師麗穎

(山西路橋集團(tuán)國際交通建設(shè)工程有限公司，山西太原 030006)

土體在盾構(gòu)法隧道施工中產(chǎn)生的變形預(yù)測

師麗穎

(山西路橋集團(tuán)國際交通建設(shè)工程有限公司，山西太原 030006)

介紹了土體變形的二維彈性應(yīng)變理論，探討了土體損失率的計算方法，并結(jié)合多個實際工程案例，對土體在盾構(gòu)法隧道施工中產(chǎn)生的變形問題進(jìn)行了研究，指出土體在盾構(gòu)法隧道施工中產(chǎn)生變形的原因是多方面的，且離隧道越近，土體產(chǎn)生的變形越明顯，因此在隧道施工中要對這一現(xiàn)象予以高度重視。

土體，盾構(gòu)法，隧道施工，變形預(yù)測

0 引言

在當(dāng)前盾構(gòu)法隧道施工過程中，不可避免的會對周圍土體產(chǎn)生擾動，最終出現(xiàn)土體變化，如不能及時處理，將會對隧道施工建設(shè)造成嚴(yán)重影響。一般認(rèn)為，在盾構(gòu)法隧道施工過程中，土體損失是導(dǎo)致土體變形的關(guān)鍵因素，隧道單位長度土體損失量主要用Vlass表示。目前，Peck公式已經(jīng)被應(yīng)用在預(yù)測盾構(gòu)施工中優(yōu)于土體損失而引起的地面沉降曲線分析中，但從實際情況來看，考慮到盾構(gòu)施工所引起的土體變形具有不確定性，若單方面采用一種計算方法不能全面分析其變形現(xiàn)象。因此，需要對土體在盾構(gòu)法隧道施工中產(chǎn)生變形情況進(jìn)行預(yù)測，以更好的指導(dǎo)盾構(gòu)法隧道施工項目開展。

1 土體變形的二維彈性應(yīng)變理論研究

一般在盾構(gòu)法施工過程中，受盾構(gòu)開挖卸載與盾尾通過后所產(chǎn)生的建筑空隙等多方面因素影響，土體損失現(xiàn)象會不可避免的產(chǎn)生，最終引起地面沉降變形。圖1記錄了一種簡單的土體損失資料。假設(shè)隧道開挖斷面中心線深度為H，在施工過程中沿x軸開展施工，采用等效圓柱體模擬土體損失情況，并根據(jù)x軸不斷變化而有效分布。同時，假設(shè)土體為無限介質(zhì)(在施工中土體體積不可壓縮，固定不變)，則可以確定，此時地面沉降計算公式為:

其中，Vlass為隧道單位長度的土體損失量;x，y，H等均采用圖1相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)式(1)，為方便研究，假設(shè)y=0，則隧道軸線上地面最大沉降量Smax(x)掘進(jìn)方向的變化為:

根據(jù)式(2)，假設(shè)當(dāng)x→+∞時，土體損失所引起的隧道軸線上的最大沉降量等于0，則土體損失率η(x)=0;若x=0，則土體損失所引起的隧道軸線上的土體沉降率達(dá)到最大值，η(x)=η，此時η就是最大土體損失率。

2 土體損失率計算

2.1 關(guān)系分析

相關(guān)研究表明，土體損失呈三維，包括:在開挖前方，土體損失所引起的地面沉降不斷減少;在開挖面后方，地面沉降會沿掘進(jìn)方向逐漸增大，并能在達(dá)到一定距離后將沉降現(xiàn)象穩(wěn)定在一定區(qū)域內(nèi)。

假設(shè)采用切片法沿隧道掘進(jìn)方向(x方向)將土體切成多個橫向斷面，在這種環(huán)境下，每個橫向斷面都存在一條地面沉降曲線。此時，采用Peck公式擬合、反分析每一條地面沉降曲線的資料，就可以確定不同斷面的土體損失率。同時，考慮到每一個斷面的地面沉降曲線存在差異，因此在確定不同斷面土體損失率時會發(fā)現(xiàn)其數(shù)值也會存在差異。即土體損失率不是定制，主要會沿著掘進(jìn)方向而變化，且η(x)是橫向斷面土體損失率，隨著施工深入，該數(shù)值會逐漸經(jīng)歷一個從無到有的過程，會單方面與x存在關(guān)系，不與y，z存在關(guān)系。該結(jié)論已經(jīng)在上述公式論證。

2.2 位移計算公式推導(dǎo)

根據(jù)盾構(gòu)法隧道工程項目施工實際情況來看，焦點上方土體會產(chǎn)生向下移動，因此可以采用圖2的結(jié)構(gòu)來計算部分土體損失情況。

圖1 土體損失量結(jié)構(gòu)示意圖

圖2土體變形模型與土體損失邊界條件

根據(jù)圖2的相關(guān)信息，根據(jù)上文所提出的土體不排水為基礎(chǔ)條件。由于土體損失擴散方式不同，根據(jù)土體損失面積相等原理，在統(tǒng)一土體移動模型所引起的隧道軸線上方最大地面沉降量的Smax1值應(yīng)該大于徑向移動模型相應(yīng)引起的Smax2值，并保證地面沉降的影響范圍變小。在上述數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，令:

其中，A，B分別為不同修正系數(shù)，主要根據(jù)便捷條件所獲取。

根據(jù)式(3)相關(guān)內(nèi)容，當(dāng)x=0，z=0，則其修正系數(shù)則可以表示為B=Smax1/Smax2。同時，根據(jù)土體損失面積相等原理，推導(dǎo)出:

其中，η為土體損失百分率。

根據(jù)式(4)的相關(guān)內(nèi)容，假設(shè)d=0，B=0，則在隧道軸線上方，地面沉降主要由隧道周圍累積等量土體損失所引起的;對于地面沉降槽邊緣點處，所產(chǎn)生的土體損失量與填充部分以外的土體損失量相同。由此可以確定，研究地段的地面沉降量與Smax1之間的比值，應(yīng)該與填充部分以外的土體損失量與總的土體損失量比值相同。

3 實例研究

3.1 杭州地鐵1號線隧道

在杭州地鐵1號線施工中，其盾構(gòu)開挖直徑D=6.34 m，盾構(gòu)穿越粉質(zhì)砂土與粉土，于右側(cè)先開挖。根據(jù)杭州地鐵1號線的實際施工情況，考慮到其掘進(jìn)距離x不同，則先計算先行隧道與后行隧道引起的橫向地面沉降曲線，并在疊加之后確定總的橫向地面沉降曲線。從曲線的相關(guān)規(guī)格可以發(fā)現(xiàn)，其中x=－100，說明該工程項目的開挖面已經(jīng)通過計算斷面100 m;而在開挖面還沒達(dá)到目標(biāo)位置時，x＜5.0 m，則整個工程項目已經(jīng)產(chǎn)生地面沉降現(xiàn)象，并且隨著整個掘進(jìn)施工不斷開展，其最大地面沉降值也會隨之增大，但其沉降幅度也會相應(yīng)的減小;當(dāng)掘進(jìn)到一定距離后，最大沉降值的變化也會逐漸趨于穩(wěn)定。

同時，由于該斷面數(shù)據(jù)近距離雙線盾構(gòu)隧道，因此其地面沉降曲線基本符合正態(tài)分布的相關(guān)規(guī)律，總沉降最大值偏向先行隧道。因此可以判斷，當(dāng)隧道掘進(jìn)在一定距離時，本文的計算方法與實測數(shù)據(jù)是基本相同的。

圖3 案例隧道工程項目所引起的地面沉降曲線

圖3顯示的為兩條隧道中軸線，其相關(guān)數(shù)據(jù)分別顯示了當(dāng)y=0與y=6 m時，縱向地面沉降曲線計算值與實測值之間的比值情況，其中y=6 m表示位于中軸線右側(cè)6 m處。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著該工程項目不斷開展，當(dāng)隧道通過該斷面時，土體損失所引起的地面沉降量逐漸變大;在隧道開挖至該計算斷面后，沉降量也有了相應(yīng)的變化，單其變化幅度不明顯，并逐漸趨于穩(wěn)定，但需要注意的是，雙線隧道所引起的最大沉降量約為計算斷面處的2倍。通過對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，兩者的變化趨勢十分吻合，但與實際數(shù)據(jù)相比，通過計算所確定的土體沉降資料大于實測數(shù)據(jù)。導(dǎo)致出現(xiàn)這一誤差的原因是由于在本次研究中沒有考慮在施工中出現(xiàn)的摩擦力、推力的作用。

3.2 武漢長江隧道

武漢長江隧道的雙線盾構(gòu)開挖直徑D=11.38 m，主要開挖土質(zhì)包括中粗砂、粉細(xì)砂、卵石底層等，均屬于右側(cè)先開挖。

根據(jù)武漢長江隧道工程項目的實際情況，確定不同x時的雙線盾構(gòu)隧道所引起的總沉降曲線。在曲線圖中，x=0 m代表隧道開挖面處于計算面中，并且隨著隧道掘進(jìn)工程不斷開展，其橫向地面總沉降不斷接近實測數(shù)據(jù)。當(dāng)x=－40 m時，該工程項目的計算值與實測值相差不大;而隨著x繼續(xù)增大，其總沉降曲線變化不明顯。

而通過對該隧道某斷面在雙線盾構(gòu)開挖面前后距離的研究情況來看，在不同位置時所引起的總橫向地面沉降曲線存在十分明顯的沉降曲線變化情況。在研究中，假設(shè)先行隧道開挖位置不變，x=－100 m，則隨著后行隧道開挖深入，其地面沉降槽寬度、總沉降量相應(yīng)的增加，最大沉降值將小幅度靠近于后行隧道。該結(jié)果說明，雙線平行盾構(gòu)隧道施工時前后開挖面距離不宜太近，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的土體變形現(xiàn)象。

4 結(jié)語

主要研究了土體在盾構(gòu)法隧道施工中產(chǎn)生變形預(yù)測的相關(guān)內(nèi)容，并從多個方面對其變形內(nèi)容進(jìn)行研究?？傮w而言，土體變形是盾構(gòu)隧道施工過程中的一種常見現(xiàn)象，因此在施工過程中要予以高度重視。在實際工程項目施工中，相關(guān)人員需要全面研究不同掘進(jìn)條件等對土體變形的影響，為保證工程項目順利開展奠定基礎(chǔ)。

［1］ 朱逢斌，繆林昌.盾構(gòu)隧道鄰近建筑物施工的地面變形分析及預(yù)測［J］.東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013(4):856-862.

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The deformation prediction of soil in shield tunnel construction

Shi Liying
(Shanxi Road and Bridge International Transportation Construction Engineering Limited Company，Taiyuan 030006，China)

This paper introduced the two-dimensional elastic strain theory of soil deformation，discussed the calculation method of soil loss rate，and combining with a number of practical engineering cases，researched the deformation problems of soil in shield tunnel construction，pointed out that the deformation reasons were various of soil in shield tunnel construction，and the tunnel nearer，the soil deformation was more obvious，so in the tunnel construction should attach great importance to this phenomenon.

soil，shield method，tunnel construction，deformation prediction

U456.3

A

1009-6825(2016)35-0175-03

2016-10-10

師麗穎(1979-)，女，工程師