《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Steady-state and transient pressure conditions around the EPB-TBM: Numerical modelling based on experimental data
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本文针对加压隧道掘进机（EPB-TBM）施工中，压力边界条件的偶然瞬态变化对周围土体及邻近桩基响应的影响这一复杂问题，开展了基于TULIP项目实验数据的三维数值模拟研究。研究建立了精细的数值模型，成功模拟了稳态和瞬态压力条件下土体沉降及桩基力学行为，揭示了瞬态压力波动（如前仓压力骤降）可导致桩基沉降突增（占最终沉降的30%–40%）并引发负摩阻力，对隧道工程邻近结构风险评估与安全控制具有重要意义。
随着城市地下空间的密集开发，利用隧道掘进机（Tunnel Boring Machine, TBM）进行隧道施工变得越来越普遍。其中，土压平衡盾构机（Earth Pressure Balance TBM, EPB-TBM）因其在软土条件下的良好适应性而被广泛应用。然而，隧道开挖不可避免地会扰动周围土体，导致地表和地层深处发生位移，若隧道邻近建筑物桩基等深基础，这种扰动可能对结构安全构成威胁。准确预测隧道施工对周围环境的影响，尤其是在复杂地质条件和动态施工过程下，一直是隧道工程领域的重大挑战。在实际施工中，EPB-TBM的操作压力（如掌子面压力、盾壳周围压力、注浆压力）并非恒定不变，而是会因机器停机、维护、地层变化等因素发生偶然的、高幅值的波动（即瞬态压力条件）。传统的数值模型大多简化假设压力处于稳态条件，忽略了这些瞬态波动的影响，可能导致对土体变形和邻近桩基响应预测的不准确。为了深入理解瞬态压力条件的影响机制，并建立能够准确模拟这一复杂过程的数值模型，需要详尽的现场实验数据作为验证基础。
为此，研究人员基于法国大巴黎快线（Grand Paris Express）项目框架下的TULIP（TUnneling and LIfe of Piles）全尺寸实验项目所获取的丰富数据，开展了一项结合实验与数值模拟的深入研究。该研究旨在探究EPB-TBM周围稳态和瞬态压力条件对周围土体（包括地表和地层深处）及邻近单桩力学响应的影响。相关研究成果发表在《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》期刊上。
为开展研究，作者团队主要采用了以下几项关键技术方法：首先，基于TULIP项目现场实测数据（包括EPB-TBM操作参数、土体表面和内部位移、桩身内力等），构建了精细的三维有限差分数值模型（使用FLAC3D软件）。其次，采用塑性硬化（Plastic Hardening, PH）模型来模拟土体的非线性力学行为，并基于现场和室内试验数据校准模型参数。第三，详细模拟了EPB-TBM的掘进过程，包括盾构机壳体（采用衬砌单元模拟）、掌子面压力、盾壳压力以及尾部注浆压力等边界条件的施加，特别是引入了模拟盾壳与土体间渐进接触的算法。最后，对邻近隧道轴线的单桩（P1）进行了精细化建模，考虑了桩-土界面行为，并利用实验数据对模型在稳态和瞬态压力条件下的响应进行了全面验证。
4. 稳态压力条件下的土体力学行为
4.1. 地表位移
研究人员首先验证了模型在稳态压力条件下模拟土体位移的能力。对于纵向地表沉降，数值模拟结果与现场监测数据（如SMR测线）吻合良好，成功再现了隧道掌子面前方沉降微小、后方沉降逐渐增大并最终趋于稳定的变化规律。在横向地表沉降方面，数值模型计算出的沉降槽呈典型的高斯分布形态，最大沉降发生在隧道轴线正上方，且随着隧道掘进，沉降量和影响范围逐渐增大，与实验观测结果一致。此外，模型还准确捕捉了地表横向水平位移的收敛模式，即隧道两侧土体向轴线方向移动，位移量在距轴线一定距离处达到最大。
