1 引 言
近年来，我国已建或在建的大规模盾构隧道数量不断增长，隧道埋深和断面不断增大,穿越地层越来越复杂，用途也越来越多元化。随着经济与科技水平的不断提升，盾构法技术在我国也越发成熟，但在实际工程中，盾构掘进轴线往往很难保持理想状态，受多种因素影响，盾构姿态会出现沿隧道洞周各个方向偏移的情况，隧道施工质量很难得到保证，同时会产生附加土压力，严重时将导致管片结构出现错台、破损等，不利于盾构隧道结构的安全稳定。
针对盾构姿态偏移问题，国内外专家进行了诸多研究，Sugimoto等采用地层弹簧模型构建了盾构机与地层之间的相互关系，分析了盾构周边土压力对盾构机掘进姿态的影响，建立了盾构姿态调整的荷载模型，研究结果表明，盾构机的运动状态主要受千斤顶推力、掌子面反力、土体摩擦力、地基承载 力等因素的影响。谈小龙等采用Sugimoto教授开 发的3DSSPC计算程序，并结合实际工程参数对盾 构姿态偏移进行了预测，探明了盾构姿态调整控制 行为与运动响应之间的滞后效应。杨霞针对盾构 超挖面积、刀盘转动力矩、盾体摩擦、盾尾间隙受力 及地层作用等因素，建立了盾构姿态控制模型，提出 了一种可用于盾构掘进轨迹跟踪的计算方法。金 慧基于盾构施工过程中的实时监测数据及盾构运 动轨迹方程，通过分析盾构姿态偏移与周边地层的 相互作用关系，探究了机-土作用关系，并基于弹性 半空间理论建立了盾构姿态偏移与地层变形的计算 方法。酒井邦登等在盾构姿态的预测和控制中引 入了卡尔曼滤波，建立了盾构运动质心与盾构运动 之间的几何关系，通过相关性分析，发现盾构姿态控制与地层的基本参数有一定的联系，建立的回归模 型可用于盾构掘进姿态预测。高兵根据盾构施 工过程中姿态变化的特点，通过建立神经网络，将工 程地质参数、盾构掘进数据及盾构姿态改变数据等 输入到神经网络分析模型中，利用神经网络进行系 统知识识别和学习，并将训练后的神经网络专家系 统用于对盾构姿态的预测。万雨双针对富水砂层 小半径盾构隧道姿态控制问题，从盾构掘进时的盾 构推力、刀盘扭矩、掘进速度、盾尾注浆等因素考虑， 分析了各个参数与盾构姿态偏移的相关性，提出了盾 构姿态控制及纠偏的措施。综上所述，目前有关盾构 姿态偏移的研究大多针对诱发因素、地层变形、偏移 预测及纠偏措施等方面，关于盾构姿态偏移作用下隧 道荷载变化的研究较少，特别是针对隧道荷载变化影 响因素的敏感性研究鲜有报道。
鉴于此，本文考虑盾构姿态偏移作用，开展软土地层隧道附加土压力影响因素研究，通过对不同影响因素进行参数化分析，得到不同影响因素下隧道附加土压力的变化规律，探明各影响因素对隧道附加土压力变化的影响程度。
2 工程概况
江阴靖江长江隧道采用盾构法穿越长江，越江段隧道长约6.4km，水域段穿越地层主要为粉细砂及中粗砂层，陆域段主要穿越粉质黏土层，局部穿越淤泥质软弱土层等，如图1所示。隧道开挖直径为16.09 m，管片外径为15.5m，管片厚0.65m，环宽2m，管片采用“9+1”分块方式，采用通用楔形环方式，错缝拼装，斜螺栓连接，混凝土强度等级为C60，隧道横断面结构如图2所示。
图1 隧道纵断面示意
图2 隧道横断面示意
3 盾构姿态实测分析
江阴靖江长江隧道左、右线盾构机全长165m，重约4300 t，配备了智能化导向、智能化地质超前预报、刀具磨损光纤监测、盾尾间隙自动测量、管片上浮及收敛自动监测、高精度有害气体监测、同步双液注浆等多个智能化系统，保证盾构隧道施工“可视、可测、可控、可达”。其中，左线盾构前盾L1、中盾L2、尾盾L3的长度分别为4680mm、4750mm、5 020 mm；右线盾构前盾L1、中盾L2、尾盾L3的长度分别为3925mm、5280mm、4945mm，盾构设备及测点位置如图3所示。
图3 盾构设备及测量位置示意
