盾构施工过程中的土体变形研究

温庆峰

(中铁六局集团有限公司交通工程分公司，北京100070)

[摘要]在盾构施工过程中，采用弹性力学的Mindlin解经变换坐标推导出土体和刀盘之间摩擦力引 发地面变形的计算公式，从而导出盾构施工引发土体变形的计算方法Q通过研究可知：盾构施工过程中，影 响土地变形的主要因素是正面推力以及后壳的摩擦，设置刀盘扭矩的主要因素是刀盘和土体之间的摩擦。 本文结合成都地铁10号线工程中的土层结构，对盾构和土地之间相互作用进行分析，计算出盾构和土体之 间作用引发土体变形特点Q由此可见，研究盾构施工过程中的土体变形对于隧道施工具有十分重要的指导 意义Q

[关键词]盾构施工；Mindlin解；土体变形；正面推力 近年来，我国城市建设快速发展，我国很多城市

地铁已经投入使用，也有很多地铁项目在修建当中。 在开挖隧道过程中，会对周围的土地产生扰动，因 此，一般采用盾构施工方式进行。虽然，近年来盾构 施工的技术有了很大的提升，但是，由于隧道施工受 到施工工艺以及地质条件的影响，很难避免因推进 盾构引发的地层扰动。结合盾构施工过程中引发的 土体变形，现阶段，业内人士已经开展大量的研究， 旨在保障隧道施工相关工作顺利开展。

文章编号:2095 -4085(2018)09 -0116 -02

1.5 Mindlin 解法

采用空间弹性力学的Mindlin解，通过正面附 加的推力以及盾壳和土体之间产生的摩擦力土体导 出土体变形的计算方法。

1盾构施工土体变形研究方法

1.1经验公式法

经验公式法也称为(修正）Peck公式法，其一般 应用于水平地表隧道施工沉降预测，而对于山岭隧 道，特别是进出口段往往地形倾斜，存在不同程度的 偏压。通过查阅大量文献资料可知，通过地层损失 率对土体变形进行估算，结合工程实际情况和资料 统计土体损失率取值。

1.6数值计算法

通过动态模拟的方式对盾构施工过程中的土体 变形进行全方位的模仿，分析土体变形情况[1]。

本文结合盾构施工的过程，对盾构施工中的盾 构和土体之间摩擦作用进行分析，选择盾构土体变 形主要形式。通过Mindlin解对刀盘和土体之间的 摩擦引发土体变形的计算公式进行详细推到，并结 合土体变形公式、盾壳和土体之间摩擦引发变形公 式，推算出盾构施工总地面的变形公式，分析盾构和 土体作用之后的土体变形的特点，对比实测结果。

2盾构施工过程中的土体变形研究

1.2弹性应变法

通过查阅以往资料，采用镜像方式分析弹性半 空间的解法，并以此为基础，通过进一步的论证，可 以将盾构施工过程中的土体看做是可以压缩的材 料，结合隧道变形情况，对土体空隙的参数进行重新 的定义。

1.3复变函数法

以隧道变形为基础，将隧道变形看做是椭圆化， 采用复变函数分析盾构施工中的土体变形，从而映 射求解。

1.4随机介质法

将盾构结构中的土体看做是随机变化的介质， 采用随机预测方式预测盾构施工中引发的土体损失 数值。

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2.1盾构施工过程中的土体变形因素

在盾构施工过程中，主要是由于以下几个方面 因素引发的土体变形。

(1) 刀盘和周围土体产生的摩擦作用，此种摩 擦会在一定程度上扭转切削土体，从而导致土体变 形。

(2) 盾构在开挖过程中产生的支护力作用。为 了保障挖面土体的稳定性，在开挖盾构过程中需要 保障有充足的支护力，从而保障开挖土体能够有个 正面的附加推力P，数值一般控制为±20kPa，由于 盾构挤压造成土体出现挤土反应，主要体现在开挖 前方地面出现隆起现象。

(3) 盾壳和周围土体产生的摩擦作用。由于盾 构和土体接触的面积较大，因此，在土体受到压力 时，与盾构运行之间产生很大摩擦力，从而引发地表 出现变形问题。

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(4)在开挖卸载过程中和盾尾施工过程中引发 的土体损失，导致地表下沉。2.2研究内容和难点

