劉 軍,陳 達(dá),韓 旭,馬 爍

(1.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,北京 100044； 2.中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司,北京 100055)

引言

隨著城市地下軌道交通的發(fā)展，盾構(gòu)法隧道施工的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。盾構(gòu)法施工過(guò)程中，土倉(cāng)壓力的設(shè)定是盾構(gòu)施工設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，合理的土倉(cāng)壓力在與開(kāi)挖面水土壓力相平衡的同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊土體的較小擾動(dòng)，從而對(duì)地表沉降和周邊建(構(gòu))筑物影響較小。關(guān)于土倉(cāng)壓力的設(shè)定方法已存在很多研究成果[1-4]。趙文等[5]詳細(xì)比較了兩種楔形體模型的開(kāi)挖面支護(hù)壓力，得到了較精確的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。李潮[6]比較了常用的3種掌子面土壓力計(jì)算模型，針對(duì)砂卵石地層給出理論建議。侯永茂等[7]根據(jù)對(duì)刀盤(pán)前土體擠壓狀態(tài)的分析，提出以變形控制為準(zhǔn)則的土倉(cāng)壓力設(shè)定方法。楊永強(qiáng)[8]通過(guò)模型分析，指出土倉(cāng)壓力的設(shè)定值可根據(jù)土體性質(zhì)和沉降要求設(shè)定在不同的土壓力區(qū)間內(nèi)。鞠鑫[9]、鄭剛等[10]研究了土倉(cāng)壓力等掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地表沉降的影響?，F(xiàn)有盾構(gòu)土倉(cāng)壓力的研究主要集中在正常掘進(jìn)階段，根據(jù)朗肯土壓力確定土倉(cāng)壓力大小，對(duì)于接收掘進(jìn)階段土倉(cāng)壓力的設(shè)定一般根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，沒(méi)有確定的理論模型，這也是盾構(gòu)在接收階段容易出現(xiàn)較多工程事故的重要原因。

盾構(gòu)接收掘進(jìn)階段，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，開(kāi)挖面前方土體不能滿足朗肯土壓力理論中半無(wú)限土體的假設(shè)。因此，對(duì)于接收階段土壓力的計(jì)算應(yīng)采用有限土體的理論來(lái)分析。目前，有限土體土壓力的研究主要集中在鄰近建筑物的基坑工程中。馬平等[11]、王洪亮等[12]在庫(kù)倫土壓力的基礎(chǔ)上建立有限土體受力模型，提出有限土體中滑裂面破壞角的確定方法。劉冬[13]、王閆超等[14]利用不同模型得到有限土體中主動(dòng)土壓力的計(jì)算公式，并與朗肯土壓力計(jì)算作對(duì)比分析。胡衛(wèi)東等[15]、韓同春等[16]、應(yīng)宏偉等[17]建立有限土體模型，在考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)摩擦力的條件下計(jì)算被動(dòng)土壓力值。馬繼才[18]根據(jù)有限土體實(shí)際受力狀態(tài)得到土壓力計(jì)算模型和臨界寬高比修正模型。王磊[19]將有限土壓力理論應(yīng)用到異型基坑設(shè)計(jì)中，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。黃鑫[20]根據(jù)主應(yīng)力跡線分析了有限土擋墻上的土壓力分布。楊明輝等[21]通過(guò)模型試驗(yàn)，研究了有限寬度的無(wú)黏性土在3種變位模式下的破壞規(guī)律和主動(dòng)土壓力值。萬(wàn)勵(lì)等[22]通過(guò)離散元模擬，得到有限土體滑裂帶傾角的變化規(guī)律。

在盾構(gòu)接收掘進(jìn)階段，利用有限土壓力理論計(jì)算開(kāi)挖面前方土體受力的模型是符合實(shí)際狀態(tài)的，目前這方面的研究還較少。通過(guò)建立有限土體模型，根據(jù)滑裂面理論確定了從半無(wú)限土體進(jìn)入有限土體的界限位置，并按照控制土體擾動(dòng)的原則給出了合理的土倉(cāng)壓力設(shè)定值，這一設(shè)定原則對(duì)控制地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形均較有利，可為無(wú)障礙接收的工程安全提供保證。這一方法已在北京地鐵16號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)無(wú)障礙接收的工程中得到驗(yàn)證，可以為同類工程提供參考。

