复杂环境软土地层中盾构隧道的变形效应研究

么家琦

（广东粤东城际铁路有限公司，广东 汕头 515000）

城市地铁轨道交通日益发达，很大程度地缓解了城市交通压力。在使用盾构机挖掘轨道交通隧道的过程中[1]，地下的地质条件复杂，在软土环境下盾构隧道容易出现变形效应，在该情况下盾构隧道出现坍塌的风险较大。为保障盾构机施工作业安全，保证盾构隧道施工质量，对盾构隧道变形效应进行研究意义较大[2]。复杂环境软土地层内含水率较高且土层内由淤泥质土、粉质黏土组成，当受到荷载或者自身荷载发生变化时，容易出现位移现象，地质结构不稳定增加了盾构机施工难度[3]。在该情况下，本文研究复杂环境软土地层中盾构隧道的变形效应，为盾构隧道施工提供变形数据。

1 复杂环境软土地层中盾构隧道的变形效应

1.1 工程地质概况

本文以某地铁项目作为研究对象，车站主体基坑基底范围内为软土地层，以淤泥质土、淤泥质细沙和粉质黏土为主，其次为全风化和强风化的泥质粉砂岩，地质环境较为复杂。在车站主体基坑基底范围地质结构内含水率数值较大，地质结构不够稳定，为盾构隧道建设带来了较大的难度。工程地质汇总见表1，其盾构隧道平面图如图1所示。

图1 盾构隧道平面图 （单位：mm）

表1 地质汇总表

盾构隧道推进方向相同，两侧均设有承台，承台尺寸为10m×10m，承台两端分别距离隧道5.5m 和5.8m，每个承台均具有3 排桩，分别为前排桩、中排桩和后排桩。盾构隧道外径宽度为6.1m，2 个盾构隧道之间的距离为11m。

1.2 基于HSS 模型的盾构隧道的变形效应计算

HSS 模型（Hyperstatic Soil-Structure）是一种新型的土力学模型，它可以描述土体中不同岩性的存在，从而更准确地预测建筑物所处的土壤状态。该模型可以用于分析盾构隧道在复杂环境软土地层中的变形效应。基于弹塑性理论，将盾构隧道土体的变形行为视为由2 个方面共同贡献的因素：弹性变形和塑性变形。其中，弹性变形是土体在受到加载后能恢复到原始状态的变形，而塑性变形是当土体受到过大加载时，无法完全恢复的永久性变形。使用HSS 模型可以计算盾构隧道在不同情况下的变形效应。盾构机工作是分段连续进行的，盾构机每推进一段长度[4]，其土仓内压力和尾部注浆的压力均会被激活，土仓压力和注浆压力变化后，对盾构隧道产生一定作用力，使盾构隧道出现变形效应。令P为盾构机土仓压力，其计算如公式（1）所示。

式中：L为盾构隧道中轴线以上覆土厚度；γm为盾构隧道覆土层加权平均重度；K0为正常固结条件下，静止侧压力系数。

盾构机在工作的过程中，当盾尾部脱出时导致隧道壁和衬砌间出现间隙[5]，在理论上该间隙数值约为1.65m2，但在实际工况中，会存在一定偏差。为充分描述盾构尾部与衬砌之间间隙、盾构机注浆程度和隧道面土体的变形程度和范围[6]，将盾构尾部与衬砌之间间隙概化为均质的弹性等代层，δ表示该层厚度，其计算如公式（2）所示。

式中：η为经验系数；Qp为理论盾构尾部与衬砌之间间隙。

当考虑注浆时，盾构机尾部间隙填充不足、偏心超挖和支护压力不足引起的间隙，则等代层厚度可改写式（3）。

式中：z1、z2、z3分别为盾构机尾部间隙填充不足、偏心超挖和支护压力不足引起的间隙。

以公式（1）和公式（3）结果为基础，利用HSS 模型对盾构隧道变形效应进行反演。HSS 模型是反映土的硬化特征的模型，利用该模型可得到盾构隧道变形效应数值。令q、ε1分别为盾构隧道的偏应力和主应变，二者之间关系如公式（4）所示。

