地铁盾构施工土体变形与临近结构失效机理研究郭曌翔

地铁盾构施工土体变形与临近结构失效机理研究郭曌翔

郭曌翔

中煤第三建设（集团）有限责任公司市政工程分公司安徽省合肥市230000

摘要：随着我国地铁建设的方兴未艾，对地铁施工引起的变形及其对周边结构的影响，也受到越来越多研究者的关注。

关键词：城市地铁；盾构施工；数值计算；土体变形；结构应力；失效机理；

地铁施工可能诱发临近结构失效，这是城市轨道交通建设安全施工与灾害防控的重点之一。基于实际典型工程，对地铁盾构施工引起的土体变形与周边结构失效机理进行研究。

一、盾构施工土体变形研究方法

1.经验公式法。经验公式法也称为（修正）Peck公式法，其一般应用于水平地表隧道施工沉降预测，而对于山岭隧道，特别是进出口段往往地形倾斜，存在不同程度的偏压。通过查阅大量文献资料可知，通过地层损失率对土体变形进行估算，结合工程实际情况和资料统计土体损失率取值。

2.弹性应变法。通过查阅以往资料，采用镜像方式分析弹性半空间的解法，并以此为基础，通过进一步的论证，可以将盾构施工过程中的土体看做是可以压缩的材料，结合隧道变形情况，对土体空隙的参数进行重新的定义。

3.复变函数法。以隧道变形为基础，将隧道变形看做是椭圆化，采用复变函数分析盾构施工中的土体变形，从而映射求解。

4.随机介质法。将盾构结构中的土体看做是随机变化的介质，采用随机预测方式预测盾构施工中引发的土体损失数值。

5.Mindlin解法。采用空间弹性力学的Mindlin解，通过正面附加的推力以及盾壳和土体之间产生的摩擦力土体导出土体变形的计算方法。

6.数值计算法。通过动态模拟的方式对盾构施工过程中的土体变形进行全方位的模仿，分析土体变形情况。结合盾构施工的过程，对盾构施工中的盾构和土体之间摩擦作用进行分析，选择盾构土体变形主要形式。通过Mindlin解对刀盘和土体之间的摩擦引发土体变形的计算公式进行详细推到，并结合土体变形公式、盾壳和土体之间摩擦引发变形公式，推算出盾构施工总地面的变形公式，分析盾构和土体作用之后的土体变形的特点，对比实测结果。

二、土体变形与结构应力

1.地表土层竖向位移，受隧道盾构施工影响显著。在左、右线施工过程中，第３环段到第８环段衬砌施工，地表监测点竖向位移增幅相对较大。应该指出，此点结论部分是因为沿隧道轴线方向，数值模型长度有限所致。因为一般模拟开挖都需要从数值模型的边界开始，所以边界部分沉降会相对较小。

2土层分布对隧道施工竖向危险有显著影响，隧道上部局部位于（６－２）粉质黏土层中，隧道下部局部位于（１７ａ－１）强风化炭质页岩、硅质页岩中，隧道盾构施工对土层竖向位移影响区域主要在埋深１２．２ｍ以上的土层，且隧道横截面方向上，影响显著区域位于隧道边界以外１倍直径以内区域。

3.受隧道施工引起的土层沉降影响，雨水涵洞最大位移出现在砖砌结构雨水箱涵边缘处，容易因为受弯过大而诱发开裂，从而导致局部失效。此外，在隧道边界１倍直径以外的区域，对于垂直与隧道轴线方向的箱涵影响相对较小。

4.对于各土体开挖的施工步，土体竖向位移增加，各施加注浆压力的施工步，土体竖向位移局部较小。

5.各环段开挖、衬砌加载过程，土体竖向变形最大值约为１０．２６ｃｍ，对于本区段而言，因为地质条件较为接近，因此，各区段开挖过程中，土体变形最大值的幅值变化不显著。

6.对于施工过程中的各工况，衬砌管片所产生的最大Ｍｉｓｅｓ应力为１０．９０ＭＰａ，小于Ｃ５０混凝土轴心抗压强度２３．１ＭＰａ，并有一定富余。分别为右线第１０环段土体开挖、衬砌施加、注浆凝固的土体竖向位移，可见，衬砌施加、注浆凝固会部分减小已有土体变形，具体幅值会受现场施工与数值模拟众多因素影响。分别为右线第１０环段土体开挖、衬砌施加、注浆凝固的结构Ｍｉｓｅｓ应力，可见，衬砌施加、注浆凝固会部分减小已有结构的最大Ｍｉｓｅｓ应力，在本数值模型的各部分参数稳定的情况下，整体减小幅值不显著，基本稳定。

