張子新 李小昌 李佳宇

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2022.052

收稿日期：2021?12?21

基金項目：國家自然科學基金（41877227）

作者簡介：張子新（1966-?），男，博士，教授，博士生導師，主要從事隧道工程、地下結(jié)構(gòu)工程研究，E-mail： zxzhang@#edu.cn。

Received： 2021?12?21

Foundation item： National Natural Science Foundation of China （No. 41877227）

Author brief： ZHANG Zixin（1966-?）， PhD， professor， doctorial supervisor， main research interests： tunneling engineering and underground structures， E-mail： zxzhang@#edu.cn.

（同濟大學?a. 土木工程學院；?b. 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海?200092）

摘要：針對軟土地層盾構(gòu)掘進周圍土體穩(wěn)定性問題，自主研制了TJ-TBM2015多功能微型隧道掘進試驗平臺，通過改變外殼直徑以模擬地層損失，采用動力控制系統(tǒng)，微型隧道掘進機可以實現(xiàn)盾構(gòu)隧道的連續(xù)動態(tài)機械開挖?；谠囼炂脚_進行了地表無超載、地表有局部超載和隧道臨近穿越群樁基礎(chǔ)3種工況的盾構(gòu)隧道掘進試驗，通過傳感器監(jiān)測不同工況掘進過程中地表沉降變形和隧道周圍土體的應力變化，研究土體的穩(wěn)定性特征，并進行橫向?qū)Ρ确治觥＝Y(jié)果表明，隧道開挖引起的土體應力重分布主要發(fā)生在隧道中心1倍直徑范圍內(nèi)；局部超載對土體穩(wěn)定性影響有限，但超載會造成其所在位置附近地表沉降增大；群樁基礎(chǔ)對地層起到了一定的加固和隔離作用。

關(guān)鍵詞：軟土地層；盾構(gòu)掘進；模型試驗；土體穩(wěn)定

中圖分類號：U455.7 ????文獻標志碼：A ????文章編號：2096-6717（2024）03-0041-11

Stability investigation during shield tunneling in soft soil by model test

ZHANG Zixin^a，b，?LI Xiaochang^a，?LI Jiayu^a

（a. College of Civil Engineering；?b. Key Laboratory of Geotechnical & Underground Engineering of Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 200092， P. R. China）

Abstract： In order to investigate general stability during shield tunneling in soft soil stratum， a TJ-TBM2015 multi-functional micro-tunneling test platform is developed independently. The shield shell diameter is changed to simulate the ground loss. By using the dynamic control system， the micro-tunneling boring machine can realize the continuous dynamic mechanical excavation. Based on the test platform， three tests of shield tunneling under different tunnelling conditions are carried out， including no overloading， local overloading and tunneling near the pile group foundation. The surface subsidence and stress variety around tunnel are monitored by transducer to investigate the general stability of different tests， which further give the comparison and discussion on the different test results. The results show that the soil within the one diameter of the tunnel center is greatly affected by tunneling; the influence of local overloading on soil stability is limited， but local overloading may increase the surface settlement; pile group foundation plays a certain role in strengthening and isolating the stratum.