1 半無(wú)限土體到有限土體的劃分界限

盾構(gòu)正常掘進(jìn)階段，土倉(cāng)壓力和前方水土壓力相平衡，以保證開(kāi)挖面穩(wěn)定。水土壓力的計(jì)算多使用朗肯土壓力的計(jì)算方法。這種方式可以降低對(duì)土體的擾動(dòng)，對(duì)地面沉降的控制效果較好。隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，刀盤(pán)前方到盾構(gòu)接收井之間的土體逐漸變小，前方土體不能滿足半無(wú)限土體的假定。同時(shí)，朗肯土壓力理論中計(jì)算的滑裂破壞面將穿過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)于這一土體狀態(tài)，需單獨(dú)建立有限土體模型分析受力和破壞性質(zhì)。

土體在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下，某一部分土單元由于剪應(yīng)力過(guò)大出現(xiàn)剪切破壞，隨荷載的增加，最終形成連續(xù)的滑裂破壞面造成土體失穩(wěn)。在破壞過(guò)程中，滑裂破壞面的位置是一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于開(kāi)挖面前方的土體，假設(shè)土體為均質(zhì)土，滑裂破壞面是一個(gè)平面。當(dāng)土倉(cāng)壓力不足時(shí)，前方土體失穩(wěn)，將在盾構(gòu)刀盤(pán)下邊緣到地表之間形成滑裂面?；衙嫔戏酵馏w滑移，引起地表沉降，會(huì)帶來(lái)諸多工程事故。

當(dāng)盾構(gòu)前方土體進(jìn)入有限土體狀態(tài)時(shí)，滑裂破壞面頂端會(huì)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)相交，且滑裂面面積和角度也將發(fā)生變化，對(duì)于土倉(cāng)壓力的設(shè)定來(lái)說(shuō)，這種變化帶來(lái)的影響是巨大的。因此，在這一階段，需重新建立和實(shí)際狀態(tài)相符的模型進(jìn)行計(jì)算?；谶@種分析，將滑裂破壞面和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，作為半無(wú)限土體到有限土體的分界標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)滑裂面頂端恰好位于圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂端時(shí)，土體將從半無(wú)限狀態(tài)進(jìn)入有限狀態(tài)，繪制盾構(gòu)即將進(jìn)入有限土體時(shí)的示意，如圖1所示?；衙媾c水平面的夾角為θ，在有限土體狀態(tài)中，朗肯土壓力的基本假定不成立，因此滑裂面傾角要采用新的方式來(lái)計(jì)算。取盾構(gòu)恰好進(jìn)入有限土體狀態(tài)時(shí)，破壞面上方的土體受力分析，如圖2(a)所示。

圖1 盾構(gòu)進(jìn)入有限土體示意

圖2 土體受力分析簡(jiǎn)圖

地面到盾構(gòu)機(jī)底端的垂直距離為z，刀盤(pán)位置到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平距離為b，土體的重度為γ，黏聚力為c，內(nèi)摩擦角為φ。為保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，并遵循與盾構(gòu)掘進(jìn)的真實(shí)狀態(tài)接近的原則，取上方滑動(dòng)土體處于主動(dòng)土壓力的臨界狀態(tài)分析?；瑒?dòng)體ABCD每米寬度范圍的重力W=γb(z-0.5btanθ)，左側(cè)受到盾構(gòu)土倉(cāng)壓力的合力E作用。在滑裂面上存在下部土體對(duì)滑動(dòng)體的支持力R，支持力方向和滑裂面法線方向的夾角為內(nèi)摩擦角φ，滑裂面摩阻力K=bc/cosθ。該受力狀態(tài)同時(shí)不考慮兩側(cè)土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)有限土體的作用，把盾構(gòu)擾動(dòng)帶來(lái)的有限土體受力變化交給土倉(cāng)壓力承擔(dān)。將摩阻力K分解為水平和豎直兩個(gè)方向，由于土體處于平衡狀態(tài)，可得到封閉三角形如圖2(b)所示，支持力R和豎直方向的夾角為θ-φ。根據(jù)力的三角形法則，土倉(cāng)壓力合力E的表達(dá)式為

