近年来，盾构工法在城市地铁隧道中得到了广泛的应用[1]．盾构机作为最常用的施工工具之一，具有对城市正常机能影响很小等特点，成为城市隧道建设的主流施工方法．盾构施工作业环境复杂及诸多不可预见性因素，盾构机姿态突变重大安全事故时有发生．盾构姿态的研究主要集中在两方面．一是采用动力学模型开展盾构机掘进时姿态的影响因素研究，探讨姿态纠偏时操作的安全可靠性，如谈小龙等[2]引进盾构机运动力学模型，并应用此模型研究了盾构机行为控制与运动响应之间的滞后效应；陈剑等[3-6]基于盾构掘进过程中的动态受力平衡条件，考虑开挖边界、超挖范围、盾尾空隙、刀盘转动方向、机身横移、盾构顶部土层松动等因素，对复杂地层条件下大直径泥水盾构掘进姿态进行了数值模拟．二是采用现代数学方法对盾构掘进时的姿态建立盾构掘进暗箱模型，进行姿态变化的预测，同时进行盾构掘进参数的优化，提升盾构掘进效能．此外，采用经验拟合法[7]、力学计算法[8]及SUV法[9]对隧道掘进机掘进过程中的一些参数进行预测．张爱军等[10-11]将BP(back propagation)神经网络模型对掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩、油缸总推力等施工参数对盾构隧道轴线偏移量的影响进行研究，得出盾构施工参数对姿态控制的影响及其规律．周诚等[12-13]基于深度学习模型，提出了盾构掘进姿态和位置的预测框架．岳琳辉等[14]则提出一种基于最优组合赋权的EMD-GRU盾构竖向姿态预测方法，所构建的EMD-GRU预测模型具有较高的预测精度和泛化能力．目前国内外研究主要集中于盾构掘进过程中姿态控制与纠偏，而对于受施工扰动甚至盾尾渗漏影响下出现的姿态变化并没有足够重视．本研究针对某地铁安全事故[15]，基于盾构机前期开挖时地表发生过大沉降，判断盾构掘进过程中存在超挖问题且盾构机掘进时可能采用了欠压掘进模式，盾构机拼装管片时，开挖面可能发生局部坍塌引起压力舱内压力突然上升，造成前盾顶部形成空洞，从而前盾失去土体的支撑作用；盾尾密封系统失效渗漏引起大量泥砂进入盾尾内部，从而掏空了盾尾下方土体，削弱了土体的支护作用．最终，导致前盾顶部和尾盾底部都失去了地基约束，致使盾构机发生前仰后俯的姿态突变．为此，建立了盾构机受力分析有限元法(FEM)模型，将盾构机质量分布到前盾、中盾和尾盾上，考虑了盾构机头上部约束范围和盾构机尾下部约束范围的弱化，探讨盾构机姿态变化过程及突变的发生条件．1 工程概况某地铁区间采用2台Φ6 980 mm中交天和土压平衡式盾构机施工，右线全长1 931.976 m，左线全长1 929.702 m，两线路净距最小为7.4 m，最大线路纵坡为27‰．塌陷区位于交通干道季华西路，临近澳边涌，塌陷区的平面状况见图1．10.13245/j.hust.238713.F001图1塌陷区的平面状况示意图塌陷区域地质土层信息见表1，表中：ρ为密度；E为压缩模量；G为变形模量；φ为内摩擦角；c为黏聚力；υ为泊松比．10.13245/j.hust.238713.T001表1土层信息土层ρ/(g∙cm-3)E/MPaG/MPaφ/(°)c/kPaυ人工填土1.780.384.5020.00.30淤泥质土1.730.484.606.54.00.42淤泥质粉土1.652.106.54.50.41粉砂1.805.007.0027.00.30中砂1.8515.0029.00.25该事故段隧道底埋深约30.5 m，由上至下分别为人工填土、淤泥质粉土、淤泥质土、淤泥质粉土、粉砂、中砂、圆砾及强风化泥质砂岩．