4.2. 地层内部位移
研究不仅关注地表位移，还深入分析了地层内部的位移场。通过对比多点位移计（E1, E2）的测量数据，数值模型成功地模拟了从地表至隧道拱顶范围内相对均匀的沉降分布，以及隧道底板以下沉降逐渐减小的趋势。对于地层内部的水平位移，通过对比测斜仪（I1, I3）的数据，模型再现了土体向隧道轴线方向的收敛现象，且收敛量在隧道拱顶至底板区间内最为显著。这些对比验证了模型能够较为真实地反映隧道开挖引起的三维土体位移场，而不仅仅是最终地表沉降。
5. 瞬态压力条件下的土体力学行为
5.1. 掌子面压力损失
文章重点分析了一个掌子面压力骤降的瞬态事件。当EPB-TBM的操作记录显示掌子面压力意外降低约35%时，地表沉降监测点（如SMRL 19）观测到沉降突然加速增加，此次突增的沉降量约占该点最终总沉降的30%。数值模拟中，通过相应降低施加在掌子面的有效压力，模型也再现了这种沉降突增现象，尽管在量值上略低于实测值。这表明，即使短暂的掌子面压力不足也会显著加剧土体变形，在设计和施工中需予以高度重视。
5.2. 注浆压力增加
另一个分析的瞬态事件是注浆压力异常升高。当注浆泵压力出现峰值时，靠近隧道拱顶的地层深处监测点（如E4最深点）记录到了明显的土体回弹（隆起）。数值模拟在相应环的注浆压力阶段施加了高压，结果也显示隧道周围土体出现轻微抬升。这揭示了过高的注浆压力可能对地层产生“顶升”效应，虽然这种效应随着距离隧道变远而迅速衰减，但仍可能对邻近浅基础或管线造成不利影响。
6. 瞬态压力条件下的桩基力学行为
6.1. 桩顶沉降与桩身轴力
研究聚焦于位于隧道正上方的单桩P1。在稳态掘进条件下，数值模型较好地模拟了桩顶随着TBM掘进而逐渐沉降的过程。当模拟到上述掌子面压力损失事件时，桩顶沉降曲线出现了一个明显的陡增阶段，与现场监测到的桩身响应趋势一致。这表明瞬态压力波动对桩基变形有直接影响。
6.2. 桩侧摩阻力
通过分析桩身传感器数据，研究发现隧道开挖后，桩身不同深度的侧摩阻力发生了重分布。在桩身上部，摩阻力有所增加；而在桩身下部，特别是靠近隧道的位置，摩阻力显著减小甚至变为负值（即负摩阻力）。数值模拟在引入了瞬态压力条件后，在一定程度上再现了这种负摩阻力的发展，虽然数值上小于实测值。负摩阻力的出现意味着桩周土体的沉降大于桩身沉降，从而对桩身产生向下的拖曳力，增加了桩的负荷，是隧道邻近桩基安全评估的关键因素。
结论与意义
本研究通过将三维数值模型与TULIP项目详尽的现场实验数据相结合，系统揭示了EPB-TBM施工过程中，不仅稳态压力条件，偶然发生的瞬态压力波动对周围土体及邻近桩基的力学响应同样具有显著影响。研究发现，掌子面压力的短暂损失可导致桩基沉降突然增加，占总沉降的相当大比例；而注浆压力的异常升高则可能引起隧道周围土体暂时性隆起。更重要的是，隧道开挖会改变桩-土相互作用，导致桩侧摩阻力重分布，并在桩下部可能产生负摩阻力，增加桩的附加荷载。
该研究的重要意义在于：首先，它强调了在隧道工程数值模拟和风险评估中，考虑瞬态压力条件的必要性，超越传统的稳态假设。其次，研究建立并验证了一套基于详细实验数据的、能够同时模拟地表和地层内部位移、以及土-结构相互作用的精细化数值建模方法。该方法通过严格依据现场观测数据来约束TBM压力边界条件等关键参数，提高了模型的可靠性和预测能力。最后，研究成果为更准确地评估隧道施工对邻近桩基等敏感结构的影响提供了科学依据和技术支持，对优化隧道工程设计、指导施工控制、保障城市地下工程安全具有重要的理论和实践价值。尽管模型在模拟某些复杂现象（如注浆硬化过程、孔隙水压力变化）时仍存在简化，但其为理解和预测隧道掘进过程中的复杂土-结构相互作用提供了有力的分析工具。