Keywords： soft soil；?shield tunneling；?model test；?soil stability

經(jīng)過近200年的發(fā)展，盾構(gòu)法已經(jīng)成為一種比較成熟的城市隧道施工方法^[1]，具有對環(huán)境影響小、機械化程度高、地層適應性強等多種優(yōu)勢^[2]，是現(xiàn)代隧道最理想的施工方法之一。然而，軟土地層中盾構(gòu)隧道掘進依然面臨一些難題和挑戰(zhàn)：首先，軟土地層中盾構(gòu)隧道很難形成穩(wěn)定的土拱效應來維持隧道的穩(wěn)定；其次，軟土顆粒間的摩擦效應弱，這使土拱效應的形成更加困難；還有盾構(gòu)穿越過程中對樁基周邊土體造成較大擾動，土體變形行為尚不清楚，故開挖面的失穩(wěn)就可能發(fā)生在上述各種實際工況中^[3-4]。因此，軟土地層中盾構(gòu)隧道穩(wěn)定性的關(guān)鍵就是如何控制好盾構(gòu)掘進過程中的土體變形。為了研究盾構(gòu)隧道掘進的土體變形行為，以及相應的施工穩(wěn)定性問題，一些學者進行了相關(guān)隧道開挖土體穩(wěn)定性模型試驗研究。Sterpi等^[5]進行了砂性土層中馬蹄形隧道開挖面穩(wěn)定性模型試驗，根據(jù)對稱性原理取半個隧道寬度，襯砌由鋼管模擬，開挖面采用氣囊支護，通過減小氣囊壓力的方式來觀察開挖面穩(wěn)定性的變化。Kamata等^[6]進行了砂性土地層中的隧道開挖面穩(wěn)定性離心機試驗，采用半圓形隧道模型，考慮了多種錨桿支護形式對開挖面穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明開挖面水平錨桿加固和地表豎向錨桿加固對開挖面穩(wěn)定性有較大影響。Lee等^[7]進行了一系列黏土中的隧道開挖離心機模型試驗，考慮不同埋深比的單線隧道和不同間距的雙線隧道，研究了隧道開挖引起的地表沉降槽以及土拱效應等情況。Idinger等^[8]進行了非黏土條件下隧道開挖面穩(wěn)定性的離心機試驗，采用半圓形隧道模型，用活塞模擬開挖面支護，并考慮了不同的覆土深度。范祚文等^[9]采用外徑為164 mm的土壓平衡盾構(gòu)機模型進行了砂卵石地層盾構(gòu)施工開挖面穩(wěn)定性及鄰近建筑物影響模型試驗研究，結(jié)果表明，砂卵石地層較易形成土拱，且能有效減小地面建筑物沉降值。芮瑞等^[10]通過自制試驗裝置，采用活動門下沉模擬隧道地層損失，研究了盾構(gòu)隧道穿越臨近地下?lián)跬两Y(jié)構(gòu)時對擋土結(jié)構(gòu)土壓力及地表沉降的影響。宋洋等^[11]定義砂-礫復合地層（盾構(gòu)開挖面內(nèi)粉細砂高度與盾構(gòu)機刀盤直徑的比值），并通過試驗分析了對極限支護力、地表沉降和開挖面失穩(wěn)擾動范圍的影響。昝文博等^[12]采用相似模型試驗和有限元數(shù)值仿真相結(jié)合的方法研究松散堆積體隧道開挖引起的圍巖應力擾動特征與壓力拱形成機理。馬少坤等^[13]研發(fā)了一種可以自由施加多種滲流承壓作用的三維可視化盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性模型試驗系統(tǒng)，研究了承壓滲流條件下復合地層盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)破壞模式及支護壓力。魏綱等^[14]設(shè)計并發(fā)明了一種豎向頂管室內(nèi)模型試驗裝置，考慮多種因素研究了盾構(gòu)隧道內(nèi)豎向頂管施工引起的盾構(gòu)隧道內(nèi)側(cè)變形及地表豎向位移變化規(guī)律。大部分隧道穩(wěn)定性模型試驗均為靜態(tài)開挖面穩(wěn)定性模擬，只不過是分別采用了不同的土體材料、隧道形狀、重力條件等，且大部分試驗并未考慮隧道的開挖過程。

針對軟土盾構(gòu)隧道掘進問題，筆者開展模型試驗研究，圍繞土體穩(wěn)定性控制難題，以土體的應力和變形為主要指標，研究軟土地層中盾構(gòu)掘進土體力學行為。設(shè)計并研制了新型多功能微型隧道掘進試驗平臺（TJ-TBM2015），其中的微型隧道掘進機可進行動態(tài)機械開挖，通過試驗對不同工況下軟土地層中開挖土體穩(wěn)定性問題進行研究，可為軟土中盾構(gòu)隧道施工提供技術(shù)參考。