E=[γb(z-0.5btanθ)-bctanθ]tan(θ-φ)-bc

(1)

當(dāng)深度z、水平距離b和土體參數(shù)c、φ確定時(shí)，土倉(cāng)壓力合力E是關(guān)于θ的函數(shù)。根據(jù)極限平衡理論，當(dāng)dE/dθ=0時(shí)，E取極值即為主動(dòng)土壓力合力值，此時(shí)角度θ即為滑裂面傾角。將土倉(cāng)壓力合力E對(duì)θ求導(dǎo)得

0.5γb2(1+tan2θ)tan(θ-φ)-

0.5γb2tanθ[1+tan2(θ-φ)]-

bc(1+tan2θ)tan(θ-φ)-

bctanθ[1+tan2(θ-φ)]

(2)

令dE/dθ=0，整理得滑裂破壞角θ的表達(dá)式

(3)

表達(dá)式中刀盤(pán)位置到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平距離b是未知量。另外，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)恰好進(jìn)入有限土體時(shí)，由圖2中的幾何關(guān)系可知

θ≈arctan(z/b)

(4)

聯(lián)立式(3)、式(4)兩式，即可求得b值。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至刀盤(pán)前土體寬度為b時(shí)，采用有限土體極限平衡理論計(jì)算的滑裂破壞面將與圍護(hù)結(jié)構(gòu)相交，此時(shí)前方土體的水土壓力不能再按照朗肯土壓力來(lái)計(jì)算，土倉(cāng)壓力的設(shè)定要做出調(diào)整。盾構(gòu)到達(dá)這一臨界位置時(shí)，稱前方土體由半無(wú)限狀態(tài)變?yōu)橛邢逘顟B(tài)，也即盾構(gòu)施工由正常掘進(jìn)階段進(jìn)入接收掘進(jìn)階段。這種方法可以對(duì)盾構(gòu)前方土體所處的狀態(tài)進(jìn)行劃分，從而合理地調(diào)整土倉(cāng)壓力等掘進(jìn)參數(shù)，保障土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

2 有限土體中盾構(gòu)土倉(cāng)壓力的設(shè)定

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，土倉(cāng)壓力的設(shè)定對(duì)于控制盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境的影響意義重大。土倉(cāng)壓力設(shè)置過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)對(duì)周圍土體中存在的既有結(jié)構(gòu)和地面上的建(構(gòu))筑物造成很大影響。[7]在盾構(gòu)的無(wú)障礙接收過(guò)程中，這種影響更為嚴(yán)重。這是因?yàn)槎纯谔巼o(hù)結(jié)構(gòu)使用的玻璃纖維筋是脆性材料，且在接收井開(kāi)挖過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生朝向臨空側(cè)的變形，若土倉(cāng)壓力過(guò)大，可能會(huì)使圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大，提前達(dá)到極限狀態(tài)發(fā)生破壞，威脅人員和財(cái)產(chǎn)安全。

