實(shí)測(cè)結(jié)果線性較好。計(jì)算時(shí)，將選擇的輸出功率百分比（x）分別直接代入圖2中的方程即可。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)城市中軟土盾構(gòu)法隧道可能面臨的不同工況，共進(jìn)行了3組試驗(yàn)。

2.1.1 地表無(wú)超載試驗(yàn)方案（C1）

如圖3所示，C1方案中，隧道位于土箱中心偏下位置。有機(jī)玻璃擋板開(kāi)口直徑250 mm（略大于隧道直徑D），兩側(cè)距土箱邊緣均為475 mm（約2D），底部距土箱底部300 mm（約1.2D），上部距土箱頂端600 mm（約2.4D），相當(dāng)于模擬覆土厚度為15.4 m的隧道（相似比1：25.6）。

2.1.2 地表有局部超載試驗(yàn)方案（C2）

C2方案是在C1的基礎(chǔ)上，在地表距離隧道中心1D處放置超載，以模擬隧道穿越既有建筑物的工況，如圖4所示。根據(jù)相似比計(jì)算，所需超載量較小，再考慮到土表面在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)一直發(fā)生沉降，因此，為確保超載絕對(duì)穩(wěn)定，采用鐵塊對(duì)土表面施加靜載（模擬淺基礎(chǔ)建筑物荷載）。鐵塊尺寸為10 cm×10 cm×5 cm（長(zhǎng)×寬×高），折算成的實(shí)際荷載為

這大約相當(dāng)于每平方米承重100 kN，對(duì)于上海地區(qū)的軟黏土，可采用淺基礎(chǔ)，再大的荷載就需要考慮采取深基礎(chǔ)。該計(jì)算荷載作為試驗(yàn)的設(shè)計(jì)超載，后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果均在該荷載的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，提供一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，對(duì)于等效荷載與該荷載有較大差異的工程，還需進(jìn)一步分析和驗(yàn)證。

2.1.3 穿越群樁基礎(chǔ)試驗(yàn)方案（C3）

C3方案為隧道側(cè)向穿越群樁基礎(chǔ)附近，適于模擬實(shí)際盾構(gòu)穿越高層建筑樁基礎(chǔ)，如圖5所示，樁基礎(chǔ)采用直徑30 mm、壁厚3 mm的有機(jī)玻璃管模擬，群樁采用3×3布置，樁心距75 mm，最近一排樁距隧道模型中心的距離為1D。試驗(yàn)時(shí)先固定有機(jī)玻璃管，再埋土。

2.2 試驗(yàn)流程

如圖6所示，試驗(yàn)共分為5步：

1）將有機(jī)玻璃蓋塞入有機(jī)玻璃板的預(yù)開(kāi)口中并用刀盤(pán)抵住，在土箱中分層埋入試驗(yàn)用土，在填土前對(duì)模型箱內(nèi)部進(jìn)行充分清理和光滑處理，盡量消除邊界可能產(chǎn)生的摩擦效應(yīng)對(duì)變形和應(yīng)力變化的影響。填土完成后將模型靜置直至自重固結(jié)變形基本穩(wěn)定。

2）自重固結(jié)完成后，將微型隧道掘進(jìn)機(jī)后移，取出有機(jī)玻璃蓋。

3）前移微型隧道掘進(jìn)機(jī)快速抵住暴露的土體立面，以最大限度減少臨空土體的變形，減小土體內(nèi)部的剪應(yīng)力發(fā)展。

4）啟動(dòng)全部監(jiān)測(cè)傳感器并開(kāi)始開(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程中持續(xù)監(jiān)測(cè)土壓力和地表位移變化。

5）微型隧道掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖至預(yù)定位置后，開(kāi)挖過(guò)程結(jié)束，將模型靜置直至土表變形穩(wěn)定。

在試驗(yàn)過(guò)程中，掘進(jìn)機(jī)每前進(jìn)10 mm并完成出土后，再后退1 mm以模擬盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面變形。

2.3 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)選用上海地區(qū)的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（③號(hào)土），取地下連續(xù)墻成槽機(jī)挖出的土，除去表面被泥漿浸濕的部分，盡量保持土壤原狀，如圖7所示，試驗(yàn)用土保存在密封的塑料箱中，以防止水分流失。根據(jù)工程勘察報(bào)告結(jié)果，土體基本力學(xué)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

