地铁隧道盾构掘进面的稳定性研究

许 飞

(太原市市政公用工程质量监督站，山西 太原 030012)

1 概述

高铁、航运以及市政交通等涉及国民经济的基础设施建设随着我国经济建设和人民生活水平的提高而飞速发展，对于城市发展空间越来越受到限制，城市存在的交通堵塞、城市防灾减灾能力弱化、城市人口数量增加、城市建筑密度大以及环境污染等亟待解决问题也逐渐增多[1]。交通疏导是城市建设发展的基础，然而在城市中出现的交通拥堵现象已成为制约城市发展的重要问题。为了减小城市地上交通拥堵问题，随着我国重型建筑机械的研发和发展，科学规划、合理利用和高度整合地下空间已成为解决城市地上交通拥堵的重要方法[2]。地铁具有环保、不占用地上空间、运输量大、运营效率高等综合优势。为了避免隧道开挖对城市的不良影响，施工过程中的安全问题成为一项特别重要的问题，地铁施工的主要方法包括盾构施工法、矿山施工法和明挖施工法。盾构施工法是指盾构机在掘进过程中进行管片拼装并在壁后注浆保持隧道稳定性的施工方法。盾构施工法是一种综合的地下施工法，它涉及到机械制造、土木工程、电力通信等领域的问题，如图1所示。盾构施工法相对其他施工方法具有速度快、对周围环境影响小、对地层的适应性强、土方量较少、安全系数高、施工效率高、施工不受气候因素影响以及经济优越性等优点，已经越来越多的在我国城市地铁建设中应用[3]。

盾构机在掘进过程中，掘进面对围岩的扰动会破坏围岩和隧道之间的受力平衡，容易产生沉降变形，施工过程会根据地质条件和施工工艺的不同对围岩产生剪切变形，若在施工过程中发生事故，将会对人员及财产造成巨大损失。在隧道工程中，确保构筑物不产生破坏以及盾构机的顺利推进，是盾构隧道设计与施工中的非常关键问题。盾构机掘进过程中，掘进面的支护压力的控制和确定是影响工程质量的重要因素。随着盾构施工技术的不断完善和发展，关于地铁隧道盾构掘进面的稳定性的研究飞速发展，相关分析方法和理论模型也逐渐完善，并取得很多重要的研究结论[4-7]。而我国在盾构施工技术方面还处于起步阶段，许多关于盾构机掘进过程存在的问题还处于摸索阶段，这极大制约了我国地铁盾构施工法的使用和推广。盾构推进产生的造成地层损失及地表沉降的原因主要包含两个方面：一方面，盾构掘进面处的支护压力过大或过小；另一方面，在盾构机尾部的喷浆过多或过少。如果在盾构掘进面处的支护压力没有得到控制，那么施工过程中的地层损失以及地表沉降的现象非常显著，这种控制如果产生剧烈扰动很容易产生非常严重的破坏性。

2 盾构施工技术

2.1 盾构施工的施工方法

盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构，机械式盾构。盾构机主要由盾体(盾壳、盾头)、切削刀具、切削刀具驱动设备、液压顶护设备、管片连接设备、渣土运送设备、电气辅助设备等七大部分构成。盾构机的工作原理为：盾构机设备开启，切削刀具在驱动设备作用下高速旋转切削渣土，被切下的渣土通过渣土运送设备运输至渣土车中，再通过竖井运至地面。盾构机在液压缸的推力作用下向前推进，盾构机每向前推进一个管片长度，管片连接设备将预制管片安装到盾构机尾部，防止围岩塌陷造成事故。盾体对挖掘出的还未衬砌的隧道起到临时支护的作用[8]。

盾构施工法是使用盾构机在地下掘进过程中，可实现防止掘进面围岩塌陷。盾构施工法是由掘进面确定、隧道掘进和混凝土衬砌3大部分组成。盾构施工法一般分为4个步骤：1)在隧道一端建造竖井来安装盾构机；2)盾构掘进，盾构机从竖井的避免开孔处出发，按照施工要求向隧道另一端推进，在盾构掘进过程中，渣土通过渣土运送设备从掘进面排至地面；3)在盾构推进过程中，安装隧道衬砌结构，防止隧道塌方；4)盾构机掘进到隧道另一端，掘进结束[9]，图2为盾构机的施工过程的示意图。

2.2 盾构施工的支护压力

盾构掘进施工过程中，对围岩的切削扰动造成围岩内部的应力释放、体积膨胀、围岩含水量增加以及孔隙水压力的增大。在原始地层中，围岩处于原始地应力平衡状态。由于地质条件和施工工艺的限制，盾构机在掘进过程中，原始地应力平衡状态发生变化，盾构机对围岩产生加载及卸载等一系列力学行为，对周围围岩的扰动会破坏围岩和隧道之间的受力平衡，容易产生沉降变形，施工过程容易产生土体的剪切变形，如果支护压力控制对掘进面处的围岩的稳定性产生很大的影响。如果支护压力控制不足会导致掘进面处的围岩压力减小，且掘进面处的围岩对盾构机的压力舱产生挤压，最终导致地表沉降甚至坍塌。如果支护压力过大则会导致掘进面处的围岩压力增大，且盾构机的压力舱对掘进面处的围岩产生挤压，最终导致地表起皱。因此，在盾构施工过程中，盾构掘进面上的支护压力需要满足使施工围岩上方的地表面既不塌陷又不起皱，这就意味着盾构掘进面的支护压力控制非常重要。