1 室內(nèi)模型試驗裝置

1.1 試驗平臺組成

為真實模擬軟土地層盾構(gòu)隧道掘進施工過程，在TJ-TUE2010隧道及地下工程多功能相似模擬試驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上^[15]，自主研發(fā)了TJ-TBM2015多功能微型盾構(gòu)機隧道掘進試驗平臺，共分為3個部分：微型隧道掘進機、試驗平臺架、輔助及控制設(shè)備。試驗系統(tǒng)如圖1所示。

最核心的部分是微型隧道掘進機，包括外殼系統(tǒng)、刀盤及其動力系統(tǒng)、推進及其動力系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)4個部分。外殼系統(tǒng)由3種不同的無縫鋼管組成，包括盾首部分、管片部分和連接部分，盾首（直徑248 mm）和管片部分（直徑236 mm）存在12 mm的直徑差，以模擬地層損失。考慮到不銹鋼管的標準件直徑及加工難度，微型隧道掘進機設(shè)計選定的相似比為1：25.6，模擬對象為常規(guī)地鐵盾構(gòu)隧道（外徑6 340 mm）。刀盤及其動力系統(tǒng)由刀盤、驅(qū)動馬達及傳動系統(tǒng)組成。軟土中通常使用輻板式刀盤，開口率35%～50%^[16]，當盾構(gòu)機直徑較小時，開口率應適當增加^[17]。試驗刀盤為可更換式設(shè)計，通過4顆螺栓與傳動系統(tǒng)相連。刀盤采用楔形輻條狀刀頭，開口率約為51.3%。水循環(huán)系統(tǒng)主要由水泵和軟管組成，通過向開挖面注水或有壓泥漿，可以起到潤滑或維持開挖面穩(wěn)定以及帶走土渣的作用。

TJ-TUE2010試驗系統(tǒng)兩側(cè)及后擋板均設(shè)置有剛性支撐，確保模型的剛性邊界約束效應。為配合試驗重新設(shè)計了前擋板，選用厚度40 mm有機玻璃制作，既便于試驗觀測，又可以保證剛性邊界。試驗過程中隧道邊緣距離兩側(cè)邊界約2D（D為隧道直徑），弱化了邊界效應的影響，同時在填土之前對模型箱內(nèi)部進行充分清理和光滑處理，盡可能減小隧道縱向的邊界效應的影響。

1.2 試驗平臺參數(shù)

微型隧道掘進機采用的變頻馬達標準電壓為220 V，額定功率120 W，通過電阻控制旋鈕控制兩個馬達的輸出功率，輸出功率范圍為額定功率的30%～90%。刀盤轉(zhuǎn)速和推進速度通過實測來確定，具體方法為：對兩個馬達分別選擇輸出功率的30%～90%，每種功率下測定3次刀盤轉(zhuǎn)速和推進速度，取平均值并進行線性擬合。根據(jù)實測結(jié)果進行的線性擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.99，說明實測結(jié)果線性較好。計算時，將選擇的輸出功率百分比（x）分別直接代入圖2中的方程即可。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 試驗方案

根據(jù)城市中軟土盾構(gòu)法隧道可能面臨的不同工況，共進行了3組試驗。

2.1.1 地表無超載試驗方案（C1）

如圖3所示，C1方案中，隧道位于土箱中心偏下位置。有機玻璃擋板開口直徑250 mm（略大于隧道直徑D），兩側(cè)距土箱邊緣均為475 mm（約2D），底部距土箱底部300 mm（約1.2D），上部距土箱頂端600 mm（約2.4D），相當于模擬覆土厚度為15.4 m的隧道（相似比1：25.6）。

2.1.2 地表有局部超載試驗方案（C2）

C2方案是在C1的基礎(chǔ)上，在地表距離隧道中心1D處放置超載，以模擬隧道穿越既有建筑物的工況，如圖4所示。根據(jù)相似比計算，所需超載量較小，再考慮到土表面在試驗過程中會一直發(fā)生沉降，因此，為確保超載絕對穩(wěn)定，采用鐵塊對土表面施加靜載（模擬淺基礎(chǔ)建筑物荷載）。鐵塊尺寸為10 cm×10 cm×5 cm（長×寬×高），折算成的實際荷載為

