盾构施工过程中的土体变形研究

温庆峰

[摘要]在盾构施工过程中，采用弹性力学的Mindlin解经变换坐标推导出土体和刀盘之间摩擦力引发地面变形的计算公式，从而导出盾构施工引发土体变形的计算方法。通过研究可知：盾构施工过程中，影响土地变形的主要因素是正面推力以及后壳的摩擦，设置刀盘扭矩的主要因素是刀盘和土体之间的摩擦。本文结合成都地铁10号线工程中的土层结构，对盾构和土地之间相互作用进行分析，计算出盾构和土體之间作用引发土体变形特点。由此可见，研究盾构施工过程中的土体变形对于隧道施工具有十分重要的指导意义。

[关键词]盾构施工；Mindlin解；土体变形；正面推力 文章编号：2095 -4085（2018）09 -0116 - 02

近年来，我国城市建设快速发展，我国很多城市地铁已经投入使用，也有很多地铁项目在修建当中。在开挖隧道过程中，会对周围的土地产生扰动，因此，一般采用盾构施工方式进行。虽然，近年来盾构施工的技术有了很大的提升，但是，由于隧道施工受到施工工艺以及地质条件的影响，很难避免因推进盾构引发的地层扰动。结合盾构施工过程中引发的土体变形，现阶段，业内人士已经开展大量的研究，旨在保障隧道施工相关工作顺利开展。

1 盾构施工土体变形研究方法

1.1 经验公式法

经验公式法也称为（修正）Peck公式法，其一般应用于水平地表隧道施工沉降预测，而对于山岭隧道，特别是进出口段往往地形倾斜，存在不同程度的偏压。通过查阅大量文献资料可知，通过地层损失率对土体变形进行估算，结合工程实际情况和资料统计土体损失率取值。

1.2 弹性应变法

通过查阅以往资料，采用镜像方式分析弹性半空间的解法，并以此为基础，通过进一步的论证，可以将盾构施工过程中的土体看做是可以压缩的材料，结合隧道变形情况，对土体空隙的参数进行重新的定义。

1.3 复变函数法

以隧道变形为基础，将隧道变形看做是椭圆化，采用复变函数分析盾构施工中的土体变形，从而映射求解。

1.4 随机介质法

将盾构结构中的土体看做是随机变化的介质，采用随机预测方式预测盾构施工中引发的土体损失数值。

1.5 Mindlin解法

采用空间弹性力学的Mindlin解，通过正面附加的推力以及盾壳和土体之间产生的摩擦力土体导出土体变形的计算方法。

1.6 数值计算法

通过动态模拟的方式对盾构施工过程中的土体变形进行全方位的模仿，分析土体变形情况[1]。

本文结合盾构施工的过程，对盾构施工中的盾构和土体之间摩擦作用进行分析，选择盾构土体变形主要形式。通过Mindlin解对刀盘和土体之间的摩擦引发土体变形的计算公式进行详细推到，并结合土体变形公式、盾壳和土体之间摩擦引发变形公式，推算出盾构施工总地面的变形公式，分析盾构和土体作用之后的土体变形的特点，对比实测结果。

2 盾构施工过程中的土体变形研究

2.1 盾构施工过程中的土体变形因素

在盾构施工过程中，主要是由于以下几个方面因素引发的土体变形。

（1）刀盘和周围土体产生的摩擦作用，此种摩擦会在一定程度上扭转切削土体，从而导致土体变形。

（2）盾构在开挖过程中产生的支护力作用。为了保障挖面土体的稳定性，在开挖盾构过程中需要保障有充足的支护力，从而保障开挖土体能够有个正面的附加推力P，数值一般控制为±20kPa，由于盾构挤压造成土体出现挤土反应，主要体现在开挖前方地面出现隆起现象。

（3）盾壳和周围土体产生的摩擦作用。由于盾构和土体接触的面积较大，因此，在土体受到压力时，与盾构运行之间产生很大摩擦力，从而引发地表出现变形问题。

（4）在开挖卸载过程中和盾尾施工过程中引发的土体损失，导致地表下沉。

2.2 研究内容和难点

本文将理论和项目实践相结合对盾构施工过程中土体变形展开研究。由于在盾构施工中其土体层次和性质不同，因此，在解析过程中计算土体变形数值会存在很大的误差，采用Mindlin解方式，可以使地表的横向沉降槽的曲线和工程实际的沉降值相互吻合，从而保障盾构隧道开挖引发的土体变形预测值更加准确。由于Mindlin解法对于计算均匀土质相对比较有效，也可以采用ANSYS软件进行隧道开挖土体变形模拟，在挖掘过程中，土体变化是一个动态的力学过程，需要考虑三维分析方式，因此，在存储数据以及计算数值方面需要耗费大量人力和物力，隧道施工属于批量性作业，无疑为土体变形研究带来一定的难度。

3 工程实例

本文以成都地铁10号线一期工程为例，对成都地铁盾构和土体之间相互作用进行分析。成都地铁10号线一期工程土建4标华金中间风井至金花站盾构区间，左线起止点里程ZDK5+634.830-ZDK7+197.331，区间全线1562. 501m；右线起止里程YDK5 +617. 704～YDK7 +151.363，区间全长1533.659m。施工设计区间采用盾构法施工，从明挖中间风井始发，平行绕城高速方向向西北方向行进，在YDK7+013-YDK7+100处斜穿绕城高速（K48+216.80 - K48+317）到达金花站。共投入两台盾构机分别为中铁装备66#和137#。区间共设置两处联络通道，分别在YDK6+179.787和YDK6+665.206，其中YDK6+179.787处为联络通道兼废水泵房。正线线路右线共设曲线2处，最大曲线半径为650m，最小曲线半径为650m；左线共设曲线2处，最大曲线半径为690m，最小曲线半径为650m。线间距9.3m-20.03m，结构最小覆土埋深9m，最大覆土埋深13m，线路纵断面最大坡度5%0，最小坡度3.085‰。盾构隧道主要处于密实砂卵石层中。

本研究对盾构和土体之间复杂作用进行研究，通过Mindlin解进行坐标变换，推导出在盾构施工过程中刀盘摩擦以及侧面摩擦引发的土体变形公式，并结合正面的附加推力以及盾壳和土体摩擦力推算出土体变形数值。经过研究可知，正面的附加推力以及盾壳和土体摩擦力是推力设定主要因素，刀盘和土体的摩擦是扭矩设定主要因素。由于盾壳和土体的摩擦力相对较稳定，因此，引发的土体变形在刀盘Sm处的盾构部位呈现轴线反对称现象，这也是引发盾构土面隆起的因素之一。刀面正面和侧面的摩擦会引发土体表面沉降，导致沉降槽分布不对称，特别在刀盘的截面处更加明显，这和刀盘转动的方向有密切的关联。

4 结语

现阶段，隧道施工一般使用挖掘机设计开挖土体，其具有经济、快速、安全等优点。在盾构施工过程中，土体挖掘采用先进开挖技术，盾构施工技术以及设计理论也在不断的完善。但是，隧道施工不可能完全避免地层扰动，会引发周围土体变形，地面沉降等。因此，在盾构施工前期，需要深入研究盾构土体变形，尽量减少对周围环境的影响，通过研究可知，土体正面的附加推力以及土体损失和现场的施工环境和施工工艺有很大的关联，很容易发生起伏。因此，深入研究盾构施工过程中的土体变形十分必要。

参考文献：

[1]唐晓武，朱季，刘维，等，盾构施工过程中的土体变形研究[J].岩石力学与工程学报，2010，（05）.