0引言
國(guó)內(nèi)外關(guān)于盾構(gòu)施工在周圍土層中產(chǎn)生超孔壓的研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析和數(shù)值模擬等。由于現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，難以判斷引起超孔壓變化的主要原因以及各因素對(duì)超孔壓變化的影響，且可能出現(xiàn)設(shè)備失靈的問(wèn)題。如文獻(xiàn)［2］對(duì)臺(tái)北某隧道進(jìn)行孔隙水壓力測(cè)試，盾構(gòu)機(jī)脫出時(shí)孔壓計(jì)出現(xiàn)過(guò)短暫的失靈，盾構(gòu)空隙產(chǎn)生的效果未捕捉到。此外，現(xiàn)有的實(shí)測(cè)資料仍較少；而現(xiàn)有的理論分析主要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，做出一定的假設(shè)，不能反映盾構(gòu)施工過(guò)程的影響，目前用現(xiàn)有理論對(duì)超孔壓進(jìn)行較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)還有一定難度。由于盾構(gòu)施工過(guò)程及超孔壓的復(fù)雜性，目前已有的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際仍不太符合。這些模擬方法或者是忽略了盾構(gòu)機(jī)、盾尾空隙和注漿壓力的模擬，或者是對(duì)正面推力、注漿壓力模擬不夠準(zhǔn)確，只是簡(jiǎn)單地以均布荷載表示，并且絕大多數(shù)模擬都沒(méi)有考慮漿液性質(zhì)的變化。
本文考慮盾構(gòu)機(jī)、盾尾空隙的影響，并對(duì)正面推力和注漿進(jìn)行精細(xì)化模擬，以探索更能符合盾構(gòu)施工過(guò)程的超孔壓數(shù)值模擬方法，并得到盾構(gòu)施工引起的周邊土體超孔壓變化特性及規(guī)律。
1盾構(gòu)施工的有限元模擬方法及可靠性驗(yàn)證
1.1模擬方法
利用Plaxis3D有限元軟件中的biot固結(jié)理論計(jì)算超孔壓的產(chǎn)生與消散，盾構(gòu)機(jī)的施工過(guò)程模擬考慮了盾構(gòu)機(jī)、正面推力的大小及分布方式、盾尾空隙、同步注漿漿液性質(zhì)隨時(shí)間的變化及分布方式等。
具體的模擬方法如下所述。盾構(gòu)機(jī)采用實(shí)體盾殼單元模擬，將盾構(gòu)機(jī)的重量折算到盾殼上，盾殼厚度為50mm，用各向同性的板單元模擬，重度γ=120kN/m3，彈性模量E=23×106kN/m2，盾構(gòu)機(jī)直徑為6340mm。千斤頂推力簡(jiǎn)化為均勻荷載作用在盾構(gòu)機(jī)后方襯砌上，其值為2300kN/m2。
在盾構(gòu)施工工程中，一般取土倉(cāng)壓力為施工控制參數(shù)，并認(rèn)為土倉(cāng)壓力與正面推力是相等的。但根據(jù)長(zhǎng)三角軟土地區(qū)某盾構(gòu)隧道的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，土倉(cāng)壓力與理論計(jì)算的靜止土壓力比值為1.16~1.74，平均值為1.34。其從上到下為梯形分布作用在圓形開(kāi)挖面上，如圖1所示。
盾尾空隙大小一般為80~160mm［11］。由于軟土中超挖量較小，認(rèn)為盾尾空隙主要由盾構(gòu)機(jī)殼厚度和盾尾操作空間決定。本文取盾尾空隙的厚度為70mm，用模量極小的彈性材料模擬，E=20kN/m2。
同時(shí)考慮漿液性質(zhì)隨時(shí)間的變化以及注漿壓力的大小與分布。采用線彈性材料模擬單液活性漿液的性質(zhì)變化，并根據(jù)對(duì)漿液的室內(nèi)無(wú)側(cè)向抗壓試驗(yàn)和土工試驗(yàn)規(guī)范，擬合出漿液彈性模量隨時(shí)間的變化函數(shù)作為有限元模擬值［12］。其擬合函數(shù)為
由于漿液最終凝固成混凝土，所以y值增大到混凝土的彈性模量時(shí)為止，之后保持不變。注漿層的厚度為70mm，分布于管片外側(cè)。由文獻(xiàn)關(guān)于注漿壓力隨時(shí)間變化的試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)盾尾通過(guò)后，注漿壓力會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)消散并達(dá)到均勻。隨著漿液的凝固，注漿壓力消失，漿液開(kāi)始承受地層中的水土壓力并傳遞到襯砌上。據(jù)此，確定本文有限元模擬中注漿壓力的作用時(shí)間僅為盾尾脫出一環(huán)管片后的時(shí)間，隨著盾構(gòu)的向前推進(jìn)，注漿壓力隨即消失。注漿壓力的分布形式為沿深度呈梯形分布，沿深度不斷增大。注漿壓力與理論計(jì)算的靜止土壓力比值為0.8~1.1，注漿壓力作用示意圖如圖2所示。此外，漿液的充填性、流動(dòng)性等也會(huì)影響注漿壓力的大小和分布，在此處視為理想條件，不做過(guò)多討論。
根據(jù)以上討論，得到了盾構(gòu)機(jī)、正面推力、盾尾空隙和同步注漿的模擬方法，由此可得到本文的模擬示意圖，如圖3所示。
三維模型的邊界條件是：四周表面和底面為法向位移約束，表面自由。開(kāi)挖面邊界條件如圖3所示。滲流邊界為表面透水邊界，模型四周和底部為不透水邊界，襯砌處為不透水邊界。