盾構(gòu)正常掘進(jìn)時(shí)，工程中以開(kāi)挖面前方的靜止土壓力為依據(jù)，根據(jù)地層條件設(shè)定土倉(cāng)壓力。在接收掘進(jìn)過(guò)程中，實(shí)際工程中主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試推進(jìn)的方法確定土倉(cāng)壓力的控制值，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，這樣的方法缺少理論支持，且特定工程的方法不具備推廣使用的能力。另外，由于監(jiān)測(cè)結(jié)果往往有時(shí)間上的滯后性，監(jiān)測(cè)到的影響已經(jīng)發(fā)生，無(wú)法提前預(yù)防。因此，關(guān)鍵還是要控制土倉(cāng)壓力的大小，以保持開(kāi)挖面穩(wěn)定?，F(xiàn)有的研究表明，可根據(jù)地層狀態(tài)和沉降要求選擇土倉(cāng)壓力的設(shè)定范圍，地層穩(wěn)定性較好且地表沉降要求不高時(shí)，可設(shè)置土倉(cāng)壓力值介于主動(dòng)土壓力和靜止土壓力之間；地層穩(wěn)定性較差或地表沉降要求較高時(shí)，可設(shè)置土倉(cāng)壓力為靜止土壓力值；地層穩(wěn)定性較差且地表沉降要求較高時(shí)，可設(shè)置土倉(cāng)壓力略高于靜止土壓力值[8]。本文將按照這樣的設(shè)定原則，結(jié)合有限土體的土壓力理論，給出盾構(gòu)接收掘進(jìn)時(shí)有限土體中的土倉(cāng)壓力設(shè)定依據(jù)。

2.1 土倉(cāng)壓力的下限值

盾構(gòu)土倉(cāng)壓力較小時(shí)，開(kāi)挖面前方的土體產(chǎn)生朝向刀盤(pán)方向的微小位移，并在土體中形成滑裂面。開(kāi)挖面前方土體為有限土體時(shí)，滑動(dòng)土體截面呈梯形。根據(jù)庫(kù)倫土壓力的計(jì)算原理，對(duì)滑動(dòng)土體進(jìn)行受力分析，這與第一章中分析滑裂面傾角時(shí)的受力狀態(tài)相同。因此，根據(jù)力的平衡三角形，得到土倉(cāng)壓力合力E的表達(dá)式(式(1))，根據(jù)極限平衡理論，將E對(duì)滑裂面傾角θ求導(dǎo)，當(dāng)求導(dǎo)等于零時(shí)，得到滑裂面傾角θ的表達(dá)式(式(3))。從θ的表達(dá)式中可以看出，滑裂面傾角和土體參數(shù)有關(guān)，且和盾構(gòu)機(jī)所處的位置有關(guān)。在開(kāi)挖面前方土體進(jìn)入有限土體狀態(tài)后，前方土體寬度是已知量，因此，我們可以取接收階段每環(huán)管片距圍護(hù)結(jié)構(gòu)的距離為不同的土體寬度b，將垂直距離z和土體寬度b代入式(3)，求出盾構(gòu)機(jī)到達(dá)各位置時(shí)前方土體的滑裂面傾角值。將傾角θ代入式(1)，即可得到盾構(gòu)機(jī)處于該位置時(shí)土倉(cāng)壓力合力E的大小，也就是有限土體主動(dòng)土壓力合力的大小，進(jìn)而可以得到土倉(cāng)壓力值。

理想狀況下，取土倉(cāng)壓力為有限土體主動(dòng)土壓力大小，可以最大程度減小盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力的影響，保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。但實(shí)際工程中由于各種未知因素的存在，結(jié)合盾構(gòu)接收時(shí)對(duì)地表沉降的控制要求，可將主動(dòng)土壓力值作為土倉(cāng)壓力設(shè)定的下限，接收掘進(jìn)過(guò)程中土倉(cāng)壓力的設(shè)定應(yīng)高于主動(dòng)土壓力值。

