摘要：我国城市隧道建设过程中，有时会遇到软土等工况复杂的情形，正确的对软土地基条件下隧道的变形情况进行分析和控制，是保证隧道施工和运营安全的重要手段。本文分析了软土地基与隧道的相互作用，归纳了隧道横向变形及纵向变形的特征及及模型计算情况，提出了基于隧道自身刚度、基坑加固和设置围护桩的的隧道变形控制方法。
关键词：软土地基；地铁；盾构施工；变形；控制
Absrtact：In the process of urban tunnel construction in our country, we sometimes encounter complex conditions such as soft soil. Correct analysis and control of tunnel deformation under soft soil foundation is an important means to ensure the safety of tunnel construction and operation. This paper analyses the engineering characteristics, mechanical indexes of soft soil foundation and its interaction with tunnels, summarizes the characteristics of transverse and longitudinal deformation of tunnels and the calculation of models, and puts forward the method of tunnel deformation control based on tunnel stiffness, foundation pit reinforcement and setting of retaining piles.
Key words：soft soil foundation, subway, shield construction, deformation and control
引言
现阶段，我国一二线城市为了缓解交通压力，纷纷建设和发展地铁项目。但是，地铁建设过程中也相应的出现很多问题，例如在紧凑的城市空间中开挖地铁隧道经常遇到隧道变形的问题[1]。盾构隧道在施工过程中，里程比较长，经常会穿越好几种地质条件的地质，所以不可避免的会出现不均匀变形。不仅如此，地铁隧道在横向和纵向由于刚度变化等因素也会出现不均匀变形[2]。因此，盾构隧道的变形控制问题是地铁盾构施工过程中的一项需要重点解决的议题。
本文在分析地铁隧道横向和纵向受力特征的基础上，提出了基于隧道刚度、基坑加固和隔离桩等措施的地铁盾构施工变形控制措施，对隧道的变形控制有显著的效果。
1、软土与盾构隧道的相互作用
盾构隧道施工过程中，与周围土体相互作用，产生一定的影响。目前，计算分析相互作用力的方法不统一，主要有抗力法、弹性地基梁模型法等[3]，这些计算方法一般先对施工条件作相应的假定条件。例如：抗力法将地层对结构的作用简化为作用在结构上的荷载；弹性地基梁模型法将相互作用力简化成法向和切向的弹簧进行计算[4]。将地基模型转化成弹性地基梁模型是比较常见的计算方法，根据计算内容该模型在计算中又可以分为两种，一种是只考虑了土弹簧的法向刚度，而没有考虑弹簧的切向刚度；另一种考虑了弹簧的切向刚度，并且认为所有土弹簧的切向刚度相等[5]。隧道受力情况（左）及弹簧简化计算方法（右）如图所示。
图1 隧道受力情况及弹簧简化计算方法示意图
2、横向变形特征分析
盾构隧道的横向变形过程中，一般是指隧道其椭圆度、接头最大张开量以及螺栓应力随着压载水平、土体抗力系数和侧压力系数的变化规律具有较为明显的一致性[6]。横向变形过程中，最直观的就是圆形或椭圆形隧道直径的变化，因此本文采用直径变化与其他各指标之间的数值关系，反应隧道的横向变形特征。
研究发现，盾构隧道施工管片之间采用螺栓连接时，提高螺栓强度对隧道的横向变形影响不大。本文在隧道荷载与结构变形的基础上，建立了管片-螺栓横向变形模型。根据盾构隧道施工特点，模型中定义土埋深为60m，土体抗侧力系数取为1250kN/m3、2500kN/m3、5000kN/m3和10000kN/m3，侧压力系数分别定义为0.5、0.6、0.7和0.8。模型分析了不同压载水平、抗力系数以及侧压力系数对隧道横向受力变形的影响，得到如下结论：
（1）土体抗力系数和侧压力系数是控制隧道变形发展的重要因素，但是需要综合考虑抗力系数和侧压力系数来加固土体才能更好的提高对隧道变形的控制能力。