這大約相當于每平方米承重100 kN，對于上海地區(qū)的軟黏土，可采用淺基礎(chǔ)，再大的荷載就需要考慮采取深基礎(chǔ)。該計算荷載作為試驗的設(shè)計超載，后續(xù)試驗結(jié)果均在該荷載的基礎(chǔ)上進行分析，提供一些規(guī)律性的認識，對于等效荷載與該荷載有較大差異的工程，還需進一步分析和驗證。

2.1.3 穿越群樁基礎(chǔ)試驗方案（C3）

C3方案為隧道側(cè)向穿越群樁基礎(chǔ)附近，適于模擬實際盾構(gòu)穿越高層建筑樁基礎(chǔ)，如圖5所示，樁基礎(chǔ)采用直徑30 mm、壁厚3 mm的有機玻璃管模擬，群樁采用3×3布置，樁心距75 mm，最近一排樁距隧道模型中心的距離為1D。試驗時先固定有機玻璃管，再埋土。

2.2 試驗流程

如圖6所示，試驗共分為5步：

1）將有機玻璃蓋塞入有機玻璃板的預開口中并用刀盤抵住，在土箱中分層埋入試驗用土，在填土前對模型箱內(nèi)部進行充分清理和光滑處理，盡量消除邊界可能產(chǎn)生的摩擦效應對變形和應力變化的影響。填土完成后將模型靜置直至自重固結(jié)變形基本穩(wěn)定。

2）自重固結(jié)完成后，將微型隧道掘進機后移，取出有機玻璃蓋。

3）前移微型隧道掘進機快速抵住暴露的土體立面，以最大限度減少臨空土體的變形，減小土體內(nèi)部的剪應力發(fā)展。

4）啟動全部監(jiān)測傳感器并開始開挖，開挖過程中持續(xù)監(jiān)測土壓力和地表位移變化。

5）微型隧道掘進機開挖至預定位置后，開挖過程結(jié)束，將模型靜置直至土表變形穩(wěn)定。

在試驗過程中，掘進機每前進10 mm并完成出土后，再后退1 mm以模擬盾構(gòu)隧道開挖面變形。

2.3 試驗用土

試驗選用上海地區(qū)的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（③號土），取地下連續(xù)墻成槽機挖出的土，除去表面被泥漿浸濕的部分，盡量保持土壤原狀，如圖7所示，試驗用土保存在密封的塑料箱中，以防止水分流失。根據(jù)工程勘察報告結(jié)果，土體基本力學指標參數(shù)如表1所示。

埋土采用分層埋設(shè)并夯實。土箱角部放置兩個紗窗布包裹的帶孔PVC管，為土體自重固結(jié)提供滲流路徑。埋土完成后，靜置至自重變形穩(wěn)定。首次試驗前，對土體進行自重固結(jié)觀測，用百分表監(jiān)測地表中心變形，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，在土體完成埋設(shè)的前24 h內(nèi)，固結(jié)變形快速發(fā)展，隨后的約80 h內(nèi)，沉降速度減緩，約96 h后，沉降變形趨于平穩(wěn)。由此可知，每次試驗開始前至少應將埋設(shè)好的土體靜置96 h，才能確認固結(jié)沉降基本完成。

2.4 傳感器布置

試驗過程中主要對地表變形和土壓力進行監(jiān)測和分析，監(jiān)測工具為百分表和土壓力盒。

2.4.1 百分表布置

圖9所示為位移百分表布置圖，土體上表面沿縱向中間位置從左至右對稱布置有5只百分表（S1～S5）；沿隧道掘進方向距離S3前后100 mm的位置布置S6、S7兩只百分表。百分表量程0～10 ?mm，精度0.01 mm。C2組試驗左上方地表有超載鐵塊，百分表S1和S2分別布置在鐵塊的兩個邊緣，以監(jiān)測超載鐵塊的沉降。