三、周边结构最不利工况分析

本区间施工时，左线先施工，右线约晚３０ｄ，前后距离约１５０ｍ。为右线施工完成时两箱涵隔断纵向剖面土体竖向变形，土体变形以左、右两线隧道为中心，呈现两个沉降槽合并以后的形态，最大值位于两孔隧道中轴线顶部；右线施工完成时右线隧道纵向剖面土体竖向变形，因为垂直于隧道轴线方向刚度、模型边界等原因，箱涵附近土体沉降会小于周边土体沉降。在数值模型中，随着盾构左线前进施工进行，雨水箱涵与隧道垂直相交处竖向位移和Ｍｉｓｅｓ应力逐渐增大，失效风险最大工况出现在分析步１１，此分析步内，实现了左线第１０环段土层开挖，第９环段盾构机壳前移，第９环段衬砌和注浆层施作，第８环段施加注浆压力，第７环段注浆部分硬化。最大值为４．６２ＭＰａ，位于左线隧道轴线与箱涵轴线的空间垂直线上。因为本模型宽度不足１５０ｍ，所以数值模拟中，为左线施工完成，右线开始施工，到右线第１０环段土层开挖时，出现右线第９环段盾构机壳前移，右线第９环段衬砌和注浆层施工，右线第８环段施加注浆压力，右线第７环段注浆部分硬化时，为右线开挖时失效风险最大工况。考虑到砌体与混凝土箱涵的开裂受应力控制，故左线、右线分别开挖到第１０环段土体时，箱涵发生最大应力，其中左线开挖到第１０环段土体时应力略大，为最不利工况。发生最大应力的位置，接近左、右线箱涵轴线的正上方。对于竖向变形，左线通过后，最大值为９．２９ｍｍ；在此基础上，右线通过时，最大变形位置由靠近左线轴线转移至靠近右线轴线，幅值显著增大，最大值为１１．２８ｍｍ。对此，在施工方案中，对于临近雨水箱涵区域，在隧道上部３ｍ半径内的环形区域，进行了注浆加固，由此可以有效减小盾构施工诱发的箱涵结构失效风险。

四、盾构施工过程中的土体变形研究

1.盾构施工过程中的土体变形因素。在盾构施工过程中，主要是由于以下几个方面因素引发的土体变形。（1）刀盘和周围土体产生的摩擦作用，此种摩擦会在一定程度上扭转切削土体，从而导致土体变形。（2）盾构在开挖过程中产生的支护力作用。为了保障挖面土体的稳定性，在开挖盾构过程中需要保障有充足的支护力，从而保障开挖土体能够有个正面的附加推力P，数值一般控制为±20kPa，由于盾构挤压造成土体出现挤土反应，主要体现在开挖前方地面出现隆起现象。（3）盾壳和周围土体产生的摩擦作用。由于盾构和土体接触的面积较大，因此，在土体受到压力时，与盾构运行之间产生很大摩擦力，从而引发地表出现变形问题。（4）在开挖卸载过程中和盾尾施工过程中引发的土体损失，导致地表下沉。

2.研究内容和难点。将理论和项目实践相结合对盾构施工过程中土体变形展开研究。由于在盾构施工中其土体层次和性质不同，因此，在解析过程中计算土体变形数值会存在很大的误差，采用Mindlin解方式，可以使地表的横向沉降槽的曲线和工程实际的沉降值相互吻合，从而保障盾构隧道开挖引发的土体变形预测值更加准确。由于Mindlin解法对于计算均匀土质相对比较有效，也可以采用ANSYS软件进行隧道开挖土体变形模拟，在挖掘过程中，土体变化是一个动态的力学过程，需要考虑三维分析方式，因此，在存储数据以及计算数值方面需要耗费大量人力和物力，隧道施工属于批量性作业，无疑为土体变形研究带来一定的难度。

总之，对于盾构施工临近结构失效机理的分析，可为我国地铁盾构施工及其周边结构保护研究提供理论参考与工程实践基础。

参考文献：

［１］于华．盾构施工仿真及其相邻影响的数值分析.2018.

［２］韩晓红，浅谈地铁盾构施工土体变形与临近结构失效机理研究.2017.