事发前，右线盾构机的中下部处于中砂和粉砂交界位置．在18：51：45，右线905环第1块管片拼装完成，管片吊机起吊第2块管片时，土仓压力突然上升约43 kPa，即由233 kPa上升至276 kPa．与此同时，盾体后部俯仰角开始增大，盾尾出现下沉，盾尾内刚拼装好的第1块管片(A2块)右侧(约盾尾6点钟位置)附近突发向上冒浆．在19：20，季华西路路面已经开始出现沉陷，路面出现多处裂缝．20：03，盾尾竖向偏差达-460 mm，相对停机时盾尾位置下沉了417.5 mm，此后激光导向系统无法监测到盾尾竖向偏差．20：36，第899环管片环缝4点钟位置泥砂流持续剧烈喷射而出，盾尾方向流出的泥砂流明显加大．此时盾体后部俯仰角已增加至2.7°，推算盾尾相对停机时下沉了约463.5 mm．20：38，盾构机高压电断电，井下监控录像视频信号中断，隧道内仍然有人员在往外逃生，前方不断涌入的浆液将台车一直往外推．20：40，洞内突然涌出的大量泥砂推动盾构机台车向后滑冲700余米，隧道内泥砂流和伴随涌起的气浪将正在向外撤离的部分逃生人员击倒或掩埋，与此同时，地面出现大面积的坍塌．1.3　某地铁安全事故原因分析事故过程中的几个现象值得重视：a．压力舱压力突然上升43 kPa，可能是由开挖面局部坍塌使泥砂涌入压力舱引起的；b．盾尾密封系统出现了大量渗漏，说明盾尾密封系统已经失效；c．盾构机姿态发生了前仰后俯的剧烈变化，说明渗漏已经掏空了盾尾和拼装管片环底部的砂土地基；d．后方台车被涌进隧道的泥砂流滑冲后退700余米．可以看出，盾尾后方拼装管片已经发生了失稳坍塌．目前已知盾尾近0.5 m的幅度显著下沉，这种姿态突变足以对后方拼装管片造成明显的椭圆甚至扭转变形，再加上现象a在前盾顶部产生了一定范围的空洞区域，盾尾刷密封失效引发大量泥沙渗漏进入盾构机内部，进而快速掏空了尾盾底部的地基砂土，导致拼装管片环失稳坍塌．根据事故发生后补勘的地质断面图可知：在隧道下方2~3 m范围内存在强透水圆砾地层，为历史上该地区的古河床，其渗透系数为0.1 cm/s，该地层与岛周边地表水系直接连通，为事故发生时泥砂流的形成提供了源源不断的水源．由此可见，盾构机姿态突变是盾尾管片环失稳坍塌的主要诱因之一．2 盾构机姿态突变数值模拟方法2.1　盾构机姿态FEM模型的建立本工程使用的土压盾体总重约550 t，长约85 m，前盾、中盾和尾盾的质量分别为247.5，113.4和189 t，前盾的质量稍大于尾盾．盾壳总长度为11.0 m．该隧道衬砌设计采用外径6700 mm、内径6 000 mm、厚度350 mm、宽度1500 mm的混凝土管片．混凝土强度等级C50，抗渗等级P12，钢筋采用HPB300和HRB400．采用荷载结构模型，将土体视作地基弹簧，土压力荷载由地基弹簧传递到盾构机上．由于盾构机的质量和刚度远大于管片环，且盾构机姿态突变是主要由盾尾底部土体掏空引起，因此可认为管片环对于盾构机姿态突变的影响很小．建立的盾构机姿态变化计算模型如图2所示．模型中盾构采用钢材弹性材料，弹性模量为2.1×108 Pa，泊松比为0.2；在每一个节点上建立地基弹簧，地基抗力系数为12 MN/m3．