摘要：伴随着科学技术的不断进步，对于不同地层环境和水文地质的适应能力不断提高，随着盾构掘进的不断进行，定会对隧道围岩产生扰动，容易导致隧道围岩地层损失加剧严重时引起地表坍塌，建构物变形过大而影响正常运营安全等工程灾害[1-2]。因此，为避免以上情况的发生，本文介绍了盾构施工过程中力学理论研究，为今后类似盾构盾构工程提供相关的指导和防护方案。
关键词：盾构施工；力学研究；理论分析
Theoretical Study on Shield Construction Mechanics
Liu Jianzheng1 Zhao Lin 2 Wang Jianguo3
（1 School of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2 School of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；3 Zibo City Asset Management Co.，Ltd.，Zibo 255000，China）
Abstract：With the continuous advancement of science and technology，the adaptability to different stratigraphic environments and hydrogeology is continuously improved.As the shield tunneling continues，disturbances will be caused to the surrounding rock of the tunnel，which will easily lead to serious damage to the surrounding rock stratum.The surface collapses and the deformation of the structure is too large，which affects engineering disasters such as normal operation safety [4-5].Therefore，in order to avoid the above situation，this paper introduces the mechanics theory research in the process of shield construction，and provides relevant guidance and protection scheme for shield tunneling engineering in the future.
1盾构法简介
盾构法施工已有180多年历史，盾构不仅能够实现地层中隧道的快速推进，盾构机盾壳、衬砌管片等还能承受地应力，及时进行隧道支护。随着年代的进步，科技的发展，盾构机的功能逐渐强大，施工环境更加广泛，造成的地层损失也不断降低。逐渐成为了中国城市轨道交通建设的主要施工工法。
地铁施工中一般采用土压平衡盾构机掘进，盾构机简易图如图1.1所示。图中刀盘主要是对前方土体进行切削，所依赖的切削推力由后方盾构千斤顶提供；切削产生的土渣进入刀盘后方的盾构土舱，土舱内存在一定压力，来保证盾构刀片和前方土体压力平衡，以使盾构能够平稳向前推进；土舱内的土渣再有螺旋输送机送至后方传送带；随着盾构的不断推进，管片拼装机进行衬砌管片的拼装。
图1.1土压平衡盾构施工图
Fig.1.1 Earth Pressure Balanced Shield Construction Drawings
盾构施工机械化程度较高，盾构隧道开挖无论施工步骤还是围岩力学变化，均是一个复杂多变的过程。盾构每前进一环衬砌的距离，包括盾构刀盘切削前方土体一环体积，盾构千斤顶提供顶推盾构机前进一环的推力，管片拼装机拼接一环衬砌管片，同时盾构尾部进行一次注浆以及二次注浆加固，来保证地层安全，控制地表沉降。可以将整个盾构过程分为三个环节：
（1）刀盘开挖土体，土舱提供平衡力
盾构施工的第一步便是盾构刀盘开挖土体，千斤顶为刀盘提供推力以克服土体地应力、土体对刀盘的摩擦力、刀盘前进牵引力等；刀盘切削产生的土体进入后方的盾构土舱，盾构开挖面的水土压力需要土舱压力来平衡。土舱内的土体再由螺旋输送机排出盾构机。
（2）盾构推进，管片拼装
