么家琦

（廣東粵東城際鐵路有限公司，廣東 汕頭 515000）

城市地鐵軌道交通日益發(fā)達(dá)，很大程度地緩解了城市交通壓力。在使用盾構(gòu)機(jī)挖掘軌道交通隧道的過程中[1]，地下的地質(zhì)條件復(fù)雜，在軟土環(huán)境下盾構(gòu)隧道容易出現(xiàn)變形效應(yīng)，在該情況下盾構(gòu)隧道出現(xiàn)坍塌的風(fēng)險(xiǎn)較大。為保障盾構(gòu)機(jī)施工作業(yè)安全，保證盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量，對盾構(gòu)隧道變形效應(yīng)進(jìn)行研究意義較大[2]。復(fù)雜環(huán)境軟土地層內(nèi)含水率較高且土層內(nèi)由淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土組成，當(dāng)受到荷載或者自身荷載發(fā)生變化時(shí)，容易出現(xiàn)位移現(xiàn)象，地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定增加了盾構(gòu)機(jī)施工難度[3]。在該情況下，本文研究復(fù)雜環(huán)境軟土地層中盾構(gòu)隧道的變形效應(yīng)，為盾構(gòu)隧道施工提供變形數(shù)據(jù)。

1 復(fù)雜環(huán)境軟土地層中盾構(gòu)隧道的變形效應(yīng)

1.1 工程地質(zhì)概況

本文以某地鐵項(xiàng)目作為研究對象，車站主體基坑基底范圍內(nèi)為軟土地層，以淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)細(xì)沙和粉質(zhì)黏土為主，其次為全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化的泥質(zhì)粉砂巖，地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜。在車站主體基坑基底范圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)含水率數(shù)值較大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，為盾構(gòu)隧道建設(shè)帶來了較大的難度。工程地質(zhì)匯總見表1，其盾構(gòu)隧道平面圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道平面圖 （單位：mm）

表1 地質(zhì)匯總表

盾構(gòu)隧道推進(jìn)方向相同，兩側(cè)均設(shè)有承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為10m×10m，承臺(tái)兩端分別距離隧道5.5m 和5.8m，每個(gè)承臺(tái)均具有3 排樁，分別為前排樁、中排樁和后排樁。盾構(gòu)隧道外徑寬度為6.1m，2 個(gè)盾構(gòu)隧道之間的距離為11m。

1.2 基于HSS 模型的盾構(gòu)隧道的變形效應(yīng)計(jì)算

HSS 模型（Hyperstatic Soil-Structure）是一種新型的土力學(xué)模型，它可以描述土體中不同巖性的存在，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測建筑物所處的土壤狀態(tài)。該模型可以用于分析盾構(gòu)隧道在復(fù)雜環(huán)境軟土地層中的變形效應(yīng)?；趶椝苄岳碚?，將盾構(gòu)隧道土體的變形行為視為由2 個(gè)方面共同貢獻(xiàn)的因素：彈性變形和塑性變形。其中，彈性變形是土體在受到加載后能恢復(fù)到原始狀態(tài)的變形，而塑性變形是當(dāng)土體受到過大加載時(shí)，無法完全恢復(fù)的永久性變形。使用HSS 模型可以計(jì)算盾構(gòu)隧道在不同情況下的變形效應(yīng)。盾構(gòu)機(jī)工作是分段連續(xù)進(jìn)行的，盾構(gòu)機(jī)每推進(jìn)一段長度[4]，其土倉內(nèi)壓力和尾部注漿的壓力均會(huì)被激活，土倉壓力和注漿壓力變化后，對盾構(gòu)隧道產(chǎn)生一定作用力，使盾構(gòu)隧道出現(xiàn)變形效應(yīng)。令P為盾構(gòu)機(jī)土倉壓力，其計(jì)算如公式（1）所示。

式中：L為盾構(gòu)隧道中軸線以上覆土厚度；γm為盾構(gòu)隧道覆土層加權(quán)平均重度；K0為正常固結(jié)條件下，靜止側(cè)壓力系數(shù)。

盾構(gòu)機(jī)在工作的過程中，當(dāng)盾尾部脫出時(shí)導(dǎo)致隧道壁和襯砌間出現(xiàn)間隙[5]，在理論上該間隙數(shù)值約為1.65m2，但在實(shí)際工況中，會(huì)存在一定偏差。為充分描述盾構(gòu)尾部與襯砌之間間隙、盾構(gòu)機(jī)注漿程度和隧道面土體的變形程度和范圍[6]，將盾構(gòu)尾部與襯砌之間間隙概化為均質(zhì)的彈性等代層，δ表示該層厚度，其計(jì)算如公式（2）所示。