在实际工程中，受多种因素的影响,盾构姿态容易发生偏移，管片在盾尾进行脱环时，由于盾构姿态的偏转使得沿隧道环向盾尾间隙产生不均匀分布，进而造成地层应力二次释放路径及注浆层刚度沿隧道环向产生不均匀分布，如图4所示。因此，结合江阴靖江隧道工程对盾构姿态实测数据进行统计，并分析不同工程段引发姿态偏移的原因。
图4 管片偏移示意
3.1 左线盾构姿态偏差分析
以中盾姿态偏移为例，左线中盾姿态偏移时程变化曲线如图5所示。盾构水平偏移除了受注浆压力、掌子面地层左右软硬不均等影响外，往往还受隧道开挖水平轴线变化的影响。由图5可知，在第128~400环间，中盾姿态偏移变化波动明显，但整体呈现出向右偏移（偏移量为负）的现象。在第400~ 500环时，处于隧道水平轴线转弯处，随着盾构向左调整开挖姿态，相对之前盾构偏移趋势，中盾呈现出向左偏移（偏移量为正）的趋势。在第500环以后，隧道轴线整体为水平段，但中盾姿态仍波动较显著，主要是受到前盾姿态调整过程中铰接千斤顶反力、注浆压力及地层浮力等因素的影响。随着盾构逐渐向上掘进，中盾受到注浆压力及地层浮力的影响逐渐减小，其姿态偏移量也逐渐减小。
图5 左线中盾姿态偏移时程变化
对于中盾竖直偏移情况，在初始的第128~289环间，盾构机主要处于粉质黏土层中。在第289环附近，盾构前方开挖土层由全断面粉质黏土逐渐过渡到粉质黏土与粉细砂的复合地层，上方粉质黏土掘削速度较快，且由于受到后方管片拼装姿态及铰接千斤顶反推力的影响，中盾开始出现向上偏移。 随着盾构的继续推进，中盾姿态在第289~500环间 基本未偏移，在第500~700环间呈现出向上偏移的 状态。由于施工因素的影响，盾构在第700~800环 间的盾构姿态偏移数据未能获取。当盾构穿越江底 时，盾构姿态偏移数据出现明显的波动。在第800~ 950环间，此时盾构机刚入江且线路仍为下坡段，加 之前方掌子面上层为粉细砂，下层为对盾构贯入阻 力较大的中粗砂，且中盾受铰接千斤顶反推力及地 下水浮力作用，中盾姿态明显向上偏移。随着盾构 的继续掘进，整体姿态虽然仍有偏移，但变化幅度逐 渐得到控制。在第1200~1380环时，由于盾构开挖 下卧层由中粗砂层逐渐变为粉质黏土层，盾构姿态 整体呈现向下偏移趋势，随后前盾进入粉细砂均一 地层，中盾姿态偏移开始逐渐变小。
为了进一步分析姿态偏移所造成的影响，统计左线盾构开挖过程中盾构姿态偏移量的分布情况，如图6所示。图6中，横轴表示不同姿态偏移量，竖轴表示当前偏移量统计数量占总统计次数的比例。由图6可见，中盾姿态向左偏移量的最大值约为45mm，向右偏移量的最大值约为-35mm，向左偏移概率约占64.4%，向右偏移概率约占35.6%。中盾姿态向下偏移量最大值约为-50mm，向上偏移量最大值约为45 mm，向下偏移概率约占28%，向上偏移概率约占72%。
图6 左线中盾姿态偏移量统计
3.2 右线盾构姿态偏差分析
右线中盾姿态偏移时程变化曲线如图7所示。由图7可见，在第500~700环时，盾构由于水平向右开挖，中盾的姿态偏移方向也为向右偏移（偏移量为负）。随着盾构不断推进，偏移姿态有所调整，逐渐恢复到隧道水平轴线附近。在第650环附近时，由于隧道平面线路出现向左的转弯点，盾构姿态开始向左发生明显的偏移。与左线变化趋势相似，当盾构进入江底之后，由于受到地下水的影响，盾构姿态在掘进过程中出现大幅度的波动，但整体呈现向左偏移（偏移量为正）的趋势。
图7 右线中盾姿态偏移时程变化
对于中盾竖直偏移情况，在第500~1000环时，由于隧道开挖轴线坡度较大，在姿态调整时，中盾姿态呈现较大的波动。在第770~1000环时，盾构刚进入江底，由于受到江底较大浮力的作用，中盾姿态整体呈现出向上偏移的现象。随着隧道轴线走向不断向下，受到的地下水浮力影响逐渐增大，盾构姿态向上偏移逐渐增大。在第1000环左右时，线路坡度 出现转折，开始由较大坡度过渡到较平缓区段，盾构 到达江底时，线路走向基本为水平状态，盾构竖直偏 移姿态逐渐得到控制。在第1250~1650环时，隧道 位于江底，盾构姿态控制难度增大，中盾姿态偏移 量开始出现交替性上下波动现象。当盾构掘进至 第1650环附近时，隧道轴线走向开始出现抬升趋 势，由于受到后方管片及铰接推进千斤顶反推力的 作用，中盾姿态呈现较明显的波动现象，但整体呈现 向上偏移的趋势。在第2000~2430环时，盾构进入 粉质黏土地层中，中盾姿态开始呈现出整体向下偏 移的现象。在第2430环之后，盾构进入到粉砂地层 中，中盾姿态呈现整体向上偏移的现象。