式中：Vf=qf/qa，qf为盾构隧道变形时偏应力；E50为三轴加载模量；qa为剪切强度渐进值。

令Eoed为不同预应力下盾构隧道土体压缩模量，其计算如公式（5）所示。

令Eur为不同围压情况下盾构隧道土体卸载模量，其与盾构隧道土体切割线模量E50之间转换公式如公式（6）所示。

令Q0为不同围压下，盾构隧道初始剪切模量，如公式（7）所示。

以公式（7）结果为基础，计算盾构隧道土体剪切模量，如公式（8）所示。

式中：Q为盾构隧道土体剪切模量；ζ、ζ0.7分别为初始剪应变和剪切模量衰减到初始剪切模量的70%时对应的剪应变。

通过上述步骤，得到不同情况下盾构隧道土体剪切模量，该剪切模量为盾构隧道变形效应数值。

2 盾构隧道—周边建筑群全区段一体化施工数值模拟方法

PLAXIS 3D 软件是一种专业的有限元分析软件，可用于进行土体和结构的三维数值模拟。在本文中，研究人员使用PLAXIS 3D 软件进行盾构隧道与周边建筑群全区段一体化施工的数值模拟。通过该软件可以模拟盾构隧道施工对周边土体和建筑物的影响，以评估变形效应并优化施工方案。使用PLAXIS 3D 软件对盾构隧道－周边建筑群全区段一体化施工数值模拟，获得盾构隧道在复杂环境软土地层中的变形效应[7]。盾构隧道与其周边建筑群实体单元和节点较多，为简化计算，将其地质软土层看均质水平分布，周边建筑桩基为矩形均匀分布[8]，建筑荷载也是均匀分布在底板位置。盾构隧道土体参数根据表1，隧道模型采用笛卡尔坐标系，盾构隧道边界尺寸参考图1，盾构隧道为弹性本构，其结构参数见表2。

表2 盾构隧道结构参数

根据上述参数，使用PLAXIS 3D 软件建立盾构隧道施工数值模拟模型，从而进行施工模拟。这包括逐步添加盾构隧道和支护结构，并设置相应的施工时间和序列。定义盾构推进速度、注浆压力等施工参数，并考虑盾构隧道和支护结构与土体的相互作用。通过动力学分析，模拟盾构的推进过程和支护结构的安装过程，预测隧道变形和土体响应。首先，利用该模型模拟盾构机作业过程，其次，得到盾构隧道变形效应。最后，分析结果。施加适当的荷载条件，如地震荷载或静态荷载，以评估盾构隧道和周边土体的稳定性。通过计算位移、应变、应力和变形等参数，评估盾构隧道和周边土体的变形效应。生成图形化和数值化的分析结果，并进行后处理和结果解释，以支持工程设计和决策。

3 试验分析

利用建立的盾构隧道施工数值模拟模型，模拟盾构机推进，使用本文方法对该盾构隧道进行变形效应计算。在盾构隧道内每隔50m 设置一个观测点，以5 个连续观测点作为试验对象，对右侧隧道进行盾构机推进时，模拟5 个连续观测点水平方向的变形位移，结果如图2所示。

图2 盾构隧道水平方向变形效应

分析图2 可知，该隧道5 个监测点在水平方向上均出现不同的变形效应，其中测点5 在水平方向上变形效应数值最大。从5 个测点水平方向变形效应数值曲线来看，当桩长为20m～40m 时，该隧道水平变形效应最大。利用数值模拟方式呈现该盾构隧道垂直方向的变形效应，结果如图3所示。

图3 盾构隧道垂直变形效应云图

分析图3 可知，从盾构隧道垂直变形效应云图来看，盾构隧道竖向位移由拱顶位置逐渐向两侧降低，但其幅度略小。盾构隧道竖向位移数值由大到小顺序：拱顶位移大于两侧位置大于拱底为止，说明盾构隧道顶部位置变形效应较强，该结果也说明本文方法具有较为显著的应用效果。以盾构隧道变形效应中的沉降量为衡量指标，10 个测点作为试验对象，测试盾构隧道在穿越的过程中、穿越50 d 后和后续沉降数值，测试结果见表3。

表3 不同时段盾构隧道变形效应沉降量（单位：mm）

由表3 可知，10 个盾构隧道测点在盾构穿越过程中、盾构穿越后50 d 和后续时间中，其最大变形效应沉降量呈现上升趋势[9]，但上升幅度不明显。当10 个盾构隧道测点在盾构穿越时，其最大变形效应数值为0.193mm，最小变形效应数值为0.124mm。盾构穿越后50 d 时，盾构隧道测点最大变形效应数值为3.096mm，最小变形效应数值为2.036mm。当隧道盾构施工作业完成后，盾构隧道测点最大变形效应数值为3.824mm，最小变形效应数值为2.978mm。综上所述，利用本文方法可有效获得盾构隧道在不同时间段时，其最大和最小变形效应，为隧道安全施工提供变形效应数值，应用效果较佳。

4 结论

本文研究复杂环境软土地层中盾构隧道的变形效应，采用该方法通过HSS 模型获得盾构隧道变形效应数据，并建立盾构隧道掘进数学模型，对其盾构机掘进进行模拟。经过试验可知，在负载环境软土地层中，盾构隧道拱顶位置变形效应最大，当盾构桩长度为20m～40m 时水平变形效应最大。通过对盾构隧道变形效应进行研究，为盾构隧道施工安全管控打下良好基础，未来可在盾构隧道施工领域广泛应用。