式中：η為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Qp為理論盾構(gòu)尾部與襯砌之間間隙。

當(dāng)考慮注漿時(shí)，盾構(gòu)機(jī)尾部間隙填充不足、偏心超挖和支護(hù)壓力不足引起的間隙，則等代層厚度可改寫式（3）。

式中：z1、z2、z3分別為盾構(gòu)機(jī)尾部間隙填充不足、偏心超挖和支護(hù)壓力不足引起的間隙。

以公式（1）和公式（3）結(jié)果為基礎(chǔ)，利用HSS 模型對盾構(gòu)隧道變形效應(yīng)進(jìn)行反演。HSS 模型是反映土的硬化特征的模型，利用該模型可得到盾構(gòu)隧道變形效應(yīng)數(shù)值。令q、ε1分別為盾構(gòu)隧道的偏應(yīng)力和主應(yīng)變，二者之間關(guān)系如公式（4）所示。

式中：Vf=qf/qa，qf為盾構(gòu)隧道變形時(shí)偏應(yīng)力；E50為三軸加載模量；qa為剪切強(qiáng)度漸進(jìn)值。

令Eoed為不同預(yù)應(yīng)力下盾構(gòu)隧道土體壓縮模量，其計(jì)算如公式（5）所示。

令Eur為不同圍壓情況下盾構(gòu)隧道土體卸載模量，其與盾構(gòu)隧道土體切割線模量E50之間轉(zhuǎn)換公式如公式（6）所示。

令Q0為不同圍壓下，盾構(gòu)隧道初始剪切模量，如公式（7）所示。

以公式（7）結(jié)果為基礎(chǔ)，計(jì)算盾構(gòu)隧道土體剪切模量，如公式（8）所示。

式中：Q為盾構(gòu)隧道土體剪切模量；ζ、ζ0.7分別為初始剪應(yīng)變和剪切模量衰減到初始剪切模量的70%時(shí)對應(yīng)的剪應(yīng)變。

通過上述步驟，得到不同情況下盾構(gòu)隧道土體剪切模量，該剪切模量為盾構(gòu)隧道變形效應(yīng)數(shù)值。

2 盾構(gòu)隧道—周邊建筑群全區(qū)段一體化施工數(shù)值模擬方法

PLAXIS 3D 軟件是一種專業(yè)的有限元分析軟件，可用于進(jìn)行土體和結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模擬。在本文中，研究人員使用PLAXIS 3D 軟件進(jìn)行盾構(gòu)隧道與周邊建筑群全區(qū)段一體化施工的數(shù)值模擬。通過該軟件可以模擬盾構(gòu)隧道施工對周邊土體和建筑物的影響，以評估變形效應(yīng)并優(yōu)化施工方案。使用PLAXIS 3D 軟件對盾構(gòu)隧道－周邊建筑群全區(qū)段一體化施工數(shù)值模擬，獲得盾構(gòu)隧道在復(fù)雜環(huán)境軟土地層中的變形效應(yīng)[7]。盾構(gòu)隧道與其周邊建筑群實(shí)體單元和節(jié)點(diǎn)較多，為簡化計(jì)算，將其地質(zhì)軟土層看均質(zhì)水平分布，周邊建筑樁基為矩形均勻分布[8]，建筑荷載也是均勻分布在底板位置。盾構(gòu)隧道土體參數(shù)根據(jù)表1，隧道模型采用笛卡爾坐標(biāo)系，盾構(gòu)隧道邊界尺寸參考圖1，盾構(gòu)隧道為彈性本構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，使用PLAXIS 3D 軟件建立盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬模型，從而進(jìn)行施工模擬。這包括逐步添加盾構(gòu)隧道和支護(hù)結(jié)構(gòu)，并設(shè)置相應(yīng)的施工時(shí)間和序列。定義盾構(gòu)推進(jìn)速度、注漿壓力等施工參數(shù)，并考慮盾構(gòu)隧道和支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用。通過動(dòng)力學(xué)分析，模擬盾構(gòu)的推進(jìn)過程和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝過程，預(yù)測隧道變形和土體響應(yīng)。首先，利用該模型模擬盾構(gòu)機(jī)作業(yè)過程，其次，得到盾構(gòu)隧道變形效應(yīng)。最后，分析結(jié)果。施加適當(dāng)?shù)暮奢d條件，如地震荷載或靜態(tài)荷載，以評估盾構(gòu)隧道和周邊土體的穩(wěn)定性。通過計(jì)算位移、應(yīng)變、應(yīng)力和變形等參數(shù)，評估盾構(gòu)隧道和周邊土體的變形效應(yīng)。生成圖形化和數(shù)值化的分析結(jié)果，并進(jìn)行后處理和結(jié)果解釋，以支持工程設(shè)計(jì)和決策。

