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摘要：随着地铁建设的发展，盾构工程施工的应用以及由此引发的环境问题也越来越普遍，上海地铁隧道基本全部采用盾构修建，由于天然地质条件的影响，使得上海地区土层更易于受到盾构施工工程的影响。本文针对上海地区盾构施工遇到的典型土质 ⑤层粉质粘土，利用GDS应力路径三轴仪对其在不同应力路径条件下产生的变形和强度影响进行深入地研究，通过一整套加载、卸载试验方案，以研究相应应力路径下的孔压–应变关系，结果表明：在实际工程设计中，对土体的参数取值，必须考虑土的应力路径变化。
关键字：强度；变形；孔压；应力路径；盾构施工
1 上海地铁隧道现状及盾构施工特性
盾构法已经成为上海地铁工程中一种重要的施工方法，同时这种施工方法也带来了新的工程问题，盾构施工引起地层沉降和不易控制的地表变形，会影响周围建筑物、地下构筑物，严重者将危害生产建设和安全。
2 盾构推进对土体扰动的研究现状
由于施工方法的不同选择和盾构类型的差异等主观官因素的影响，因此，地表沉降和底层变形的引发原因和特征也有所不同。
目前人们对盾构和周围环境的相互影响并不清楚，因此在常用的模拟盾构施工分析其对地表地层影响汇中很难考虑全面。D.Festa[1, 2]结合Hubertus隧道工程通过建立考虑盾构机工作机理的模型，结合现场实测数据，分析了施工过程中盾构机和土体交界处的应力分布及其动态的交互作用，该模型并未考虑注浆作用的影响。
许多学者结合实际工程研究了盾构施工对周边环境的影响，并且力图以土地扰动方面为出发点，从而探环境和盾构施工两者之间的联系。易宏伟、孙钧[3]
通过现场监测总结出盾构施工对土体的扰动引起土体应力状态改变或者应力路径变化，土体受扰动的结果使地层发生变形，数值计算中参数选择应考虑到应力路径这一因素的影响。选择合理的施工参数，采取调整舱压、注浆压力等有关措施，尽可能减少盾构施工对软粘土体的扰动。
对于扰动机理的研究，之前大多通过现场监测，总结盾构施工对周围土体的一般影响规律和程度，对包括力学机制、影响范围在内的底层沉降相关原理和内容和不排水抗剪强度、土地压缩模量等诸多客观的参数的变化，从理论分析周围土体扰动破坏原理[4-6]。就力学的角度而言，剪应力增量的变化是导致地层移动最为重要的因素，而土体应力状态的变动，最为根本的原因则在于盾构施工所导致的地表沉降，因此，地表沉降的明显程度，和土地应力状态的变化呈现出鲜明的正比关系。
袁大军等[7]对Φ14.93m泥水盾构施工的隧道以现场监测的方式作为研究的基础和出发点，对于包括盾构施工和土体扰动之间的相互关系进行了相应的研究同时结合盾构掘进参数，探究减小土体扰动的措施。
3模盾构施工的室内试验分析
为了研究盾构施工扰动对土体应力状态及强度的影响，本文总结了上海⑤层土的物理性质和矿物成分，根据盾构施工过程中的不同工况及其相应的特征，并且凭借包括加卸载在内的实践试验，来掌握在特定的应力路径下应力～应变关系曲线。
3.1试验土样基本特性
试样取自上海⑤层粉质粘土，软粘土具有高压缩性、高灵敏性、渗透系数小等特性。同时这些特性与其组成物质的颗粒大小、矿物成分密切相关。
3.1.1试验土样
根据上海地区盾构施工的工程经验，上海地区地下水位高水位埋深为0.5m，低水位埋深为1.5m。而上海地区地铁隧道埋深通常在20m左右，主要穿越的土层为④层淤泥质粉质粘土、⑤层粉质粘土和⑥层硬土层。天然状态下⑤层土基本上处于饱和状态。该试样即取自⑤层粉质粘土，其常规物理力学性质如下表。
表4-1 试验用土的部分物理力学性质指标
3.1.2土样矿物成分
由检测报告可知：⑤层粉质粘土的主要矿物成分是石英，还有一定的斜长石、绿泥石和云母。
3.2应力路径三轴试验
在实际工程中，土体天然固结状态符合K0固结过程。
3.2.1试验仪器设备
本次试验采用的是英国GDS公司生产的三轴试验系统，GDS三轴测试系统主要由三部分组成：加压系统、压力室和量测与采集系。可以对于相关参数和动作来进行有效的掌握，最为常见的C-U、U-U和C-D试验都可以通过应力和应变两种方式来进行控制。
3.2.2试验方案
为进一步研究上海软土的强度、变形特性和孔压变化规律等，对该类软土进行不同应力路径试验。
盾构施工过程中，加载卸载条件下存在不同的应力路径：(1) h不变，v增加；(2) h减小，v不变；(3) h、v均减小；(4) h不变，v减小；(5) h增加，v减小；(6) h增加，v增加。
根据以上应力路径类型，定义应力增量比例为：
O´A组应力路径前期固结为等压固结，其余应力路径组前期固结皆为K0固结。
4试验成果与分析
4.1不同应力路径下土的孔压特性
不同应力路径试验下土体的孔压–应变关系如图3-6所示(图中图例处数字为固结压力(kPa))。