实际上，盾尾土体掏空最初在盾尾底部发生并逐渐向上发展，在盾构重力作用下盾尾下部土体受压，盾尾下沉使得位于尾盾水平直径平面以上的地基弹簧受拉．由于地基弹簧设定只受压不受拉，因此地基弹簧的弱化范围只考虑在盾构机水平直径以下，并通过设定较小刚度弹簧来模拟盾壳外周失去周围土体的约束作用．10.13245/j.hust.238713.F002图2盾构机姿态变化计算模型2.2　盾构机姿态变化计算工况的设置为了更好地探讨盾构机姿态的变化发生过程及发生条件，特设定前盾和尾盾各种可能的组合情况．由盾尾刷渗漏和开挖面坍塌引起的地基弹簧弱化范围：尾盾下部地基弹簧弱化范围0.4，0.8，1.2，2.0，2.8，3.6，4.4，5.2，6.0 m，前盾上部地基弹簧弱化范围1.2，2.0，2.8，3.6，4.4 m．前盾和尾盾地基弹簧的弱化是指地基弹簧刚度降低原来的1/10．3 盾构机姿态变化影响因素分析3.1　考虑盾尾刷渗漏引起盾尾底部空洞情况下盾构机姿态变化盾尾刷渗漏会引起大量泥沙涌入隧道内，形成类似于泥石流现象，快速掏空盾尾下部土体，并使盾壳失去地基有力约束而发生快速失稳下沉．在后续盾构姿态变化中不计入盾构自重下的位移，即达到自重平衡后位移清零．盾尾底部0.4~6.0 m范围掏空尾盾构机姿态变化计算的竖向位移云图如图3所示．可以看出：盾构机整体刚度较大，初始阶段盾构机发生线性的倾斜，主要的下沉发生在盾尾，而机头发生了轻微的下沉，主要是盾尾大幅度下沉带动的结果；但随着盾尾下部土体掏空范围进一步扩大，盾尾下沉持续增大，机头开始出现轻微上抬现象，随着盾尾下沉加剧，机头上抬明显．10.13245/j.hust.238713.F003图3盾尾底部0.4~6.0 m范围掏空尾盾构机姿态变化计算的竖向位移云图(色标单位：m)盾尾下沉量(z)盾尾渗漏掏空范围(y)的关系如图4所示．10.13245/j.hust.238713.F004图4盾尾下沉量与盾尾渗漏掏空范围的关系可以看出：盾尾下部掏空范围小于2.8 m时，盾尾下沉表现为较小的线性下沉，下沉幅度小于10 cm；但在盾尾下部掏空范围超过2.8~3.6 m后，盾尾下沉速率呈非线性增大;当盾尾掏空范围达到5.2 m时下沉36.7 cm，当盾尾掏空范围达到6.0 m时下沉接近60 cm，已超过某地铁安全事故盾尾目前已知的下沉位移．3.2　考虑开挖面坍塌盾构机头顶部空洞与盾尾刷渗漏引起盾尾底部空洞下盾构机姿态变化由于考虑前盾顶部空洞和尾盾底部掏空范围排列组合工况过多，因此仅针对开挖面坍塌引起的前盾顶部空洞范围限定在1.2，2.0，2.8，3.6和4.4 m，开展盾尾渗漏引起的姿态变化分析．不同组合工况下盾构机最大下沉量随盾尾下部土体掏空的范围影响变化曲线如图5所示．10.13245/j.hust.238713.F005图5不同组合工况下盾构机最大下沉量随盾尾下部土体掏空的范围影响变化曲线盾尾掏空范围小于2.8 m时各种计算工况下盾构姿态变位情况基本一致，说明盾尾掏空范围起决定性作用．前盾顶部空洞1.2 m，盾尾掏空范围2.8 m时，盾尾下沉量在10 cm左右，但是进入盾尾下沉第二阶段，下沉速率更快，如盾尾掏空范围5.2 m时盾尾下沉量从36.7 cm增加到42.1 cm，这显然是前盾顶部1.2 m范围空洞带来的不利影响．前盾顶部空洞达2.0，2.8，3.6和4.4 m对盾尾第二阶段下沉影响更大．产生以上现象的原因：盾构机前盾质量最大，一般情况下不容易发生抬头，只有当盾尾发生较大掏空和下沉时，才会发生抬头现象．