（2）压载水平越高，抗力系数对隧道结构变形和受力的影响程度越显著。（3）在上部压载影响下，土体侧压力系数越大，隧道直径变化和接头张开量越小，且二者几乎成线性关系；侧压力系数增加还减小了隧道结构变形的发展，管片连接螺栓受力也相应地减小。
3、纵向变形特征分析
（1）隧道纵向整体变形特征
研究发现，隧道在产生不均匀沉降的同时还伴随着环缝接头处的张开与错台，水平直径变化量为变形前、后隧道横断面水平直径之差[7]。隧道由于不均匀纵向沉降，管环与管环之间相互作用加强，导致隧道横断面的水平直径变化量沿纵向产生差异。纵向变形过程中，水平直径变化量先随纵向位移的增加[8]。
（2）随道环缝接头变形特征
纵向不均匀位移荷载作用下，隧道环缝接头在的变形是一个渐变的过程，本文将其为三个过程：
①由于管环与管环之间设置了较大的凹凸榫槽，在此阶段凸榫顶部与凹槽底部接触，但未产生相互作用力。
②榫槽产生相互剪切作用。
③管片之间的错开量增大。
4、隧道变形控制关键技术设计
根据工程实际情况，本文从隧道自身刚度、基坑加固和隔离桩三个方面对变形控制方法进行设计。
4.1加强盾构隧道自身刚度
本文从隧道管片结构修复执行刚度方面提高其刚度。对于结构刚度出现损失的盾构隧道，本文设计采用加固钢圈的措施来增加结构的刚度。采用封闭整环内张钢圈，不仅可以保证隧道所受荷载在钢圈上传递路径的完整性，还可以与隧道形成一个统一的整体，增加整体刚度[9]。
除了隧道内衬钢环，本文还设计采用在隧道周围注浆的方式进行加固。该方法可以在隧道周围形成强度和刚度均大于原状土的土体，间接增加隧道的刚度。
4.2基坑加固
地铁盾构施工过程中的支护基坑以深基坑居多，并且施工过程中周边环境复杂、实施难度大，对盾构隧道的影响也比较大。为避免深基坑对隧道变形造成较大的影响，本文设计在进行深基坑施工时，采取大坑化小坑（分期实施）、中隔墙（暗撑）、支撑调整（位置调整及道数调整）、被动区加固（满堂加固或抽条加固）、主动区加固（满堂加固或抽条加固）、水泥土门式加固、槽壁护壁等措施。提高基坑的稳定性，减对隧道变形的影响。
4.3设置隔离桩
本文还设计了在基坑与盾构隧道之间打设隔离桩的方法，控制变形土体的位移，间接控制隧道的变形。地铁隧道盾构施工过程中，尽管有注浆等措施加固周围土体，但是周围土体依然会有不同程度的位移。设置隔离桩可以限制土体的位移程度。本文在试验过程中发现，隔离桩设置的距离对隧道变形控制有显著的影响。因此，在设置隔离桩控制对到变形时，需要考虑隔离桩设置的距离。
4.4控制效果分析
实践表明，上述措施在隧道变形控制方面取得了显著的效果，这些措施不仅加固了隧道、也对周围土体进行了改良。通过对比三种措施的效果发现，在靠近隧道的位置设置隔离桩的效果最好。实验过程中，隧道的顶部埋深是15m，桩顶埋深在25m左右效果最好，并且隧道与基坑间距大约30m时，此方法下隧道变形最小。
结论
地铁隧道盾构施工经常会遇到各种复杂地质条件的干扰，软土地基是地铁隧道盾构施工过程中的不利因素，对隧道变形影响巨大。合理的减小软土地基对隧道的影响，控制其变形是一项重要的工作。通过本文的研究，可以得出以下结论：
软土地基的工程特性及低强度、高压缩性等受力特性，决定了其作为地基的不稳定性。地铁盾构施工穿越软土地基时，需要采取相应的措施控制结构变形。
隧道在变形时既有横向变形又有纵向变形，加固时应从这两方面入手。本文从提高隧道刚度、加固基坑、设置隔离桩三个方面提出了隧道的变形控制措施，并取得了良好的效果。
参考文献
[1]梁荣柱. 软土盾构隧道掘进环境效应及其邻近开挖响应研究[D].浙江大学,2016.
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[3]陈海丰. 软土地层地铁盾构穿越建（构）筑物安全控制研究[D].北京交通大学,2017.
[4]张琼方. 软土地区盾构作用下土体及邻近已建隧道响应研究[D].浙江大学,2017.
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[8]杨兵明. 宁波软土地层盾构隧道下穿铁路施工引起地层变形规律及控制技术研究[D].北京交通大学,2016.
[9]段志慧. 软土地基地铁盾构隧道地震动力响应研究[D].河北工业大学,2016.
论文作者:李超勤
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/24
标签：隧道论文; 盾构论文; 刚度论文; 系数论文; 基坑论文; 地铁论文; 纵向论文; 《基层建设》2019年第7期论文;