埋土采用分層埋設(shè)并夯實(shí)。土箱角部放置兩個(gè)紗窗布包裹的帶孔PVC管，為土體自重固結(jié)提供滲流路徑。埋土完成后，靜置至自重變形穩(wěn)定。首次試驗(yàn)前，對(duì)土體進(jìn)行自重固結(jié)觀測(cè)，用百分表監(jiān)測(cè)地表中心變形，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，在土體完成埋設(shè)的前24 h內(nèi)，固結(jié)變形快速發(fā)展，隨后的約80 h內(nèi)，沉降速度減緩，約96 h后，沉降變形趨于平穩(wěn)。由此可知，每次試驗(yàn)開(kāi)始前至少應(yīng)將埋設(shè)好的土體靜置96 h，才能確認(rèn)固結(jié)沉降基本完成。

2.4 傳感器布置

試驗(yàn)過(guò)程中主要對(duì)地表變形和土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，監(jiān)測(cè)工具為百分表和土壓力盒。

2.4.1 百分表布置

圖9所示為位移百分表布置圖，土體上表面沿縱向中間位置從左至右對(duì)稱布置有5只百分表（S1～S5）；沿隧道掘進(jìn)方向距離S3前后100 mm的位置布置S6、S7兩只百分表。百分表量程0～10 ?mm，精度0.01 mm。C2組試驗(yàn)左上方地表有超載鐵塊，百分表S1和S2分別布置在鐵塊的兩個(gè)邊緣，以監(jiān)測(cè)超載鐵塊的沉降。

圖10為百分表布置實(shí)物圖，試驗(yàn)過(guò)程中每隔1 h對(duì)每個(gè)百分表分別進(jìn)行拍照，試驗(yàn)完成后讀數(shù)，以免現(xiàn)場(chǎng)讀數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。開(kāi)挖完成后，為觀測(cè)后續(xù)變形，仍要每隔12 h讀數(shù)一次，持續(xù)至少96 h。

2.4.2 土壓力盒布置

如圖11所示，在隧道起拱線高度兩側(cè)各布置5個(gè)土壓力盒（L1～L5和R1～R5），測(cè)量豎向土壓力變化；在拱頂上方垂直分布有5個(gè)壓力盒H1～H5，測(cè)量拱頂上方的水平壓力變化。在緊貼隧道拱頂沿隧道方向布置有5個(gè)土壓力盒V1～V5，用來(lái)測(cè)量拱頂附近的豎向土壓力變化。土壓力盒的量程0～50 kPa，精度0.02 kPa。C3組試驗(yàn)由于存在群樁基礎(chǔ)，將L4和L3調(diào)整至樁基礎(chǔ)左右兩側(cè)。

圖12為土壓力盒布置實(shí)物圖。土壓力盒連接應(yīng)變采集儀，由電腦自動(dòng)采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可在試驗(yàn)完成后進(jìn)行分析處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 地表無(wú)超載試驗(yàn)結(jié)果（C1）

3.1.1 變形分析

圖13為隧道掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降槽變化情況。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，沉降槽的基本形態(tài)沒(méi)有發(fā)生明顯變化，只有沉降量隨著開(kāi)挖的進(jìn)行而增大。從變化速度來(lái)看，開(kāi)挖前半段地表沉降增加速度相對(duì)緩慢，而到最后階段，沉降速度加快，這是由于在開(kāi)挖即將完成時(shí)，盾殼外徑變化點(diǎn)（下文統(tǒng)稱為地表?yè)p失點(diǎn)）剛好通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面，圍繞盾殼的地層損失導(dǎo)致了沉降值的快速增加。

圖14為沿掘進(jìn)方向地表的縱向沉降發(fā)展情況。在掘進(jìn)的前10 cm，地表沉降緩慢；當(dāng)掘進(jìn)距離大于17.5 cm時(shí)，沉降發(fā)展速度加快。從掘進(jìn)開(kāi)始時(shí)刻起，開(kāi)挖面前方土體就一直處于影響區(qū)域內(nèi)，因此并未出現(xiàn)縱向沉降槽形態(tài)，縱向沉降總體上比較均勻。S6、S3和S7測(cè)點(diǎn)的最大沉降值分別為3.48、3.34、3.07 mm，最大差異為11.8%[（S_min-S_max）/S_max]。

