趙維東

（中鐵十八局集團(tuán)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(lái)越大，在進(jìn)行深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)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(duì)深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)距離隧道施工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)距離隧道施工產(chǎn)生偏移。在采空區(qū)邊坡的滑移機(jī)理模式下，進(jìn)行深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)距離隧道施工設(shè)計(jì)，一般要結(jié)合TBM離心加載法，實(shí)現(xiàn)隧道周?chē)鷳?yīng)力-應(yīng)變分布特性分析，在有限元強(qiáng)度折減約束控制下，進(jìn)行深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)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(duì)深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)距離隧道施工技術(shù)設(shè)計(jì)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(chǎng)實(shí)測(cè)分析方法進(jìn)行深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)距離隧道施工過(guò)程中的樁周土體的變形加載控制設(shè)計(jì)，提高了樁體的預(yù)埋精度，但該方法進(jìn)行長(zhǎng)距離隧道施工過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)性不好。文獻(xiàn)[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(jìn)行隧道開(kāi)挖的盾構(gòu)優(yōu)化控制，但該方法在進(jìn)行深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)距離隧道施工中的波動(dòng)變形較大，地基土層基本物理特征的估計(jì)精度不高。對(duì)此，本文出基于隔離樁盾構(gòu)隧道開(kāi)挖技術(shù)的深埋軟硬互層地質(zhì)長(zhǎng)距離隧道TBM施工方法，實(shí)現(xiàn)施工技術(shù)優(yōu)化和指標(biāo)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，得出有效性結(jié)論。

1 盾構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算

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

為了實(shí)現(xiàn)深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)距離隧道TBM施工的優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建長(zhǎng)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(shí)際長(zhǎng)距離隧道工程的盾構(gòu)參數(shù)，分析不同盾構(gòu)參數(shù)對(duì)地層的影響。本文研究的深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)距離隧道施工現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)距離隧道施工現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行隧道施工的盾構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)和推進(jìn)數(shù)據(jù)分析，平均分布隔離樁位置[4]，得到長(zhǎng)距離隧道施工的預(yù)埋筋立面圖如圖2所示。

根據(jù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的最大沉降斷面沉分布，采集推進(jìn)數(shù)據(jù)，采用模糊約束控制方法進(jìn)行長(zhǎng)距離隧道TBM施工的盾構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)彎矩、水平位移、軸力等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算[5]，得到長(zhǎng)距離隧道TBM施工的盾構(gòu)模態(tài)參量識(shí)別模型為

圖2 長(zhǎng)距離隧道施工的預(yù)埋筋立面圖

在有限元計(jì)算中，根據(jù)承壓控制的辨識(shí)參數(shù)模型，得到長(zhǎng)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(jìn)行長(zhǎng)距離隧道施工過(guò)程中的機(jī)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，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(zhǎng)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(dòng)下長(zhǎng)距離隧道施工盾構(gòu)參數(shù)控制的擾動(dòng)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(zhǎng)距離隧道TBM施工的盾構(gòu)參數(shù)控制模型，分析長(zhǎng)距離隧道TBM施工的盾構(gòu)辨識(shí)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(zhǎng)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(jì)算

在進(jìn)行深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)距離隧道TBM施工中，需要進(jìn)行長(zhǎng)距離隧道施工的關(guān)鍵參量計(jì)算，對(duì)彎矩、水平位移、軸力等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，針對(duì)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(jìn)行長(zhǎng)距離隧道施工過(guò)程中的地基土層基本物理力學(xué)指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用壓力學(xué)控制方法，對(duì)長(zhǎng)距離隧道盾尾施工的非線性模型問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)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(jìn)行調(diào)控對(duì)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(shí)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(jì)社會(huì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)，用水需求日益增加，造成供水不足，進(jìn)而使供需矛盾尖銳，最終發(fā)展為經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(dòng)方程為忽略不同工況之間的動(dòng)力學(xué)差異性的動(dòng)態(tài)特性影響，得到隧道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)群樁的動(dòng)態(tài)特征分布函數(shù)為

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

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

對(duì)上述計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行信息融合處理，為實(shí)現(xiàn)深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)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(jì)

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

對(duì)Lyapunov函數(shù)求導(dǎo)：

根據(jù)隧道由遠(yuǎn)及近側(cè)的趨于穩(wěn)定性原理[8]，隧道開(kāi)挖對(duì)群樁彎矩的穩(wěn)態(tài)誤差補(bǔ)償項(xiàng)為

當(dāng)?=±90°時(shí)，隧道掘進(jìn)過(guò)程中的樁體彎矩動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量qi(t)為

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

圖3 施工的基樁優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

2.2 隔離樁盾構(gòu)隧道開(kāi)挖施工優(yōu)化控制

由于隧道掘進(jìn)過(guò)程中的樁體彎矩動(dòng)態(tài)變化，得到隔離樁盾構(gòu)隧道開(kāi)挖陡峭程度為一個(gè)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(kāi)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(jì)量為

已知a(t)≥| |s(t)，表示a(t)在載荷的平坦系數(shù)，針對(duì)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(jìn)行長(zhǎng)距離隧道施工過(guò)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(shí)現(xiàn)隔離樁盾構(gòu)隧道開(kāi)挖施工優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在實(shí)際的施工場(chǎng)景中分析本文設(shè)計(jì)的隔離樁盾構(gòu)隧道開(kāi)挖施工方法的性能，隧道開(kāi)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(fù)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(jìn)行長(zhǎng)距離隧道TBM施工的盾構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)隧道的盾構(gòu)掘進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

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

表1 隧道的盾構(gòu)掘進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 施工參數(shù)測(cè)試分析

分析上述測(cè)試結(jié)果得知，不同工況的彎矩差異性較小，說(shuō)明采用該方法進(jìn)行深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)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(zhǎng)距離隧道施工的質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)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(duì)深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)距離隧道施工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文基于隔離樁盾構(gòu)隧道開(kāi)挖技術(shù)的深埋軟硬互層地質(zhì)長(zhǎng)距離隧道TBM施工方法，根據(jù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的最大沉降斷面沉分布，采集推進(jìn)數(shù)據(jù)，采用壓力學(xué)控制方法，對(duì)長(zhǎng)距離隧道盾尾施工的非線性模型問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)題進(jìn)行長(zhǎng)距離隧道施工過(guò)程中的地基土層基本物理力學(xué)指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了隔離樁盾構(gòu)隧道開(kāi)挖施工優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究得知，采用本文方法進(jìn)行深埋軟硬互層地質(zhì)的長(zhǎng)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(zhǎng)距離隧道施工的質(zhì)量，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。