1.2可靠性驗(yàn)證
為了驗(yàn)證模擬方法的可靠性，根據(jù)上述有限元模擬方法，采用文獻(xiàn)中的工程及參數(shù)，以實(shí)際工程為例建立模型，并與實(shí)測(cè)孔壓值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。文獻(xiàn)中實(shí)測(cè)孔壓計(jì)分布和地層情況如圖4所示。計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比，如圖5和6所示。由圖5和圖6可知，各孔壓計(jì)的初始值、穩(wěn)定值以及變化趨勢(shì)基本一致；孔隙水壓力在盾構(gòu)到達(dá)不同位置處會(huì)出現(xiàn)不同程度的突然增大，盾構(gòu)離開(kāi)后，孔隙水壓力也開(kāi)始衰減。但由于現(xiàn)場(chǎng)施工情況復(fù)雜多變，有限元模擬不可能完全準(zhǔn)確模擬，所以在量值和變化趨勢(shì)上會(huì)有一些差別，但整體規(guī)律是符合的。
2施工引起的周邊土體超孔壓分布特性
2.1模型參數(shù)
為減少土層非均質(zhì)對(duì)超孔壓變化規(guī)律的影響，此處選取盾構(gòu)隧道位于單一軟土層。計(jì)算中隧道頂部埋深12.4m，地下水位為地表以下2m，隧道管片外徑6.2m、內(nèi)徑5.5m、寬1.2m，盾構(gòu)機(jī)的直徑為6.34m。所建立的有限元模型長(zhǎng)80m，寬20m，高30m。土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，施工參數(shù)見(jiàn)表2。
2.2計(jì)算結(jié)果
分別在隧道頂部、中部和底部各選取3個(gè)共9個(gè)觀察點(diǎn)A1~A3、B1~B3、C1~C3。各位置觀察點(diǎn)分布在距離隧道0.5D和1.0D處，如圖7所示。
各觀察點(diǎn)超孔壓隨時(shí)間的變化分別如圖8~圖13所示。每個(gè)觀察點(diǎn)均給出了超孔壓短期（5d）和長(zhǎng)期（125d）的變化過(guò)程。由圖8、圖9可知，盾構(gòu)施工中隧道頂部土體中最大超孔壓為100kPa，發(fā)生在A1點(diǎn)。A1、A2兩點(diǎn)超孔壓隨盾構(gòu)施工過(guò)程的變化明顯，A3點(diǎn)不明顯。125d后A1、A2、A3點(diǎn)超孔壓的衰減率分別為91%、68%和45%，說(shuō)明距離隧道越近超孔壓的變化幅度越大。
與頂部相比，隧道中部和底部超孔壓規(guī)律相同，僅量值上有差別。如隧道中部最大超孔壓為97kPa，而底部為103kPa。超孔壓125d后B1、B2、B3點(diǎn)超孔壓的衰減率分別為92%、76%和69%，而C1、C2、C3點(diǎn)超孔壓的衰減率分別為92%、81%和78%。
綜合以上隧道頂部、中部和底部超孔壓隨時(shí)間的變化可知：距離隧道越近，超孔壓受盾構(gòu)施工的影響就越大，在隧道周邊位置，均會(huì)出現(xiàn)兩次極值，分別在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)和盾尾脫出的時(shí)刻（分別定義為第一極值、第二極值），且第一極值明顯大于第二極值。說(shuō)明掌子面推力對(duì)隧道附近土體超孔壓的影響比注漿的影響大；隨著距離的增大，雖仍會(huì)出現(xiàn)兩次極值，但兩極值的差異不明顯，甚至出現(xiàn)第二極值大于第一極值的情況，此現(xiàn)象的出現(xiàn)為超孔壓的累積效應(yīng)；隨著距離的進(jìn)一步加大，如大于1D的位置，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的超孔壓不明顯，超孔壓的變化與盾構(gòu)施工過(guò)程并無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。
3結(jié)論
（1）計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本符合，說(shuō)明本文的模擬方法可靠，可用于計(jì)算盾構(gòu)隧道施工引起的周邊土體超孔壓。
（2）隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，隧道周邊土體超孔壓逐漸增大，在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)和盾尾脫出注漿時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩次極值，隧道附近超孔壓隨施工過(guò)程的變化非常明顯，第一極值明顯大于第二極值；較遠(yuǎn)處差異不明顯，甚至出現(xiàn)第二極值大于第一極值的情況；隨著距離的進(jìn)一步加大，如大于1D的位置，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的超孔壓不明顯，超孔壓的變化與盾構(gòu)施工過(guò)程并無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。
（3）盾構(gòu)機(jī)離開(kāi)后，超孔壓會(huì)緩慢消散，消散所需時(shí)間較長(zhǎng)，在軟土層中125d后隧道四周超孔壓的衰減率約為92%。