圖15為掘進(jìn)速度與S3點(diǎn)沉降發(fā)展的關(guān)系。圖中上半部分為兩次記錄之間的微型隧道掘進(jìn)機(jī)平均掘進(jìn)速度，虛線為整個(gè)試驗(yàn)期間的平均掘進(jìn)速度；下半部分為地表測(cè)點(diǎn)S3的沉降發(fā)展曲線。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，掘進(jìn)速度呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，在開(kāi)挖的后半段，掘進(jìn)速度相對(duì)要穩(wěn)定一些。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，S3測(cè)點(diǎn)沉降持續(xù)發(fā)展，掘進(jìn)速度加快時(shí)，S3的沉降發(fā)展速度也隨著增加，這與工程實(shí)踐的普遍規(guī)律基本相符。

3.1.2 應(yīng)力分析

圖16為試驗(yàn)過(guò)程中隧道拱頂土體豎向壓力變化情況?？傮w上，隧道開(kāi)挖導(dǎo)致拱頂土壓力逐漸減小，但單根測(cè)線在縱向方向并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律，除了開(kāi)挖進(jìn)度為27.2 cm的測(cè)線，其他測(cè)線均表現(xiàn)為整體較為均勻的減小。當(dāng)掘進(jìn)進(jìn)度為27.2 cm時(shí)，V3測(cè)點(diǎn)的土壓力明顯減小，僅為原狀應(yīng)力的約60%，其余4個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值約為原狀應(yīng)力的80%，這是由于V3測(cè)點(diǎn)的土壓力盒剛好處于地層損失點(diǎn)附近，該處土體的不均勻變形，會(huì)產(chǎn)生微弱的土拱效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致土壓力盒讀數(shù)減小。開(kāi)挖面前后的拱頂位置土壓力并沒(méi)有明顯的差異，這說(shuō)明土壓力盒均屬于隧道開(kāi)挖導(dǎo)致的卸載區(qū)內(nèi)：開(kāi)挖面后方的測(cè)點(diǎn)處于隧道環(huán)向卸載導(dǎo)致的土拱效應(yīng)內(nèi)部，開(kāi)挖面前方的測(cè)點(diǎn)處于開(kāi)挖面卸載產(chǎn)生的土拱效應(yīng)內(nèi)部。

圖17為試驗(yàn)過(guò)程中隧道拱腰兩側(cè)豎向土壓力變化。在開(kāi)挖的前11 cm，土壓力變化較小，基本都小于原始應(yīng)力的5%，這是因?yàn)榈乇頁(yè)p失點(diǎn)尚未到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面附近，沒(méi)有發(fā)生明顯的地層損失，應(yīng)力重分布程度較低。當(dāng)掘進(jìn)距離接近15 cm時(shí)，拱腰兩側(cè)附近壓力明顯增大，L1和R1兩個(gè)測(cè)點(diǎn)土壓力約為原始自重壓力的107%。隨著開(kāi)挖繼續(xù)進(jìn)行，距隧道中心1D范圍內(nèi)的土壓力繼續(xù)增加，當(dāng)開(kāi)挖距離為27.2 cm時(shí)，L1和R1壓力約為原始自重壓力的116%和117%；距隧道中心1D范圍外土壓力增加不明顯，說(shuō)明受開(kāi)挖及土拱效應(yīng)影響較小。左側(cè)R4點(diǎn)數(shù)據(jù)異常，可能是傳感器異常所致，分析時(shí)不予考慮。

圖18為隧道正上方土體水平應(yīng)力變化情況，斜點(diǎn)劃線為20%原狀應(yīng)力線，若測(cè)點(diǎn)落在該線上，說(shuō)明水平應(yīng)力變化量達(dá)到原狀應(yīng)力的20%。H4測(cè)點(diǎn)讀數(shù)出現(xiàn)異常無(wú)法使用，繪圖時(shí)將其剔除，H5和H3點(diǎn)用虛線直接相連。隨著隧道的開(kāi)挖，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壓力值均增大，開(kāi)挖進(jìn)度小于11 cm時(shí)，土壓力變化較小，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)度大于15 cm后，拱頂上方距隧道中心1D范圍內(nèi)土壓力開(kāi)始明顯增大，在此范圍之外應(yīng)力變化不大。從整體來(lái)看，隧道的地層損失點(diǎn)進(jìn)入土體（掘進(jìn)約為15 cm）后，拱頂上方土壓力才開(kāi)始有顯著變化，這說(shuō)明土拱的形成與地層損失密切相關(guān)，當(dāng)?shù)貙訐p失點(diǎn)到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面（掘進(jìn)約26 cm）后，H1測(cè)點(diǎn)的土壓力增量最大，達(dá)到了土體原狀應(yīng)力的20%。