2.2 土倉(cāng)壓力的參考值

盾構(gòu)掘進(jìn)必然會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生影響，土體受到擾動(dòng)之后土顆粒發(fā)生移動(dòng)，重新排列到新的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)土倉(cāng)壓力最接近原始地層應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，盾構(gòu)施工對(duì)土體的影響最小。因此正常掘進(jìn)狀態(tài)中，取庫(kù)倫土壓力理論的靜止土壓力作為土倉(cāng)壓力設(shè)定的依據(jù)。對(duì)于有限土體而言，靜止土壓力系數(shù)不再適用，需選定一個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)的受力情況作為依據(jù)，分析此時(shí)土倉(cāng)壓力合力的數(shù)值關(guān)系。為了盡可能減小對(duì)土體原有狀態(tài)的擾動(dòng)，選取土體僅受自身重力、滑裂面支持力和土倉(cāng)壓力合力的狀態(tài)進(jìn)行受力分析，如圖3(a)所示。在該狀態(tài)下，開(kāi)挖面前方土體既無(wú)向前滑動(dòng)的趨勢(shì)，也無(wú)向后滑動(dòng)的趨勢(shì)，對(duì)地表沉降和圍護(hù)樁受力的影響均較小。此時(shí)，有限土體重力為W，土倉(cāng)壓力合力為E，滑裂面上支持力為R。由于土體處于平衡狀態(tài)，可得到封閉三角形如圖3(b)所示，支持力R和豎直方向的夾角為θ-φ。

圖3 靜止?fàn)顟B(tài)下土體受力分析簡(jiǎn)圖

根據(jù)力的三角形法則，土倉(cāng)壓力合力E的表達(dá)式為

E=[γb(z-0.5btanθ)]tan(θ-φ)

(5)

與主動(dòng)土壓力的計(jì)算同理，根據(jù)極限平衡理論，當(dāng)dE/dθ=0時(shí)，E取極值，此時(shí)角度θ即為滑裂面傾角。將土倉(cāng)壓力合力E對(duì)θ求導(dǎo)得

0.5γb2(1+tan2θ)tan(θ-φ)-

0.5γb2tanθ[1+tan2(θ-φ)]

(6)

令dE/dθ=0，整理得滑裂面傾角θ的表達(dá)式

(7)

實(shí)際工程中，代入已知的參數(shù)b、z和內(nèi)摩擦角φ，即可求出滑裂面傾角。將求出的滑裂面傾角代入式(5)中，即可求出土倉(cāng)壓力合力，進(jìn)而求出土倉(cāng)壓力參考值。

2.3 土倉(cāng)壓力的上限值

土倉(cāng)壓力設(shè)置過(guò)大時(shí)，開(kāi)挖面前方土體朝向接收井方向滑移，對(duì)接收井圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用力不可忽略，可取圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)有限土體的作用力為被動(dòng)土壓力值[23]，分析該極限平衡狀態(tài)時(shí)的土體受力。與有限土主動(dòng)土壓力狀態(tài)相比，滑裂面支持力和摩阻力的方向改變。在該狀態(tài)下，土倉(cāng)壓力的合力與圍護(hù)結(jié)構(gòu)作用力、滑裂面摩阻力、支持力的水平分量相平衡，受力狀態(tài)如圖4(a)所示。若土倉(cāng)壓力的設(shè)定超過(guò)該值，滑裂面摩阻力、支持力的水平分量不足以與土倉(cāng)壓力合力相平衡，剩余的土倉(cāng)壓力將直接作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，再疊加土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力，洞口處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性無(wú)法得到保障。

有限土體重力為W，土倉(cāng)壓力合力為E，滑裂面上支持力為R，支持力方向和滑裂面法線方向的夾角為內(nèi)摩擦角φ，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)土體的合力為P，P=Kpγ(z-btanθ)。由于土體處于平衡狀態(tài)，可得到封閉三角形如圖4(b)所示，支持力R和豎直方向的夾角為θ+φ。

圖4 被動(dòng)狀態(tài)下土體受力分析簡(jiǎn)圖

則土倉(cāng)壓力合力E的表達(dá)式為

E=[γb(z-0.5btanθ)+bctanθ]tan(θ+φ)+

bc+Kpγ(z-btanθ)

(8)

與主動(dòng)土壓力的計(jì)算同理，根據(jù)極限平衡理論，當(dāng)dE/dθ=0時(shí)，E取極值為被動(dòng)土壓力的合力值，此時(shí)角度θ即為滑裂面傾角。將土倉(cāng)壓力合力E對(duì)θ求導(dǎo)得