圖10為百分表布置實物圖，試驗過程中每隔1 h對每個百分表分別進行拍照，試驗完成后讀數(shù)，以免現(xiàn)場讀數(shù)出現(xiàn)錯誤。開挖完成后，為觀測后續(xù)變形，仍要每隔12 h讀數(shù)一次，持續(xù)至少96 h。

2.4.2 土壓力盒布置

如圖11所示，在隧道起拱線高度兩側(cè)各布置5個土壓力盒（L1～L5和R1～R5），測量豎向土壓力變化；在拱頂上方垂直分布有5個壓力盒H1～H5，測量拱頂上方的水平壓力變化。在緊貼隧道拱頂沿隧道方向布置有5個土壓力盒V1～V5，用來測量拱頂附近的豎向土壓力變化。土壓力盒的量程0～50 kPa，精度0.02 kPa。C3組試驗由于存在群樁基礎(chǔ)，將L4和L3調(diào)整至樁基礎(chǔ)左右兩側(cè)。

圖12為土壓力盒布置實物圖。土壓力盒連接應變采集儀，由電腦自動采集并存儲數(shù)據(jù)，可在試驗完成后進行分析處理。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 地表無超載試驗結(jié)果（C1）

3.1.1 變形分析

圖13為隧道掘進過程中地表沉降槽變化情況。隨著開挖的進行，沉降槽的基本形態(tài)沒有發(fā)生明顯變化，只有沉降量隨著開挖的進行而增大。從變化速度來看，開挖前半段地表沉降增加速度相對緩慢，而到最后階段，沉降速度加快，這是由于在開挖即將完成時，盾殼外徑變化點（下文統(tǒng)稱為地表損失點）剛好通過監(jiān)測斷面，圍繞盾殼的地層損失導致了沉降值的快速增加。

圖14為沿掘進方向地表的縱向沉降發(fā)展情況。在掘進的前10 cm，地表沉降緩慢；當掘進距離大于17.5 cm時，沉降發(fā)展速度加快。從掘進開始時刻起，開挖面前方土體就一直處于影響區(qū)域內(nèi)，因此并未出現(xiàn)縱向沉降槽形態(tài)，縱向沉降總體上比較均勻。S6、S3和S7測點的最大沉降值分別為3.48、3.34、3.07 mm，最大差異為11.8%[（S_min-S_max）/S_max]。

圖15為掘進速度與S3點沉降發(fā)展的關(guān)系。圖中上半部分為兩次記錄之間的微型隧道掘進機平均掘進速度，虛線為整個試驗期間的平均掘進速度；下半部分為地表測點S3的沉降發(fā)展曲線。在整個試驗過程中，掘進速度呈現(xiàn)出一定的波動，在開挖的后半段，掘進速度相對要穩(wěn)定一些。隨著開挖的進行，S3測點沉降持續(xù)發(fā)展，掘進速度加快時，S3的沉降發(fā)展速度也隨著增加，這與工程實踐的普遍規(guī)律基本相符。

3.1.2 應力分析

圖16為試驗過程中隧道拱頂土體豎向壓力變化情況。總體上，隧道開挖導致拱頂土壓力逐漸減小，但單根測線在縱向方向并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律，除了開挖進度為27.2 cm的測線，其他測線均表現(xiàn)為整體較為均勻的減小。當掘進進度為27.2 cm時，V3測點的土壓力明顯減小，僅為原狀應力的約60%，其余4個測點的監(jiān)測值約為原狀應力的80%，這是由于V3測點的土壓力盒剛好處于地層損失點附近，該處土體的不均勻變形，會產(chǎn)生微弱的土拱效應，進而導致土壓力盒讀數(shù)減小。開挖面前后的拱頂位置土壓力并沒有明顯的差異，這說明土壓力盒均屬于隧道開挖導致的卸載區(qū)內(nèi)：開挖面后方的測點處于隧道環(huán)向卸載導致的土拱效應內(nèi)部，開挖面前方的測點處于開挖面卸載產(chǎn)生的土拱效應內(nèi)部。