從圖17和圖18可以看出，在水平和豎直方向，隧道開(kāi)挖對(duì)周?chē)馏w的影響范圍約為距隧道中心1D范圍內(nèi)，說(shuō)明在拱腰和拱頂之外0.5D范圍內(nèi)，隧道開(kāi)挖會(huì)引起土體應(yīng)力狀態(tài)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致土體失穩(wěn)。從拱頂和腰部?jī)蓚?cè)土體的應(yīng)力增量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以推測(cè)，隧道周?chē)馏w松動(dòng)區(qū)范圍較小，這說(shuō)明盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)挖通過(guò)約束洞周收斂變形，有效維持了周?chē)馏w的穩(wěn)定性；而較小的地表沉降也表明，對(duì)開(kāi)挖面的有效約束確保了超前核心土的穩(wěn)定性。

3.2 地表有超載試驗(yàn)結(jié)果（C2）

3.2.1 變形分析

圖19為開(kāi)挖過(guò)程中的沉降槽變化，其基本規(guī)律與C1組類似，不同的是，由于超載的存在，沉降槽并不對(duì)稱，左側(cè)沉降值偏大，曲線下凸更明顯。

圖20為地表縱向沉降發(fā)展情況，與C1組相似，掘進(jìn)結(jié)束時(shí)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)值分別為4.55、4.97、4.37 mm，最大差異為12.1%。

圖21為掘進(jìn)速度與S3點(diǎn)沉降發(fā)展關(guān)系圖。掘進(jìn)速度整體上可分為兩部分，前半段掘進(jìn)速度較慢，后半程明顯提高，僅在試驗(yàn)結(jié)束前有所降低。S3點(diǎn)沉降也明顯分為兩段，掘進(jìn)較慢時(shí)沉降速度發(fā)展較為平緩；速度提高后，沉降發(fā)展速度也相應(yīng)變快。相比于C1組，C2組掘進(jìn)速度與S3點(diǎn)沉降速度的關(guān)系更加明顯。

3.2.2 應(yīng)力分析

圖22為隧道拱頂土體豎向壓力變化情況，與C1組規(guī)律類似。當(dāng)掘進(jìn)結(jié)束時(shí)，只有V3測(cè)點(diǎn)土壓力異常減小，約為原狀應(yīng)力的55%。

圖23為隧道拱腰兩側(cè)土壓力變化量曲線，規(guī)律與C1組類似，只是由于地表超載的存在，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)左側(cè)壓力大于右側(cè)，土體應(yīng)力重分布呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱現(xiàn)象。但在隧道開(kāi)挖前期（掘進(jìn)距離<15 cm），兩側(cè)土壓力變化并未出現(xiàn)明顯差別。R1測(cè)點(diǎn)豎向土壓力變化量比C1組要小，這與預(yù)期結(jié)果有一定的出入，因?yàn)槌d的存在不應(yīng)該使C2組的監(jiān)測(cè)結(jié)果更小，這可能是傳感器工作時(shí)產(chǎn)生了一定的故障造成的。由于試驗(yàn)次數(shù)有限，還不能過(guò)早下結(jié)論，更細(xì)致的研究和結(jié)論可采用數(shù)值方法進(jìn)一步研究。在開(kāi)挖后半段，L2土壓力盒數(shù)據(jù)也略有異常，但并不影響整體趨勢(shì)。

圖24為隧道正上方土體水平應(yīng)力變化情況，規(guī)律與C1組試驗(yàn)類似，只是應(yīng)力變化量略小。

3.3 穿越群樁基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果（C3）

3.3.1 變形分析

圖25為試驗(yàn)過(guò)程中沉降槽變化。右半側(cè)與C1組類似，但左半側(cè)沉降值較右側(cè)略小，S1點(diǎn)的沉降值很小，且?guī)缀跷措S掘進(jìn)進(jìn)度發(fā)生明顯變化，說(shuō)明群樁基礎(chǔ)的隔離效果較好，土體位移場(chǎng)的發(fā)展受到它的阻隔，這得益于群樁基礎(chǔ)較大的整體側(cè)向抗彎剛度。

