深埋软硬互层地质的长距离隧道TBM施工方法

赵维东

（中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆833300）

0 引言

随着公路和铁路隧道建设的发展，隧道的修建难度越来越大，在进行深埋软硬互层地质的长距离隧道施工中，受到弯矩和桩-桩相互作用的影响，导致隧道产生偏差，需要对深埋软硬互层地质的长距离隧道施工技术进行优化设计，避免深埋软硬互层地质的长距离隧道施工产生偏移。在采空区边坡的滑移机理模式下，进行深埋软硬互层地质的长距离隧道施工设计，一般要结合TBM离心加载法，实现隧道周围应力-应变分布特性分析，在有限元强度折减约束控制下，进行深埋软硬互层地质的长距离隧道TBM施工，提高隧道施工的稳定性[1]。

传统方法中，对深埋软硬互层地质的长距离隧道施工技术设计多采用模拟断续节理变形控制方法、潜在滑移区位移控制方法、有限元分析方法和遮拦分析方法等[2,3]。采用现场实测分析方法进行深埋软硬互层地质的长距离隧道施工过程中的桩周土体的变形加载控制设计，提高了桩体的预埋精度，但该方法进行长距离隧道施工过程中的稳态性不好。文献[5]中提出一种基于盾构隧道段联合控制的隧道施工方法，在群桩的桩-桩相互作用影响下，进行隧道开挖的盾构优化控制，但该方法在进行深埋软硬互层地质的长距离隧道施工中的波动变形较大，地基土层基本物理特征的估计精度不高。对此，本文出基于隔离桩盾构隧道开挖技术的深埋软硬互层地质长距离隧道TBM施工方法，实现施工技术优化和指标参数的优化计算，并进行实验测试分析，得出有效性结论。

1 盾构参数优化设计和计算

1.1 长距离隧道TBM施工的盾构参数优化设计

为了实现深埋软硬互层地质的长距离隧道TBM施工的优化设计，构建长距离隧道TBM施工的盾构参数解算模型，本文选取适合实际长距离隧道工程的盾构参数，分析不同盾构参数对地层的影响。本文研究的深埋软硬互层地质的长距离隧道施工现场的基坑平面图和基坑混凝土浇筑度断面图如图1所示。

图1 长距离隧道施工现场的基坑浇筑断面图

根据图1给出的基坑分布图，设定距离隧道施工断面沉降值在4.2 mm～4.3 mm稳定，在每0.25m处设置预埋钢筋，进行隧道施工的盾构参数调节和推进数据分析，平均分布隔离桩位置[4]，得到长距离隧道施工的预埋筋立面图如图2所示。

根据对施工现场的最大沉降断面沉分布，采集推进数据，采用模糊约束控制方法进行长距离隧道TBM施工的盾构参数优化设计，对弯矩、水平位移、轴力等参数进行准确计算[5]，得到长距离隧道TBM施工的盾构模态参量识别模型为

图2 长距离隧道施工的预埋筋立面图

在有限元计算中，根据承压控制的辨识参数模型，得到长距离隧道盾尾空隙分布的特征矩阵R定义为

基于盾构外径与衬砌外径的载荷转移特性，进行长距离隧道施工过程中的机构模型设计，采用ANSYS有限元软件建立模糊约束控制参数模型为

在隧道的衬砌结构中，得到加载力矩的自由边界分布矩阵为

式中：s表示载荷弹性模量分布角度θ的正弦，c表示长距离隧道施工控制中预埋钢筋角度θ的余弦。在连续驱动下长距离隧道施工盾构参数控制的扰动力矩为ω(k)，在6自由度空间模型中，得到局部二阶收敛特性变换矩阵

根据上述分析，构建长距离隧道TBM施工的盾构参数控制模型，分析长距离隧道TBM施工的盾构辨识参数为mj(j=1,2,…m)∀mj∈M，建立起相应的Newton迭代格式，提高深埋软硬互层地质条件下长距离隧道施工的参数稳态性。

1.2 施工关键参量计算

在进行深埋软硬互层地质的长距离隧道TBM施工中，需要进行长距离隧道施工的关键参量计算，对弯矩、水平位移、轴力等参数进行准确计算，针对深埋软硬互层地质土体的各向异性和复杂边界条件进行长距离隧道施工过程中的地基土层基本物理力学指标优化设计，采用压力学控制方法，对长距离隧道盾尾施工的非线性模型问题转化为线性问题[6]，得到结构分布和相关参数模型为