围岩在开挖后，原始地应力平衡状态发生变化，为了保证掘进面稳定，需要盾构掘进过程中，既要保证盾构机在克服外界摩擦力和静水压力下保持基本的掘进速度，还要保证掘进面的支护力控制在地表不塌陷和不起皱的数值范围内。假设盾构机在掘进面上的压力为P，当盾构机支护力过大时，掘进面围岩处于被动围岩压力状态，假设被动围岩压力为Pb；当盾构机支护力过小时，掘进面围岩处于主动围岩压力状态，假设被动围岩压力为Ps；当盾构机处于动态平衡位置时，掘进面围岩处于平衡围岩压力状态。为了保证地表不塌陷和不起皱，盾构机在掘进面上的压力为P必须满足条件：PsPb，此时围岩支护力过大，则掘进面上方地层产生起皱现象；当盾构机在掘进面上的压力小于主动围岩压力，即P

因此需要确定支护压力值，支护压力值与隧道掘进面与地表的距离、围岩物理参数以及地下水压力Pw有关。盾构掘进面上的支护压力满足使施工围岩上方的地表面既不塌陷又不起皱情况，需要注意支护压力需介于压力上限Pu和压力下限Pd。静态围岩压力P1可表示为:

P1=ρλH

(1)

其中,ρ为围岩侧向压力系数；λ为围岩的重度，N/m3；H为计算压力点处的深度，m。围岩侧向压力系数ρ表达式为:

(2)

将式(2)代入式(1)可得到静态围岩压力P1为:

(3)

其中,μ为围岩的泊松比。假设在盾构掘进面施加的支护压力P2的表达式为:

(4)

其中,σ为围岩的支护应力比。当σ=1时，静态围岩压力P1等于盾构掘进面施加的支护压力P2，即P1=P2，此时盾构掘进面处于平衡状态；当σ>1时，静态围岩压力P1大于盾构掘进面施加的支护压力P2，即P1

盾构掘进面的压力上限Pu为被动围岩压力Pb、地下水压力Pw和盾构掘进面施加的支护压力之和，根据式(4)可得到盾构掘进面的压力上限Pu为:

(5)

盾构掘进面的压力下限Pd为主动围岩压力Ps和地下水压力Pw之和，盾构掘进面的压力下限Pd为:

Pd=Ps+Pw

(6)

终上所述，为了避免掘进面上方地层产生起皱现象，应该减小围岩支护力，即盾构机在掘进面上的压力小于压力上限Pu，即PPd。

3 结语

地铁隧道盾构施工技术是一种综合的地下施工法，盾构机在掘进过程中容易产生沉降变形，因此对于盾构施工的稳定性研究就显得尤为重要。总结了盾构施工的施工方法和工作原理以及盾构掘进面支护力产生原因和控制方法，阐述了盾构掘进过程中，围岩的三种压力状态：主动围岩压力状态、被动围岩压力状态和平衡围岩压力状态，得到了支护压力与三种围岩压力状态的关系所对应的地表形貌。该研究可以对盾构施工技术具有一定的理论指导意义。

[1] 刘 栋.复合地层中土压盾构隧道掘进面稳定性研究[D].武汉：华中科技大学硕士学位论文，2009.

[2] 张 雄.盾构法隧道施工引起地表沉降研究[D].石家庄：河北工程大学硕士学位论文，2012.

[3] 王 伟.地铁盾构法施工穿越隧道节点稳定性硏究——以南京地铁为例[D].南京：南京理工大学硕士学位论文，2016.

[4] M Kavvadas,D Litsas,I Vazaios,et al. Development of a 3D finite element model for shield EPB tunneling[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2017(65):22-34.

[5] J Nini,C Koch,J Stascheit.An integrated platform for design and numerical analysis of shield tunnelling processes on different levels of detail[J].Advances in Engineering Software,2017(112):165-179.

[6] B Maidl,M Herrenknetcht,U Maidl,et al.Mechanised Shield Tunnelling,2nd edition[M].Berlin:Ernst & Sohn,2012.

[7] K Zhao,M Bonini,D Debernardi,et al.Computational modelling of the mechanised excavation of deep tunnels in weak rock[J].Computers and Geotechnics,2015(66):158-171.

[8] 王 干.黄土地铁隧道盾构掘进面稳定性研究[D].西安：西安理工大学硕士学位论文，2017.

[9] 乔金丽.盾构隧道开挖面的稳定性分析[D].天津:天津大学博士学位论文，2008.