圖26為地表沿掘進(jìn)方向的縱向沉降發(fā)展情況。與前兩組試驗(yàn)規(guī)律相似，3個(gè)測(cè)點(diǎn)最大沉降值分別為4.17、4.24、3.92 mm，最大差異為7.5%。

圖27為掘進(jìn)速度與S3點(diǎn)沉降發(fā)展的關(guān)系。由于前兩組試驗(yàn)積累了一定經(jīng)驗(yàn)，C3組試驗(yàn)過(guò)程中掘進(jìn)速度波動(dòng)不大，對(duì)應(yīng)的S3點(diǎn)沉降發(fā)展也比較平緩。

3.3.2 應(yīng)力分析

圖28為隧道拱頂土體豎向壓力變化情況。與前兩組規(guī)律基本一致，掘進(jìn)至27.7 cm時(shí)，V4測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化，應(yīng)該是異常監(jiān)測(cè)值，分析時(shí)不予考慮。

圖29為隧道拱腰兩側(cè)土壓力變化，由于群樁基礎(chǔ)的存在，L2、L3測(cè)點(diǎn)的土壓力監(jiān)測(cè)值并未發(fā)生明顯變化，這可能是由于土拱效應(yīng)引起的豎向應(yīng)力增加由樁-土的摩擦接觸承擔(dān)。開(kāi)挖完成時(shí)，L1和R1的土壓力分別為原狀土壓力的120%和123%，由于群樁基礎(chǔ)限制了土拱效應(yīng)的發(fā)展范圍，故隧道兩側(cè)應(yīng)力重分布不對(duì)稱，群樁基礎(chǔ)對(duì)土體應(yīng)力重分布起到隔離作用，致使開(kāi)挖過(guò)程中L2～L5測(cè)點(diǎn)土壓力變化很小。

圖30為隧道正上方土體水平應(yīng)力變化，H1測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力最終變化量?jī)H為原狀土體水平應(yīng)力的16%，小于前兩組試驗(yàn)結(jié)果，這可能是由于群樁基礎(chǔ)約束了土體水平位移的發(fā)展，限制了拱頂水平應(yīng)力的變化。

3.4 模型試驗(yàn)對(duì)比分析

圖31為3組試驗(yàn)開(kāi)挖完成后的地表沉降槽曲線對(duì)比。C1組試驗(yàn)沉降槽基本呈對(duì)稱狀態(tài)，最大沉降值最小。由于左上方地表存在超載，C2組試驗(yàn)地表沉降槽為非對(duì)稱狀態(tài)，最大沉降值最大。C3組最大沉降值處于C1和C2之間，由于群樁基礎(chǔ)的存在，沉降槽也不對(duì)稱，左側(cè)沉降值較小，特別是左側(cè)測(cè)點(diǎn)幾乎沒(méi)有變化，這說(shuō)明群樁基礎(chǔ)起到了一定的隔離作用。

為了更清晰地體現(xiàn)地表沉降槽的定性規(guī)律，將沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理，如圖32所示。由于3組試驗(yàn)隧道的右側(cè)均無(wú)超載和其他結(jié)構(gòu)，無(wú)量綱化處理后的沉降槽形態(tài)幾乎相同。相比之下，左半邊沉降槽出現(xiàn)較為明顯的差別：C2組試驗(yàn)存在地表超載，相對(duì)沉降比C1組大；C3組試驗(yàn)存在群樁基礎(chǔ)，起到了一定的加固和隔離作用，相對(duì)沉降比C1組要小。

由上述分析可以看出，單從隧道施工產(chǎn)生的影響角度看，群樁基礎(chǔ)對(duì)周?chē)貙悠鸬搅肆己玫谋Ｗo(hù)和隔離作用，但從工程整體穩(wěn)定角度看，還應(yīng)當(dāng)分析隧道施工對(duì)其附近的工程結(jié)構(gòu)的影響，假定群樁基礎(chǔ)為剛性結(jié)構(gòu)且受試驗(yàn)條件限制并未對(duì)群樁結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，在實(shí)際工程當(dāng)中應(yīng)當(dāng)充分評(píng)估擬建隧道附近工程結(jié)構(gòu)受隧道開(kāi)挖的影響，并視情況進(jìn)行隧道路線調(diào)整或制定相應(yīng)的加固和保護(hù)措施，以維護(hù)工程結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