3 試驗(yàn)分析

利用建立的盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬模型，模擬盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)，使用本文方法對該盾構(gòu)隧道進(jìn)行變形效應(yīng)計(jì)算。在盾構(gòu)隧道內(nèi)每隔50m 設(shè)置一個(gè)觀測點(diǎn)，以5 個(gè)連續(xù)觀測點(diǎn)作為試驗(yàn)對象，對右側(cè)隧道進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)，模擬5 個(gè)連續(xù)觀測點(diǎn)水平方向的變形位移，結(jié)果如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道水平方向變形效應(yīng)

分析圖2 可知，該隧道5 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在水平方向上均出現(xiàn)不同的變形效應(yīng)，其中測點(diǎn)5 在水平方向上變形效應(yīng)數(shù)值最大。從5 個(gè)測點(diǎn)水平方向變形效應(yīng)數(shù)值曲線來看，當(dāng)樁長為20m～40m 時(shí)，該隧道水平變形效應(yīng)最大。利用數(shù)值模擬方式呈現(xiàn)該盾構(gòu)隧道垂直方向的變形效應(yīng)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道垂直變形效應(yīng)云圖

分析圖3 可知，從盾構(gòu)隧道垂直變形效應(yīng)云圖來看，盾構(gòu)隧道豎向位移由拱頂位置逐漸向兩側(cè)降低，但其幅度略小。盾構(gòu)隧道豎向位移數(shù)值由大到小順序：拱頂位移大于兩側(cè)位置大于拱底為止，說明盾構(gòu)隧道頂部位置變形效應(yīng)較強(qiáng)，該結(jié)果也說明本文方法具有較為顯著的應(yīng)用效果。以盾構(gòu)隧道變形效應(yīng)中的沉降量為衡量指標(biāo)，10 個(gè)測點(diǎn)作為試驗(yàn)對象，測試盾構(gòu)隧道在穿越的過程中、穿越50 d 后和后續(xù)沉降數(shù)值，測試結(jié)果見表3。

表3 不同時(shí)段盾構(gòu)隧道變形效應(yīng)沉降量（單位：mm）

由表3 可知，10 個(gè)盾構(gòu)隧道測點(diǎn)在盾構(gòu)穿越過程中、盾構(gòu)穿越后50 d 和后續(xù)時(shí)間中，其最大變形效應(yīng)沉降量呈現(xiàn)上升趨勢[9]，但上升幅度不明顯。當(dāng)10 個(gè)盾構(gòu)隧道測點(diǎn)在盾構(gòu)穿越時(shí)，其最大變形效應(yīng)數(shù)值為0.193mm，最小變形效應(yīng)數(shù)值為0.124mm。盾構(gòu)穿越后50 d 時(shí)，盾構(gòu)隧道測點(diǎn)最大變形效應(yīng)數(shù)值為3.096mm，最小變形效應(yīng)數(shù)值為2.036mm。當(dāng)隧道盾構(gòu)施工作業(yè)完成后，盾構(gòu)隧道測點(diǎn)最大變形效應(yīng)數(shù)值為3.824mm，最小變形效應(yīng)數(shù)值為2.978mm。綜上所述，利用本文方法可有效獲得盾構(gòu)隧道在不同時(shí)間段時(shí)，其最大和最小變形效應(yīng)，為隧道安全施工提供變形效應(yīng)數(shù)值，應(yīng)用效果較佳。

4 結(jié)論

本文研究復(fù)雜環(huán)境軟土地層中盾構(gòu)隧道的變形效應(yīng)，采用該方法通過HSS 模型獲得盾構(gòu)隧道變形效應(yīng)數(shù)據(jù)，并建立盾構(gòu)隧道掘進(jìn)數(shù)學(xué)模型，對其盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)行模擬。經(jīng)過試驗(yàn)可知，在負(fù)載環(huán)境軟土地層中，盾構(gòu)隧道拱頂位置變形效應(yīng)最大，當(dāng)盾構(gòu)樁長度為20m～40m 時(shí)水平變形效應(yīng)最大。通過對盾構(gòu)隧道變形效應(yīng)進(jìn)行研究，為盾構(gòu)隧道施工安全管控打下良好基礎(chǔ)，未來可在盾構(gòu)隧道施工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。