采取有效的措施进行调控对于水资源可持续利用具有重要意义。通常采取以下两种措施：第一，增加供水，满足用水需求，实现供需平衡；第二，减少需水，抑制需求，缓解供需矛盾。随着经济社会发展和人口增长，用水需求日益增加，造成供水不足，进而使供需矛盾尖锐，最终发展为经济社会干旱。

引入有限元自适应调整方法，得到隧道方向的中间横截面为驱动方程为忽略不同工况之间的动力学差异性的动态特性影响，得到隧道开挖过程中对群桩的动态特征分布函数为

采用垂直约束方法构建长距离隧道施工的加载力/力矩联合控制项为{Wfinal}，盾构隧道分步开挖控制器参数特征量为

根据上述设计，得到弯矩、水平位移、轴力等关键参数的计算结果描述为

对上述计算的参数进行信息融合处理，为实现深埋软硬互层地质的长距离隧道施工控制提供数据输入基础。

2 施工优化控制

2.1 地基土层基本物理力学指标及基桩优化优化设计

在上述进行长距离隧道TBM施工的盾构参数优化设计，对弯矩、水平位移、轴力等参数进行准确计算的基础上，进行施工方法的优化设计[7]，隧道开挖对群桩弯矩影响的Lyapunov函数为

对Lyapunov函数求导：

根据隧道由远及近侧的趋于稳定性原理[8]，隧道开挖对群桩弯矩的稳态误差补偿项为

当ϑ=±90°时，隧道掘进过程中的桩体弯矩动态转动惯量qi(t)为

其中0＜t＜1，随着盾构推进，得到驱动力学模型方程为

图3 施工的基桩优化设计模型

2.2 隔离桩盾构隧道开挖施工优化控制

由于隧道掘进过程中的桩体弯矩动态变化，得到隔离桩盾构隧道开挖陡峭程度为一个1×k维向量为D，得到根桩的弯矩模式为

在桩身中间(隧道开挖平面位置)水平方向，隔离桩的载荷延迟共轭为

其中

在桩底变形的限制下，不同工况轴力差异特征统计量为

已知a(t)≥| |s(t)，表示a(t)在载荷的平坦系数，针对深埋软硬互层地质土体的各向异性和复杂边界条件进行长距离隧道施工过程中的地基土层基本物理力学指标，使得输出荷载信息与期望最小，实现隔离桩盾构隧道开挖施工优化设计。

3 实验测试

在实际的施工场景中分析本文设计的隔离桩盾构隧道开挖施工方法的性能，隧道开挖端的横截面为23.4m,隔离桩沿地层埋深(即y向)取36m，最大负弯矩从55 kN·m，隧道盾构施工的断面图如图4所示。

图4 隧道盾构施工的断面图

采用模糊约束控制方法进行长距离隧道TBM施工的盾构参数优化设计，对关键参数进行优化设计，设计隧道的盾构掘进结构参数见表1。

根据上述参数设定，进行长距离隧道TBM施工，测试不同工况下的地基土层基本物理参数，得到弯矩测试结果如图5所示。

表1 隧道的盾构掘进结构参数

图5 施工参数测试分析

分析上述测试结果得知，不同工况的弯矩差异性较小，说明采用该方法进行深埋软硬互层地质的长距离隧道施工的弯矩控制性能较好，水平位移和沉降的效能较好，提高了深埋软硬互层地质的长距离隧道施工的质量。

4 结束语

在进行深埋软硬互层地质的长距离隧道施工中，受到弯矩和桩-桩相互作用的影响，导致隧道产生偏差，需要对深埋软硬互层地质的长距离隧道施工技术进行优化设计。本文基于隔离桩盾构隧道开挖技术的深埋软硬互层地质长距离隧道TBM施工方法，根据对施工现场的最大沉降断面沉分布，采集推进数据，采用压力学控制方法，对长距离隧道盾尾施工的非线性模型问题转化为线性问题进行长距离隧道施工过程中的地基土层基本物理力学指标优化设计，实现了隔离桩盾构隧道开挖施工优化设计。研究得知，采用本文方法进行深埋软硬互层地质的长距离隧道施工的弯矩控制性能较好，水平位移和沉降的效能较好，提高了深埋软硬互层地质的长距离隧道施工的质量，具有很好的应用价值。