圖33為3組試驗(yàn)開(kāi)挖完成后拱腰兩側(cè)豎向土壓力變化。若除去R1點(diǎn)的差異，則C1和C2兩組結(jié)果差別不大。參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）^[18]以及文獻(xiàn)[19]，計(jì)算地表超載對(duì)傳感器所在深度的土層產(chǎn)生的附加應(yīng)力，結(jié)果為0.75 kPa，僅為原狀應(yīng)力的0.6%，對(duì)土體應(yīng)力重分布的影響并不大。C3組試驗(yàn)結(jié)果較C1組有更明顯的變化，隧道兩側(cè)土體豎向土壓力都有明顯的增大，達(dá)到土體原狀應(yīng)力的150%左右。左側(cè)僅有最靠近隧道的測(cè)點(diǎn)變化明顯，這是由于群樁基礎(chǔ)的限制作用，使得隧道左側(cè)未能形成明顯的土拱效應(yīng)。

圖34為3組試驗(yàn)完成后隧道正上方水平土壓力變化，可以看出3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律類似。C2、C3組H1測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)值略小于C1組，原因可能是超載和群樁基礎(chǔ)的存在限制了土體水平位移的發(fā)展，進(jìn)而限制了水平方向的應(yīng)力重分布。從H1～H5的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，隧道開(kāi)挖引起的拱頂上方土體水平應(yīng)力重分布主要集中在距離隧道中心1D范圍內(nèi)，在此范圍之外，土體水平應(yīng)力的變化量很小。

4 結(jié)論

針對(duì)軟土地層盾構(gòu)隧道掘進(jìn)土體受力和變形問(wèn)題，自主研發(fā)了TJ-TBM2015多功能微型盾構(gòu)機(jī)隧道掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了不同工況的室內(nèi)模型試驗(yàn)，并進(jìn)行了試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，主要結(jié)論如下：

1）通過(guò)試驗(yàn)揭示了隧道拱腰兩側(cè)豎向應(yīng)力變化和拱頂上方水平應(yīng)力變化規(guī)律，隧道開(kāi)挖引起的土體應(yīng)力重分布主要發(fā)生在距離隧道中心1倍直徑范圍內(nèi)。不同方案試驗(yàn)結(jié)果表明，拱腰兩側(cè)土體豎向應(yīng)力可達(dá)原狀應(yīng)力的125%～155%；而拱頂水平應(yīng)力的增量則表現(xiàn)得比較穩(wěn)定，為原狀應(yīng)力的115%～120%，幾乎不受超載和群樁基礎(chǔ)的影響。

2）超載和群樁基礎(chǔ)對(duì)隧道開(kāi)挖引起的沉降槽的影響是局部的。超載會(huì)造成其所在位置附近的地表沉降增大，群樁基礎(chǔ)對(duì)地層起到了一定的加固和隔離作用，使得其附近的地表沉降有所減小。經(jīng)過(guò)無(wú)量綱化處理后可發(fā)現(xiàn)，右半部沉降槽呈現(xiàn)出幾乎完全一致的規(guī)律，而左側(cè)則由于超載和群樁基礎(chǔ)的存在，沉降值分別有一定的增大和減小。掘進(jìn)速度會(huì)影響拱頂沉降，掘進(jìn)速度越大，沉降發(fā)展速度和量值越大。

3）基于隧道拱腰兩側(cè)土體豎向應(yīng)力增量的變化情況可知，試驗(yàn)采用的局部地表超載對(duì)土體應(yīng)力重分布的影響較小，這是因?yàn)樵诠把诘纳疃龋d產(chǎn)生的附加應(yīng)力很小，因此其影響也很有限。群樁基礎(chǔ)能夠起到較好的隔離作用，故土體的應(yīng)力重分布被限制在了樁-隧之間較小的范圍內(nèi)，群樁基礎(chǔ)對(duì)隧道另一側(cè)土體應(yīng)力重分布的影響不大。

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（編輯??王秀玲）