圖17為試驗過程中隧道拱腰兩側(cè)豎向土壓力變化。在開挖的前11 cm，土壓力變化較小，基本都小于原始應力的5%，這是因為地表損失點尚未到達監(jiān)測斷面附近，沒有發(fā)生明顯的地層損失，應力重分布程度較低。當掘進距離接近15 cm時，拱腰兩側(cè)附近壓力明顯增大，L1和R1兩個測點土壓力約為原始自重壓力的107%。隨著開挖繼續(xù)進行，距隧道中心1D范圍內(nèi)的土壓力繼續(xù)增加，當開挖距離為27.2 cm時，L1和R1壓力約為原始自重壓力的116%和117%；距隧道中心1D范圍外土壓力增加不明顯，說明受開挖及土拱效應影響較小。左側(cè)R4點數(shù)據(jù)異常，可能是傳感器異常所致，分析時不予考慮。

圖18為隧道正上方土體水平應力變化情況，斜點劃線為20%原狀應力線，若測點落在該線上，說明水平應力變化量達到原狀應力的20%。H4測點讀數(shù)出現(xiàn)異常無法使用，繪圖時將其剔除，H5和H3點用虛線直接相連。隨著隧道的開挖，各個測點的土壓力值均增大，開挖進度小于11 cm時，土壓力變化較小，當開挖進度大于15 cm后，拱頂上方距隧道中心1D范圍內(nèi)土壓力開始明顯增大，在此范圍之外應力變化不大。從整體來看，隧道的地層損失點進入土體（掘進約為15 cm）后，拱頂上方土壓力才開始有顯著變化，這說明土拱的形成與地層損失密切相關(guān)，當?shù)貙訐p失點到達監(jiān)測斷面（掘進約26 cm）后，H1測點的土壓力增量最大，達到了土體原狀應力的20%。

從圖17和圖18可以看出，在水平和豎直方向，隧道開挖對周圍土體的影響范圍約為距隧道中心1D范圍內(nèi)，說明在拱腰和拱頂之外0.5D范圍內(nèi)，隧道開挖會引起土體應力狀態(tài)的改變，進而導致土體失穩(wěn)。從拱頂和腰部兩側(cè)土體的應力增量實測數(shù)據(jù)可以推測，隧道周圍土體松動區(qū)范圍較小，這說明盾構(gòu)掘進開挖通過約束洞周收斂變形，有效維持了周圍土體的穩(wěn)定性；而較小的地表沉降也表明，對開挖面的有效約束確保了超前核心土的穩(wěn)定性。

3.2 地表有超載試驗結(jié)果（C2）

3.2.1 變形分析

圖19為開挖過程中的沉降槽變化，其基本規(guī)律與C1組類似，不同的是，由于超載的存在，沉降槽并不對稱，左側(cè)沉降值偏大，曲線下凸更明顯。

圖20為地表縱向沉降發(fā)展情況，與C1組相似，掘進結(jié)束時，3個測點的沉降監(jiān)測值分別為4.55、4.97、4.37 mm，最大差異為12.1%。

圖21為掘進速度與S3點沉降發(fā)展關(guān)系圖。掘進速度整體上可分為兩部分，前半段掘進速度較慢，后半程明顯提高，僅在試驗結(jié)束前有所降低。S3點沉降也明顯分為兩段，掘進較慢時沉降速度發(fā)展較為平緩；速度提高后，沉降發(fā)展速度也相應變快。相比于C1組，C2組掘進速度與S3點沉降速度的關(guān)系更加明顯。

3.2.2 應力分析

圖22為隧道拱頂土體豎向壓力變化情況，與C1組規(guī)律類似。當掘進結(jié)束時，只有V3測點土壓力異常減小，約為原狀應力的55%。

圖23為隧道拱腰兩側(cè)土壓力變化量曲線，規(guī)律與C1組類似，只是由于地表超載的存在，試驗結(jié)束時左側(cè)壓力大于右側(cè)，土體應力重分布呈現(xiàn)出明顯的不對稱現(xiàn)象。但在隧道開挖前期（掘進距離<15 cm），兩側(cè)土壓力變化并未出現(xiàn)明顯差別。R1測點豎向土壓力變化量比C1組要小，這與預期結(jié)果有一定的出入，因為超載的存在不應該使C2組的監(jiān)測結(jié)果更小，這可能是傳感器工作時產(chǎn)生了一定的故障造成的。由于試驗次數(shù)有限，還不能過早下結(jié)論，更細致的研究和結(jié)論可采用數(shù)值方法進一步研究。在開挖后半段，L2土壓力盒數(shù)據(jù)也略有異常，但并不影響整體趨勢。