O´A组应力路径，在整个剪切过程中孔压先快速增大，后趋于平缓，土样呈剪缩破坏。该组孔压形态整体与其他路径下明显不同。
OB组应力路径，剪切初期孔压都随应变减小发展为负孔压，但在不到1%时，孔压变化随固结压力的不同变化不同。低压固结下，孔压随应变增大继续减小。但是在350kPa固结压力土样表现为先剪胀再剪缩，孔压随着应变的增大而增大。
OC组应力路径，孔压随轴向应变增大而减小，并且随固结压力的不同表现出不同的形态。2%之前，三种固结围压下孔压均迅速变小，2%之后，固结围压350下孔压保持不变，而低围压下的孔压随应变增大缓慢增长。
OD组应力路径中，孔压在剪切初期迅速减小，随后稍有增加并继续开始减小。在应变为4%左右，孔压随拉伸应变增加而继续减小。
OE组应力路径中，孔压随轴向拉伸应变的增大而增大，后趋于平缓且略有下降，孔压随围压的增大呈递增趋势。
OF组应力路径中，孔压开始迅速增大后增大速率逐渐减小，随轴向拉伸应变的增大而增大，保持增大趋势，始终为正值。O´A组和OF组孔压随围压的增大都呈递增趋势。
由图可知，明显不同于常规三轴剪切下的孔压规律，其他压缩路径下孔压总体呈减小的趋势，。两组压缩路径高围压下的孔压变化也都与低围压下的孔压变化不同。拉伸路径下孔压变化呈现两种形态，被动拉伸应力路径试验中，孔压刚开始略增大便开始减小。而主动拉伸应力路径试验中，孔压随轴向应变增加而增大，其形态与常规三轴剪切下的孔压规律类似。
OB、OC、OD三组应力路径试验中，均在试验后段出现了负的孔压值，说明土体在这三种加卸载应力路径过程中，土体体积有膨胀的趋势，均表现为一定的剪胀性。这三组应力路径都是在卸载条件进行的剪切，可能导致土样径向的突然弹性变形。
总的来说，在不同应力路径类型不同固结压力试验下，孔压随应变的发展趋势不同，孔压或增或减。但在小应变范围内，孔压绝对值的变化幅度明显，变化速率很快，这表明土体受微扰动时孔压变化的敏感性。
5结语
本文主要包括对GDS应力路径三轴仪的简单介绍以及对不同应力路径条件下的实验方案和结果的处理分析。通过对不同应力路径孔压–应变关系中可以明显观察到，在不同应力路径类型不同固结压力试验下，孔压随应变的发展趋势不同，孔压或增或减。但在小应变范围内，孔压绝对值的变化幅度明显，变化速率很快，这表明土体受微扰动时孔压变化的敏感性。
实践表明，以孔隙水压力为依据可提前对盾构施工扰动影响判断，进而控制盾构施工过程。易宏伟[29]通过现场观测发现，盾构推进过程中，孔压反应较地表沉降指标大约要快0.5~1d，孔压监测比地层沉降监测具有超前性。因此，可根据孔压监测值来调整盾构施工参数保证施工顺利，有效减小盾构施工引起的地层沉降，甚至可作为对施工扰动评价的一种指标。
参考文献
[1] D Festa,W Broere,JW Bosch. Kinematic behaviour of a Tunnel Boring Machine in soft soil: Theory and observations[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2015, 49: 208-217.
[2] D Festa,W Broere,JW Bosch. An investigation into the forces acting on a TBM during driving – Mining the TBM logged data[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2012, 32: 143-157.
[3] 易宏伟,孙钧. 盾构施工对软粘土的扰动机理分析[J]. 同济大学学报（自然科学版）, 2000, 28(3):277-281.
[4] 朱忠隆,张庆贺. 盾构法施工对地层扰动的试验研究[J]. 岩土力学, 2000, 21(1):49-52.
[5] 张庆贺,朱忠隆,杨俊龙等. 盾构推进引起土体扰动理论分析及试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 1999(06):699-703.
[6] 徐永福,陈建山,傅德明. 盾构掘进对周围土体力学性质的影响[J]. 岩石力学与工程学报, 2003(07):1174-1179.
[7] 袁大军,尹凡,王华伟等. 超大直径泥水盾构掘进对土体的扰动研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2009(10):2074-2080.
论文作者:郭家兴
论文发表刊物:《基层建设》2017年2期
论文发表时间:2017/4/18
标签：盾构论文; 应力论文; 路径论文; 应变论文; 粘土论文; 地层论文; 力学论文; 《基层建设》2017年2期论文;