盾构千斤顶不仅为刀盘提供推力，还要克服盾壳与周围土体的摩擦力、盾构内部各机械设备的阻力，所以千斤顶推力是较为重要的盾构掘进参数之一；盾构推进一环，管片拼装机进行衬砌管片一环的拼装，同时用特定型号的螺栓进行连接固定。
（3）渣土输送，壁后注浆
土舱内的渣土由后方的输送履带和运渣小车送至洞外；同时盾构尾部通过衬砌预留注浆孔进行注浆加固，已补充土层与管片之间的建筑空隙，根据地质情况进行一次注浆和二次注浆。注浆加固是除了盾壳支撑、衬砌支撑后的第三步减小地层损失、控制地表变形的措施。
2盾构施工的力学作用机理分析
对于盾构隧道工程，无论如何调整盾构姿态，优化掘进参数，选取注浆材料和衬砌管片都将不可避免的打破土层原平衡状态，改变土体应力场和渗流场，进而导致地层损失，地表沉降以及建构筑物的变形，盾构掘进过程的力学作用内在机理相互关系如下图所示。
图2.1 盾构施工过程的力学作用机理示意图
Fig 2.1 A schematic diagram of mechanical mechanism of shield construction
3盾构下穿引起地表沉降规律分析
3.1 盾构施工引起地表沉降原因
盾构施工引起的地表沉降主要原因在于，盾构隧道施工打破了土层原平衡状态，土体在土压以及地应力作用下，向隧道空间方向变形，进而造成地层三维空间内土体损失。其主要因素有以下几点：
（1）盾构隧道开挖面应力变化
盾构刀盘切削开挖面土体，土层原应力平衡状态改变，开挖面侧向水土压力与土舱压力不平衡时，引起开挖面后方土体产生变形。当盾构土舱压力大于开挖面水土压力，引起开挖面后方土体产生挤压进而导致地表产生隆起变形；反之，土舱压力小于开挖面水土压力，在土压力作用下开挖面后方土体向刀盘方向位移变形，进而导致地表产生沉降变形。这种变形可归结为应力释放引发的土体弹塑性变形。
（2）盾构掘进时盾壳的摩擦干扰
盾壳由于要承受水土压力，随着盾构的掘进，盾壳与隧道围岩产生摩擦震动，造成地层的变形。特别是在盾构在不同半径以及不同角度隧道施工时的盾构姿态调整，对周围土体的挤压扰动加剧。
（3）衬砌管片变位或变形
盾构隧道不断掘进，随着管片的拼装，衬砌管片开始代替盾壳起到对隧道的支护作用。当衬砌管片拼装过程中发生变位或者变形将会进一步导致地层的沉降变形。
（4）盾尾注浆孔隙问题
由于盾构隧道开挖直径略大于隧道外径，所以衬砌与隧道围岩之间存在空隙，如果盾尾注浆不及时或注浆压力不足，会直接造成地层缺失，造成地表沉降，这是盾构施工过程中造成地表沉降的主要原因。
（5）土体后期固结
隧道开挖、支护、注浆等完成后，土层的应力场、渗流场要再次形成平衡状态，而应力的重分布以达到平衡状态需要一定的时间，所以在此时间内，土层会发生固结沉降。
图3.1 盾构隧道纵向地层沉降变形阶段
Fig.3.1 The longitudinal stratum settlements of shield tunnel
3.2 盾构掘进过程力学模型
目前隧道施工引起地层变形的主要预测方法有：（1）经验公式法[3-4]及半解析半经验法[4-5]，具有简单、参数少、使用方便的优点，被工程界广泛采用。但是经验公式及半解析半经验法中各个参数的物理力学意义不明确，且不能真实反映盾构施工各个因素引起地层位移规律。（2）解析理论法[5-6]，该方法建立在经典的弹性力学基础上，公式推导严格，能较为准确预测传统隧道施工地层位移，但不能反映盾构掘进土体的变形规律。（3）有限元法[7]，该方法是预测隧道施工引起地层沉降最为有效和准确的方法之一，可以考虑盾构隧道施工过程各个施工参数对地层变形的影响。（4）随机介质理论[8]，该方法对传统隧道预测较为准确，虽经改进可以预测盾构施工条件下地层变形，但是需编辑专门的计算程序，计算复杂，参数确定较为麻烦，一般难以为工程人员采用。（5）室内模型试验法[9-10]，该方法分为室内1g模型试验法及超重力离心试验法，其中超重力离心试验再现真实应力场，在研究盾构施工地层位移规律中发挥重要作用，但是该方法花费巨大，模型制样复杂，难以被一般工程采用。
4结论
本文分析了土压平衡盾构施工过程以及相关力学作用机理，该地质环境下，研究了盾构隧道施工引起的地表变形规律，通过对盾构全过程分析得出最优的掘进方式，为今后指导类似施工提供方便。
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论文作者:刘建政1,赵林2,王建国3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/26
标签：盾构论文; 隧道论文; 管片论文; 地层论文; 地表论文; 力学论文; 压力论文; 《基层建设》2019年第20期论文;