本文将理论和项目实践相结合对盾构施工过程 中土体变形展开研究。由于在盾构施工中其土体层 次和性质不同，因此，在解析过程中计算土体变形数 值会存在很大的误差，采用Mindlin解方式，可以使 地表的横向沉降槽的曲线和工程实际的沉降值相互 吻合，从而保障盾构隧道开挖引发的土体变形预测 值更加准确。由于Mindlin解法对于计算均勻土质 相对比较有效，也可以采用ANSYS软件进行隧道开 挖土体变形模拟，在挖掘过程中，土体变化是一个动 态的力学过程，需要考虑三维分析方式，因此，在存 储数据以及计算数值方面需要耗费大量人力和物 力，隧道施工属于批量性作业，无疑为土体变形研究 带来一定的难度。

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最大曲线半径为690m，最小曲线半径为650m。线

间距9. 3m - 20. 03m，结构最小覆土埋深9m，最大 覆土埋深13m，线路纵断面最大坡度5知，最小坡度 3.085知。盾构隧道主要处于密实砂卵石层中。本研究对盾构和土体之间复杂作用进行研究， 通过Mindlin解进行坐标变换，推导出在盾构施工 过程中刀盘摩擦以及侧面摩擦引发的土体变形公 式，并结合正面的附加推力以及盾壳和土体摩擦力 推算出土体变形数值。经过研究可知，正面的附加 推力以及盾壳和土体摩擦力是推力设定主要因素， 刀盘和土体的摩擦是扭矩设定主要因素。由于盾壳 和土体的摩擦力相对较稳定，因此，引发的土体变形 在刀盘5m处的盾构部位呈现轴线反对称现象，这 也是引发盾构土面隆起的因素之一。刀面正面和侧 面的摩擦会引发土体表面沉降，导致沉降槽分布不 对称，特别在刀盘的截面处更加明显，这和刀盘转动 的方向有密切的关联。

3工程实例

本文以成都地铁1〇号线一期工程为例，对成都 地铁盾构和土体之间相互作用进行分析。成都地铁 10号线一期工程土建4标华金中间风井至金花站 盾构区间，左线起止点里程ZDK5 + 634. 830〜ZDK7 + 197. 331，区间全线1562. 501m;右线起止里程 YDK5 +617.704 〜YDK7 +151.363,区间全长 1533. 659m。施工设计区间采用盾构法施工，从明挖中间 风井始发，平行绕城高速方向向西北方向行进，在 YDK7 +013〜YDK7 + 100处斜穿绕城高速（K48 + 216.80-K48+317)到达金花站。共投入两台盾构 机分别为中铁装备66#和137#。区间共设置两处联 络通道，分别在 YDK6 + 179. 787 和 YDK6 + 665. 206,其中YDK6 + 179. 787处为联络通道兼废水泵 房。正线线路右线共设曲线2处，最大曲线半径为 650m，最小曲线半径为650m;左线共设曲线2处，(上接第114页）量的丝状和杆状菌类物质，说明已 经达到了对污染物高效分解的状态[3]。

4结语

现阶段，隧道施工一般使用挖掘机设计开挖土

体，其具有经济、快速、安全等优点。在盾构施工过 程中，土体挖掘采用先进开挖技术，盾构施工技术以 及设计理论也在不断的完善。但是，隧道施工不可 能完全避免地层扰动，会引发周围土体变形，地面沉 降等。因此，在盾构施工前期，需要深入研究盾构土 体变形，尽量减少对周围环境的影响，通过研究可 知，土体正面的附加推力以及土体损失和现场的施工 环境和施工工艺有很大的关联，很容易发生起伏。因 此，深入研究盾构施工过程中的土体变形十分必要。

参考文献：

[1 ]唐晓武，朱季，刘维，等.盾构施工过程中的土体变形研 究[].岩石力学与工程学报，2010，（ 05).

J

准的B级标准要求，说明本文所介绍的污水处理工 艺可以完成常温下的生活污水处理。

3结语

参考文献：

[1 ]陈西文，刘永红，张博菲.小型生活污水常温生物处 理工艺研究[].工业用水与废水，2017，48(1) : 15 - 17.

PVA

J

本文所涉及的PVA生物处理污水工艺其溶剂

符合可达到1.5kg[CODCr]/(m3 • d)，在达到此值 时，系统的出水水质浓度符合国家污水排放相关标(上接第115页）后，依次安装钢柱人2-人3(82- 3)，4 - 5(4 -5)，6 - 7(6 -7)之间的

A

A

B

B

A

A

B

B

B

檩条、拉条等。

风险，由于钢屋架在地面整体组装，有利于安装质量

的提高。同时采用整体吊装的方法，减少了人工12 * 13 = 156个，节省费用62400元。

4工艺效果

参考文献：

[1 ]高利军.60m直径拱形钢屋架安装技术[J ].煤炭技术，

2005,(04) ：95 -96.

铸铁机厂房屋架安装过程中，采用装配式施工

工艺，减少了 50%的高空作业量，降低了高空安装

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