圖24為隧道正上方土體水平應力變化情況，規(guī)律與C1組試驗類似，只是應力變化量略小。

3.3 穿越群樁基礎(chǔ)試驗結(jié)果（C3）

3.3.1 變形分析

圖25為試驗過程中沉降槽變化。右半側(cè)與C1組類似，但左半側(cè)沉降值較右側(cè)略小，S1點的沉降值很小，且?guī)缀跷措S掘進進度發(fā)生明顯變化，說明群樁基礎(chǔ)的隔離效果較好，土體位移場的發(fā)展受到它的阻隔，這得益于群樁基礎(chǔ)較大的整體側(cè)向抗彎剛度。

圖26為地表沿掘進方向的縱向沉降發(fā)展情況。與前兩組試驗規(guī)律相似，3個測點最大沉降值分別為4.17、4.24、3.92 mm，最大差異為7.5%。

圖27為掘進速度與S3點沉降發(fā)展的關(guān)系。由于前兩組試驗積累了一定經(jīng)驗，C3組試驗過程中掘進速度波動不大，對應的S3點沉降發(fā)展也比較平緩。

3.3.2 應力分析

圖28為隧道拱頂土體豎向壓力變化情況。與前兩組規(guī)律基本一致，掘進至27.7 cm時，V4測點數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化，應該是異常監(jiān)測值，分析時不予考慮。

圖29為隧道拱腰兩側(cè)土壓力變化，由于群樁基礎(chǔ)的存在，L2、L3測點的土壓力監(jiān)測值并未發(fā)生明顯變化，這可能是由于土拱效應引起的豎向應力增加由樁-土的摩擦接觸承擔。開挖完成時，L1和R1的土壓力分別為原狀土壓力的120%和123%，由于群樁基礎(chǔ)限制了土拱效應的發(fā)展范圍，故隧道兩側(cè)應力重分布不對稱，群樁基礎(chǔ)對土體應力重分布起到隔離作用，致使開挖過程中L2～L5測點土壓力變化很小。

圖30為隧道正上方土體水平應力變化，H1測點水平應力最終變化量僅為原狀土體水平應力的16%，小于前兩組試驗結(jié)果，這可能是由于群樁基礎(chǔ)約束了土體水平位移的發(fā)展，限制了拱頂水平應力的變化。

3.4 模型試驗對比分析

圖31為3組試驗開挖完成后的地表沉降槽曲線對比。C1組試驗沉降槽基本呈對稱狀態(tài)，最大沉降值最小。由于左上方地表存在超載，C2組試驗地表沉降槽為非對稱狀態(tài)，最大沉降值最大。C3組最大沉降值處于C1和C2之間，由于群樁基礎(chǔ)的存在，沉降槽也不對稱，左側(cè)沉降值較小，特別是左側(cè)測點幾乎沒有變化，這說明群樁基礎(chǔ)起到了一定的隔離作用。

為了更清晰地體現(xiàn)地表沉降槽的定性規(guī)律，將沉降數(shù)據(jù)進行無量綱處理，如圖32所示。由于3組試驗隧道的右側(cè)均無超載和其他結(jié)構(gòu)，無量綱化處理后的沉降槽形態(tài)幾乎相同。相比之下，左半邊沉降槽出現(xiàn)較為明顯的差別：C2組試驗存在地表超載，相對沉降比C1組大；C3組試驗存在群樁基礎(chǔ)，起到了一定的加固和隔離作用，相對沉降比C1組要小。