0.5γb2(1+tan2θ)tan(θ+φ)-

0.5γb2tanθ[1+tan2(θ+φ)]+

bc(1+tan2θ)tan(θ+φ)+

bctanθ[1+tan2(θ+φ)]-Kpγb(1+tan2θ)

(9)

從求導(dǎo)結(jié)果可以看出，在有限土體被動(dòng)狀態(tài)下，土倉(cāng)壓力合力E為關(guān)于θ為單調(diào)增函數(shù)，求導(dǎo)不存在等于零的θ值。有限土體被動(dòng)土壓力狀態(tài)的滑裂面傾角和有限土體的寬高比有關(guān)，傾角大小隨著土體寬高比的減小而增大，且增大趨勢(shì)逐漸平緩，當(dāng)有限土體寬高比小于1.5時(shí)，滑裂面傾角基本為一個(gè)穩(wěn)定值[23]。針對(duì)盾構(gòu)接收階段而言，進(jìn)入有限土體后土體寬高比即小于1.5，因此有限土體被動(dòng)土壓力狀態(tài)的滑裂面傾角，可取一個(gè)固定值。根據(jù)其研究成果，當(dāng)不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)土體的摩擦力時(shí)，可選擇滑裂面傾角θ為45°-φ/2值，由此可將其他參數(shù)代入式(8)計(jì)算盾構(gòu)機(jī)處于各位置時(shí)的土倉(cāng)壓力合力，進(jìn)而求出土倉(cāng)壓力上限值。

3 實(shí)際工程驗(yàn)算

北京地鐵16號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間使用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，直徑6 m，輻條式刀盤(pán)。管片為預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，環(huán)寬1.2 m。盾構(gòu)埋深14 m，盾構(gòu)穿越的土層主要為粉質(zhì)黏土。具體的土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。盾構(gòu)接收端采用接收井進(jìn)行無(wú)障礙接收，洞門(mén)范圍內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃纖維筋混凝土樁，其他范圍內(nèi)圍護(hù)樁體為鋼筋混凝土樁，鋼筋和玻璃纖維筋做有效搭接，滿足承載力要求。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)于計(jì)算用的土層參數(shù)，根據(jù)每個(gè)土層的厚度對(duì)土層的整體物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)化。取土體的重度為20 kN/m3，內(nèi)摩擦角為24°，黏聚力為16 kPa。根據(jù)有限土體界限位置的確定方法，聯(lián)立式(3)和式(4)可得，b=16.3 m時(shí)盾構(gòu)前方土體進(jìn)入有限土體狀態(tài)，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)位于距洞口13～14環(huán)位置，前方有限土體的寬高比是0.815。針對(duì)該工程的盾構(gòu)施工過(guò)程建立Flac3D模型，如圖5所示。圍護(hù)樁體的模擬監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示在盾構(gòu)機(jī)距洞口14環(huán)位置時(shí)，洞口處圍護(hù)樁體的樁身彎矩開(kāi)始受盾構(gòu)掘進(jìn)影響，如圖6所示。這也說(shuō)明從該位置開(kāi)始，開(kāi)挖面前方土體寬度不足，盾構(gòu)機(jī)對(duì)土體的作用力將會(huì)沿有限土體傳遞到圍護(hù)結(jié)構(gòu)中。為保護(hù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全，土倉(cāng)壓力不應(yīng)再使用正常掘進(jìn)的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)判斷盾構(gòu)進(jìn)入有限土體，采用接收掘進(jìn)的設(shè)定方式確定土倉(cāng)壓力。

圖5 盾構(gòu)接收施工整體模型

圖6 圍護(hù)樁彎矩模擬曲線

在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入有限土體狀態(tài)時(shí)，根據(jù)有限土壓力理論設(shè)定土倉(cāng)壓力，減小對(duì)圍護(hù)樁的擾動(dòng)。根據(jù)前述計(jì)算公式分別計(jì)算土倉(cāng)壓力設(shè)定的下限值、參考值和上限值，與工程實(shí)際的土倉(cāng)壓力設(shè)定相比較，如圖7所示。從圖7看出，理論計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了理論公式的可行性。

