李小峰

（广东宏德投资有限公司，广东 英德 510300）

0 引言

进入21 世纪，城市地上空间的利用已最大化，然而仍无法解决拥堵的交通，地下空间的开发利用成为本世纪发展的热点。我国幅员广阔，地质、地形条件复杂，各个城市所面对的问题不同，甚至同一城市所面对的工程地质环境也截然不同，在硬岩和软土地区地下隧道的施工所控制的要素也不相同[1]。盾构法诞生于180年前的英国，在近几十年得到迅猛发展，采用盾构施工，可以将隧道施工的效率提高8～10 倍，而且对地面扰动小，无需大规模拆迁和围挡，对地面交通影响较小，施工过程无噪音，对沿线居民的生活几乎没有影响，适用于城市软土层、深埋隧道。但是在软土地区，土体的施工开挖引起的固结对工程影响较大，另一方面，盾构隧道施工过程中引起的土体变形，以及对周围建筑的影响引起人们的广泛关注[2]。

目前，国内外工程师对软土地区深埋盾构法地铁区间隧道施工过程的数值模拟和监测已越来越重视，并且有不少研究成果。冯利坡，郑永来[3]等依据极限分析上限法和水土压力统一参数，建立了考虑水压影响的深埋盾构隧道开挖面三维对数螺旋破坏模式模型，并推导了其支护压力计算公式，并将其应用到上海长江盾构隧道工程中。刘树佳，白廷辉[4]等对上海软土地区深埋地层某盾构区间施工过程进行施工过程扰动全断面监测，并对深部地层土体扰动进行分析。张治国，张孟喜[5]依托上海轨道工程实践，采用三维有限元数值模拟方法研究软土城区土压平衡盾构机上下交叠穿越地铁隧道的变形规律，提出上下交叠穿越地铁隧道的盾构施工参数设定规律以及安全控制技术措施。上述研究，对盾构法隧道的数值模拟做出了贡献，但是，由于模拟手段、建模方式以及地质差异性的限制，使得不能对具体的问题提供有效的指导。

本文以某地铁盾构隧道工程为例，利用有限元计算分析软件Midas 对软土地区深埋盾构法隧道施工的全过程进行三维数值仿真分析，研究盾构隧道施工过程所引起的土体位移场、应力场的改变，并对现场监测值进行对比，最后对施工位移控制提出相应的建议。

1 计算原理

Mohr-Coulomb 强度理论是Mohr 强度理论的一个特殊情况。Mohr 强度理论认为复杂应力状态下材料的破坏，是由于在荷载的作用下，沿某一斜截面上的剪应力τ达到了极值，但是该值与剪切面上的所受到的正应力σ有关。斜截面上材料的抗剪强度是该面上正应力的函数[6]。即。只有当剪应力时，材料才会沿该斜截面发生破坏。上述表达式是一条曲线，而Mohr-Coulomb 强度理论则是其中最简单的直线，具体表达式为：

其中，［τ］为抗剪强度，C 为黏聚力，φ为内摩擦角，σ为正应力。

极限情况为：τ=σt anφ+C，屈服曲线如图1所示，该强度理论的物理意义为：当剪切面上的主应力与正应力的比值达到最大时，材料发生屈服与破坏。

此外，由于土体的三相特性，使得土体在外荷载作用下的变形呈现除弹性、塑性外的粘滞特性，具体表现在土体的变形除受应力水平的影响，还与时间先关，即蠕变，在有限元仿真模拟的过程中，采用Mohr—Coulomb 本构模型可真实反映软土变形状况。

图1 Mohr-Coulomb 强度准则屈服曲线

2 工程概况与模型建立

2.1 工程概况

东南某沿江城市地下铁路隧道，盾构法区间隧道长1836m，采用分离式单洞单线圆形断面形式，隧道断面内径5.9m，外径6.6m。管片内径：5900mm，管片厚度：350mm，管片宽度：1200mm，分块数：6 块，楔形量：26.4mm，纵向螺栓：16 根M30 弯螺栓，环向螺栓：12 根M30 弯螺栓。结构埋深约7.5～21.5m。

2.2 计算参数

依据地勘提供钻孔柱状图，确定了该深隧道围岩的初始参数，由于表层土体物理性质基本一致，为粉质黏土，现将覆土合并，参数见表1。

表1 计算参数表

2.3 模型建立

根据勘察资料，建立如图2所示的模型。隧道埋深依据实际情况确定，为21.5，隧道底部，以及两侧距离边界为5D，为简化建模，将隧道设置为均质圆环，不考虑管片接头。本文模拟，土体采用Mohr-Coulomb 模型，管片、注浆按弹性模型处理。除定义自重外，还需要模拟施工顶进过程中的压力，即掘进压、千斤顶推力、盾壳外压以及管片外压。

图2 模型示意图

3 计算结果

本文为研究软土地区深埋盾构法隧道施工过程所引起的土体位移场、应力场的改变，需要监测测点的位移、应力变化及分布规律，现将计算结果分别分析。

3.1 变形分析

在施工区域中各选取一个具有代表性的监测点，提取模拟全过程中的位移资料，并提取施工过程中现场实际监测的结果，现将计算过程中所监测到的测点位移与现场监测值绘制在图3中。

由图3可以看出，模拟过程中的监测点的数值模拟结果与现场实测值值存在一定的误差，软件计算的结果具有阶梯性，而现场实测值由于监测频率限制，呈增长趋势。但监测点的位移变化规律与实际变化规律基本一致，由此可见利用软件对施工过程进行模拟分析基本可行，并且具有一定的参考价值。

图3 测点位移变化规律

为研究施工过程对周围土体的影响深度，对模拟过程中由外力引起的位移进行简化分析，并简化成理论模型，如图4所示。

图3 施工扰动范围

根据简化模型可以发现，盾构隧道施工过程中将对90°-ψ范围内的土体有扰动，ψ为土体内摩擦角。在施工过程中应对此范围加强监测，如果在此范围内有建筑物或相邻管线、隧道等，应加强保护，防止施工时致其倾倒或沉降过大。

3.2 应力分析

3.2.1 最大主应力分析

将测点的最大主应力值提取，并绘制在表=图4中，根据Mohr-Coulomb 强度理论，材料抗剪强度与作用在其上额正应力相关，随着施工的进行，测点的最大主应力增加，土体受压，抗剪强度提高。

图4 最大主应力变化曲线

3.2.2 管片应力分析

管片受力，在一定程度上也反映了施工过程周围土体的受力状况，现提取S17施工阶段的管片主应力云图，如图5所示。

根据模拟全过程的云图可以发现，管片的最大主应力随开挖不断变化，开挖部分的主应力最大，距离掌子面越远，主应力越小。

图5 管片最大主应力云图

4 结语

本文对软土地区深埋盾构法隧道施工过程进行三维有限元仿真分析，首先对模拟的基本原理进行解释，将模拟结果进行分析，并将其与现场实测结果进行对比，得出以下主要结论：

（1）监测点的软件计算值与实际监测值，基本趋势一致，工程中利用有限元软件对施工过程进行预测是可行的，并且具有参考价值；

（2）盾构隧道施工过程中，对土体的扰动在90°-ψ范围内，应加强该范围内土体以及相邻构造物的监测和加固。