由上述分析可以看出，單從隧道施工產(chǎn)生的影響角度看，群樁基礎(chǔ)對周圍地層起到了良好的保護和隔離作用，但從工程整體穩(wěn)定角度看，還應當分析隧道施工對其附近的工程結(jié)構(gòu)的影響，假定群樁基礎(chǔ)為剛性結(jié)構(gòu)且受試驗條件限制并未對群樁結(jié)構(gòu)受力進行監(jiān)測分析，在實際工程當中應當充分評估擬建隧道附近工程結(jié)構(gòu)受隧道開挖的影響，并視情況進行隧道路線調(diào)整或制定相應的加固和保護措施，以維護工程結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

圖33為3組試驗開挖完成后拱腰兩側(cè)豎向土壓力變化。若除去R1點的差異，則C1和C2兩組結(jié)果差別不大。參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）^[18]以及文獻[19]，計算地表超載對傳感器所在深度的土層產(chǎn)生的附加應力，結(jié)果為0.75 kPa，僅為原狀應力的0.6%，對土體應力重分布的影響并不大。C3組試驗結(jié)果較C1組有更明顯的變化，隧道兩側(cè)土體豎向土壓力都有明顯的增大，達到土體原狀應力的150%左右。左側(cè)僅有最靠近隧道的測點變化明顯，這是由于群樁基礎(chǔ)的限制作用，使得隧道左側(cè)未能形成明顯的土拱效應。

圖34為3組試驗完成后隧道正上方水平土壓力變化，可以看出3組試驗數(shù)據(jù)規(guī)律類似。C2、C3組H1測點監(jiān)測值略小于C1組，原因可能是超載和群樁基礎(chǔ)的存在限制了土體水平位移的發(fā)展，進而限制了水平方向的應力重分布。從H1～H5的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，隧道開挖引起的拱頂上方土體水平應力重分布主要集中在距離隧道中心1D范圍內(nèi)，在此范圍之外，土體水平應力的變化量很小。

4 結(jié)論

針對軟土地層盾構(gòu)隧道掘進土體受力和變形問題，自主研發(fā)了TJ-TBM2015多功能微型盾構(gòu)機隧道掘進試驗平臺，進行了不同工況的室內(nèi)模型試驗，并進行了試驗結(jié)果的對比分析，主要結(jié)論如下：

1）通過試驗揭示了隧道拱腰兩側(cè)豎向應力變化和拱頂上方水平應力變化規(guī)律，隧道開挖引起的土體應力重分布主要發(fā)生在距離隧道中心1倍直徑范圍內(nèi)。不同方案試驗結(jié)果表明，拱腰兩側(cè)土體豎向應力可達原狀應力的125%～155%；而拱頂水平應力的增量則表現(xiàn)得比較穩(wěn)定，為原狀應力的115%～120%，幾乎不受超載和群樁基礎(chǔ)的影響。

2）超載和群樁基礎(chǔ)對隧道開挖引起的沉降槽的影響是局部的。超載會造成其所在位置附近的地表沉降增大，群樁基礎(chǔ)對地層起到了一定的加固和隔離作用，使得其附近的地表沉降有所減小。經(jīng)過無量綱化處理后可發(fā)現(xiàn)，右半部沉降槽呈現(xiàn)出幾乎完全一致的規(guī)律，而左側(cè)則由于超載和群樁基礎(chǔ)的存在，沉降值分別有一定的增大和減小。掘進速度會影響拱頂沉降，掘進速度越大，沉降發(fā)展速度和量值越大。

3）基于隧道拱腰兩側(cè)土體豎向應力增量的變化情況可知，試驗采用的局部地表超載對土體應力重分布的影響較小，這是因為在拱腰所在的深度，超載產(chǎn)生的附加應力很小，因此其影響也很有限。群樁基礎(chǔ)能夠起到較好的隔離作用，故土體的應力重分布被限制在了樁-隧之間較小的范圍內(nèi)，群樁基礎(chǔ)對隧道另一側(cè)土體應力重分布的影響不大。

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（編輯??王秀玲）