圖7 土倉(cāng)壓力計(jì)算與監(jiān)測(cè)曲線

盾構(gòu)機(jī)在距洞口14～6環(huán)位置時(shí)，實(shí)際土倉(cāng)壓力處于設(shè)定參考值和設(shè)定下限值之間，在6環(huán)之后，實(shí)際土倉(cāng)壓力基本處于設(shè)定下限值位置。基于有限土體被動(dòng)土壓力狀態(tài)計(jì)算的設(shè)定上限值遠(yuǎn)大于其他值，這與正常掘進(jìn)階段被動(dòng)土壓力值的規(guī)律相同，設(shè)定土倉(cāng)壓力一般不會(huì)達(dá)到被動(dòng)土壓力值。設(shè)定上限值的大小隨盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)迅速下降，考慮不同土質(zhì)狀況對(duì)計(jì)算的影響，因此設(shè)定上限值的計(jì)算還是有必要進(jìn)行的。該工程地質(zhì)條件較好，且對(duì)地面沉降要求不高，因此選擇土倉(cāng)壓力介于設(shè)定下限值和設(shè)定參考值之間是合理的，同時(shí)這也驗(yàn)證了理論計(jì)算的可行性。

盾構(gòu)接收端現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有3個(gè)斷面對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別位于距離接收井3，8 m和15 m處，命名為DB-1、DB-2、DB-3，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面有7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間間距3 m，提取盾構(gòu)機(jī)到達(dá)距洞口一環(huán)位置時(shí)的地表沉降，如圖8所示。在Flac3D模型中，取土倉(cāng)壓力為計(jì)算參考值和下限值的平均值，得到地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的模擬值，并與工程現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)值相比較。如圖9、圖10所示。

圖8 地表沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線

圖9 地表沉降模擬曲線

圖10 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)與模擬曲線

通過(guò)地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)、模擬圖可以看出，采用有限土壓力計(jì)算來(lái)設(shè)定土倉(cāng)壓力是有效的，地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形都得到了較好的控制。

4 結(jié)論

結(jié)合有限土體土壓力理論和土倉(cāng)壓力的設(shè)定原則，通過(guò)對(duì)有限土體極限平衡狀態(tài)的分析，推導(dǎo)土倉(cāng)壓力設(shè)定的理論公式，并得到以下主要結(jié)論。

(1)開(kāi)挖面前方土體由半無(wú)限狀態(tài)到有限土體狀態(tài)的劃分界限，可按照有限土體的主動(dòng)狀態(tài)分析。取滑裂面頂端剛好處于圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂端時(shí)盾構(gòu)機(jī)所處的位置為界限位置。盾構(gòu)機(jī)在該位置時(shí)前方土體由半無(wú)限狀態(tài)變?yōu)橛邢尥馏w狀態(tài)，盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)入接收掘進(jìn)階段。

(2)盾構(gòu)接收掘進(jìn)階段土倉(cāng)壓力的設(shè)定，可根據(jù)前方有限土體的實(shí)際狀態(tài)分步計(jì)算，選擇主動(dòng)土壓力狀態(tài)計(jì)算設(shè)定下限值，選擇特定的靜止土壓力狀態(tài)計(jì)算設(shè)定參考值，選擇被動(dòng)土壓力狀態(tài)計(jì)算設(shè)定上限值。一般工程中可選擇土倉(cāng)壓力位于設(shè)定下限值和參考值之間，對(duì)地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形均有較好的控制作用。

根據(jù)北京地鐵16號(hào)線某盾構(gòu)工程實(shí)況，結(jié)合工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證了本文對(duì)盾構(gòu)接收掘進(jìn)階段有限土體劃分及土倉(cāng)壓力設(shè)定的理論分析是可行的，可為同類工程提供參考。