统计右线盾构开挖过程中盾姿态偏移量的分布情况如图8所示。由图8可知，中盾姿态向左偏移量最大值约为30mm，向右偏移量最大值约为-35mm，向左偏移概率约占64.4%，向右偏移概率约占35.6%。中盾姿态向下偏移量最大值约为-50mm，向上偏移量最大值约为50mm，向下偏移概率约占46.9%，向上偏移概率约占53.1%。
图8 右线中盾姿态偏移量统计
4 数值模型与参数
4.1 数值模型建立
对依托工程进行简化，仅考虑砂土和黏土两种均一地层，采用FLAC3D软件建立三维数值模型，如图9所示。模拟计算主要针对不同的地层与结构间的相互变形关系进行分析，故在沿隧道轴线方向仅取单环管片长度。为了充分消除地层边界对计算的影响，模型Z方向尺寸沿隧道埋深方向底部取约8倍洞径，顶部取隧道埋深范围，模型X方向左右尺寸分别取约20倍洞径。由于姿态偏移相对隧道开挖对地层的影响属于小变形情况，为了更好地考虑土体应力变化路径，地层单元本构类型选择修正剑桥模型。
图9 隧道结构整体模型
在进行隧道核心分析区域建模时，一般采用精细化网格划分方法。为较好地研究盾构偏移角度在模型中的反映，将模型沿隧道环向平均划分为96个网格，每个网格的角度皆相同，通过识别每个边界网格的角度位置，将姿态偏移沿洞周各点的偏移分量按指定计算时长转化为节点等效速度，然后施加到边界网格节点上，以此调整刀盘开挖边界与盾尾通过边界的相对位置关系。管片与地层间的注浆层结构采用实体单元模拟，管片结构则采用liner单元模拟。盾构隧道局部模型如图10所示。
图10 隧道结构局部模型
4.2 数值模型参数
在进行模型分析时，考虑隧道各结构尺寸参数，见表1。在进行地层与结构参数取值时，地层参数与盾壳、管片衬砌、注浆层结构力学参数取值分别见表2、表3。
表1 隧道结构尺寸参数
表2 地层参数
表3 盾构结构力学参数
4.3 计算工况及流程
在进行盾构姿态偏移引起的隧道附加土压力影响因素敏感性分析时，分别针对砂土及黏土两种土层性质设置了6组工况，每组工况下分别设置不同的埋深、洞径及偏移量分析工况（表4），且在计算时皆考虑了不同偏移角度的影响，0°代表水平方向向右偏移，90°及-90°分别代表竖直方向向上、向下偏移。基础参数中，隧道洞径D=16m、偏移量Δ1 =5cm、隧道埋深H/D= 3，当上述某一参数作为变量分析时，其余参数保持不变。
表4 计算工况
模型求解计算采用分布求解平衡，通过逐级控制并调整模型各结构边界的变形释放路径，以实现对盾构姿态偏移所造成的地层影响分析模拟计算，如图11所示。模型中实现盾构姿态偏移模拟求解计算的流程如下：
（1）提取刀盘开挖边界原始节点坐标值并存取，进行初始地应力平衡后，通过不断赋予原始洞周指定节点位置坐标，以此调整洞周初始开挖边界位置，直至模型计算基本达到稳定。
（2）根据指定偏移量及偏移角度，对偏移量进行水平及竖直方向分解，按照刀盘开挖边界上对应节点位置施加偏移量分量，固定调整后的开挖边界，调整计算精度直至模型达到平衡。
（3）计算调整后的刀盘开挖边界位置与盾尾边界各节点之间的距离，通过指定计算时间步长及时间步大小控制计算时长，并施加节点的水平及竖直变形速度，直至求解平衡，提取盾尾内边界洞周不平衡接触作用力。
（4）施加注浆层结构，固定注浆层内边界，调整计算精度求解至平衡。
（5）施加管片衬砌结构，调整计算精度求解至平衡，提取管片外边界不平衡接触作用力。
图11 数值计算求解流程
5 影响因素分析
为更直观反映盾构姿态偏移所导致的隧道周边荷载变化，以隧道附加土压力变化百分比λp定义姿态偏移所产生的隧道周边荷载变化，表示为：
λp= (pθ1- pθ0)/pθ0× 100% （1）
式中：pθ1为发生姿态偏移后的隧道土压力；pθ0为未发生偏移时的隧道土压力。
5.1 地层性质影响分析
在进行地层性质因素分析时，隧道埋深取H/D = 3，开挖洞径D= 16m，同时盾构姿态偏移量控制Δ1 = 5cm不变，选取典型的盾构姿态偏移角度进行分析，不同地层下盾构姿态偏移所导致的隧道附加土压力变化对比如图12所示。由图12可知，在不同地层条件下，随着盾体偏移角度的变化，隧道附加土压力变化百分比均发生改变，任意角度下隧道附加土压力变化百分比在盾体偏移一侧为正值，在盾体偏移对侧为负值，即盾体偏移会导致偏移方向一侧的隧道土压力荷载增大，对侧土压力荷载减小；砂土地层中盾构姿态偏移所导致的隧道附加土压力变化相对黏土地层更大，且随着偏移角度的变化，其附加土压力变化也更明显。
图12 不同地层下隧洞附加土压力变化比分布
不同偏移角度下的隧道附加土压力变化比极值曲线如图13所示。可知在-90°~90°范围内，随着偏移角度的变化，黏土地层中隧道附加土压力变化百分比极值整体基本一致，均在2%左右；砂土地层中隧道附加土压力变化比极值先增大后减小，在偏移角度为-90°和90°时，附加土压力变化比极值分别为5.62%、5.59%；在偏移角度为0°时，附加土压力变化比极值最大，为14.06%，表明在当前埋深条件下，对于砂土地层，盾体竖直向上与向下偏移对隧道附加土压力的影响几乎相同，水平方向偏移对隧道附加土压力影响程度最大；对于黏土地层，盾体偏移角度的变化对隧道附加土压力的影响无明显差异。
图13 不同偏移角度下隧道附加土压力变化比极值曲线
将砂土地层中的附加土压力变化比极值与黏土地层中的变化比极值进行对比，其相对影响程度定义为（砂土地层变化极值－黏土地层变化极值）/黏土地层变化极值，不同地层条件下附加土压力相对影响程度曲线如图14所示。由图14可见，在-90°~ 90°范围内，随着偏移角度的改变，砂土地层相较于黏土地层的相对影响程度先增加后减小，在竖直方向上相对影响程度较小，在水平方向上影响程度较大；盾体偏移角度为-90°、0°及90°时，砂土地层中姿态偏移所产生的影响程度分别是黏土地层中的199.47%、636.08%、162.04%。
图14 不同地层条件下隧道附加土压力相对影响程度曲线
5.2 隧道埋深影响分析
将发生姿态偏移后的隧道土压力与未偏移状态下的进行对比，得到不同埋深下的隧道附加土压力变化比极值，如图15所示。由图15可见，随着隧道埋深的增加，砂土地层中，不同偏移方向下隧道附加土压力变化比极值基本不随隧道埋深改变，偏移角度为90°时，隧道附加土压力变化比极值最大，偏移角度为-90°时次之，偏移角度为0°时最小；黏土地层中，不同偏移方向下隧道附加土压力变化比极值均随埋深的增大呈增加趋势，偏移角度为-90°时，隧道附加土压力变化比极值最大，偏移角度为0°时次之，偏移角度为90°时最小。
图15 不同埋深下隧道附加土压力变化值极值曲线
隧道不同位置实际埋深不同，所处的初始应力水平也有所差异，为了进一步分析埋深对隧道附加土压力变化的影响，计算不同埋深时隧道附加土压 力变化比极值，如图16所示。由图16可见，随着埋 深的增加，砂土地层中，隧道附加土压力变化比极值 呈较小趋势，偏移角度为0°时，姿态偏移对隧道附 加土压力影响较大，偏移角度为90°和-90°时影响程 度相对较小，但偏移角度为90°时，对隧道附加土压 力的影响程度相对于-90°时较大，且随着埋深的增 大，不同偏移角度下隧道附加土压力变化比极值差 异逐渐减小；黏土地层中，隧道附加土压力变化比极 值规律与砂土地层相似，但隧道附加土压力变化比 均较小；砂土地层和黏土地层中，隧道附加土压力变 化比极值曲线斜率均随着埋深的增加逐渐减小，表 明随着隧道埋深的增加，隧道附加土压力对埋深变 化的敏感性逐渐降低。
图16 不同埋深下隧道附加土压力变化比极值曲线
5.3 姿态偏移量影响分析
不同姿态偏移量下隧道附加土压力变化比极值如图17所示。由图17可见，砂土地层和黏土地层中，随着盾构姿态偏移量的增大，不同偏移角度下隧道附加土压力变化比极值均呈增大趋势；砂土地层中，偏移角度为0°时，隧道附加土压力变化比极值最大，偏移角度为90°时次之，偏移角度为-90°时最小，且偏移量较小时不同偏移角度下附加土压力变 化比极值差距较小，偏移量较大时差距较大，即随着 偏移量的增大，不同偏移角度下的隧道附加土压力 变化比极值差异也越显著；黏土地层中，相同偏移角 度下的隧道附加土压力变化比极值均小于砂土地 层，偏移量在1~5cm时，随着偏移量的增大，不同偏 移角度下隧道附加土压力变化比极值差异较小，而 偏移量在5~10cm时，随着偏移量的增大，不同偏移 角度下隧道附加土压力变化比极值差异逐渐增大， 此时偏移角度为0°时，隧道附加土压力变化比极值 最大，偏移角度为-90°时次之，偏移角度为90°时最 小；砂土地层和黏土地层中，隧道附加土压力变化比 极值曲线斜率基本不变，表明隧道附加土压力对姿 态偏移量变化的敏感性不随其量值大小而改变。
图17 不同偏移量下隧道附加土压力变化比极值曲线
5.4 隧道洞径影响分析
不同隧道洞径下隧道附加土压力变化比极值如图18所示。由图18可见，随着隧道洞径的增大，砂地层土和黏土地层中，隧道附加土压力变化比极值均呈减小趋势，洞径对隧道附加土压力变化的影响程度逐渐降低；砂土地层中，偏移角度为0°时，隧道附加土压力变化比极值最大，偏移角度为90°和-90°时，隧道附加土压力变化比极值基本相同，且随着洞径的增大，不同偏移角度下的隧道附加土压力变化比极值差异逐渐减小；黏土地层中，不同偏移角度下隧道附加土压力变化比极值差异较小，在相同隧道洞径下，隧道附加土压力变化比极值均明显小于砂土地层；砂土地层和黏土地层中，隧道附加土压力变化比极值曲线斜率随着洞径的增大逐渐减小，表明随着隧道洞径的增大，隧道附加土压力对洞径变化的敏感性逐渐降低。
图18 不同洞径下隧道附加土压力变化比极值曲线
6 结论与建议
本文针对软土地层盾构姿态偏移问题，通过建立数值模型开展了盾构隧道附加土压力影响因素研究，探明了不同地层条件、不同隧道埋深、不同姿态偏移量及不同隧道洞径等因素下隧道附加土压力的变化规律，通过参数化分析得到了不同影响因素对隧道附加土压力的影响程度，主要结论如下：
（1）任意角度下盾体偏移会导致偏移方向一侧的隧道土压力增大，对侧土压力减小；砂土地层中盾构姿态偏移引起的隧道附加土压力相对黏土地层较大，盾体偏移角度为-90°、0°及90°时，砂土地层中姿态偏移对隧道附加土压力产生的影响程度分别是黏土地层中的199.47%、636.08%、162.04%。
（2）随着埋深的增加，砂土地层和黏土地层中隧道附加土压力变化比极值均呈减小趋势，埋深对隧道附加土压力变化的影响程度逐渐降低，且随着埋深的增加，隧道附加土压力对埋深变化的敏感性逐渐降低。
（3）随着盾构姿态偏移量的增大，砂土地层和黏土地层中隧道附加土压力变化比极值均呈增大趋势，姿态偏移对隧道附加土压力变化的影响程度逐渐增加，且随着姿态偏移量的增加，隧道附加土压力对姿态偏移量变化的敏感性基本保持不变。
（4）随着隧道洞径的增大，砂土地层和黏土地层中隧道附加土压力变化比极值均呈减小趋势，洞径对隧道附加土压力变化的影响程度逐渐降低，且随着隧道洞径的增大，隧道附加土压力对洞径变化的敏感性逐渐降低。
（5）本文建立的盾构姿态偏移数值模型未考虑地下水、掘进参数等影响，计算结果与实际值仍有一定偏差，且该影响因素分析主要针对软土地层隧道，建议后续研究可以针对以上问题进行更加深入的分析。
摘自《现代隧道技术》