4 盾构机姿态变化探讨4.1　盾构姿态突变临界条件对图5盾尾下沉量与盾尾掏空和前盾顶部空洞范围进行拟合可以得到    z=-13.9+4.58x+13.6y-0.440x2-3.54y2-1.94xy, (1)式中x为前盾顶部掏空范围．盾尾最大容许沉降量为10，20，30，40，46 cm下盾构机姿态突变临界条件如图6所示．该曲线为略微向下弯曲的相关曲线．图中位于该曲线下方的区域被认为是姿态稳定安全的，位于该曲线以上的区域则可能发生姿态突变，是不稳定不安全区域．地质条件各异和盾构工程复杂，对于容许盾尾下沉量须依据地质条件和工程情况进一步探讨．10.13245/j.hust.238713.F006图6不同盾尾最大容许沉降量下盾构机姿态突变临界条件由图6可知：盾尾下沉10 cm时，不考虑前盾顶部空洞的影响下，盾尾底部掏空范围为3.5 m，这与图4中得出盾构姿态突变点在2.8~3.5 的结论一致；而随着前盾顶部空洞范围的增大，盾构机姿态达到突变所需的盾尾底部掏空范围随之减小，当前盾顶部空洞范围增大至6 m时，盾尾底部掏空范围仅1.9 m左右即可达到突变．4.2　盾构姿态突变条件的验证本次塌陷区域测绘结果显示东西向(平行线路方向)塌陷长度约55 m，按以下方法对盾尾掏空范围进行估算：根据盾尾渗漏引起地层坍塌模型试验结果，地层破裂面与水平方向夹角接近于45°，由隧道顶部岩土破裂面向地表延伸，掏空区以盾尾为中心往两侧发展，从而确定出一个倒梯形的塌方区域，隧道底部埋深为30.5 m，盾构机直径为6.98 m，则可以初步推算出盾尾管片坍塌范围为55-2×(30.5-6.98)÷tan45°=7.96 m．事故发生过程中，盾构机已经拼装至905环，当盾尾下沉达到460 mm时第899环管片环缝4点钟位置出现泥砂流持续剧烈喷射而出，说明此时盾尾掏空范围已经达到第899环处，由于905和904环仍在盾构机里，且管片宽度为1.5 m/环，因此盾尾掏空范围至少(903-899+1)×1.5=7.5 m，这与前面假设坍塌区为前述倒梯形算法相符．由于盾构机本身并没有压坍而盾尾管片环压垮失稳破坏，因此盾壳周围的土体只能通过盾尾进入盾构内部，盾尾往开挖面方向的掏空范围明显小于盾尾拼装管片压塌的范围．由图4仅考虑盾尾掏空引起盾尾下沉曲线可知：盾尾下沉速率转折点应该在盾尾掏空范围约3.5 m处，略小于管片坍塌区域的一半，应该也是合理的．4.3　盾构姿态变化的控制措施当盾构姿态正在发生超过容许范围的变化时，可施加以下3种控制措施．a．加强盾尾刷的保护，维持油脂腔压力稳定．经常检查盾尾刷的工作状态，及时清除盾尾空隙中侵入的硬化砂浆，若盾尾刷出现较大程度磨损则须及时更换，并关注油脂压力的变化，维持油脂压力的稳定．b．采用双浆液开展已拼装管片环二次注浆，在管片环上形成若干闭环．该闭环可封堵盾构机后方盾尾空隙中地下水涌向盾尾密封系统和沿着盾壳与围岩的间隙涌入开挖面，降低盾尾刷密封系统被击穿的风险．c．采用土压平衡模式掘进，减小对地层的扰动．地层扰动易在前盾顶部形成空洞使盾构机姿态快速恶化．5 结论a．建立了考虑盾构机开挖面失稳导致前盾顶部空洞引起顶部地基弹簧失效，以及盾尾渗漏掏空盾尾底部土体而引起的底部地基弹簧失效的盾构机姿态有限元数值模型．该模型基本能反映盾构机姿态变化情况．b．盾尾渗漏引起尾盾底部土体掏空是盾构机姿态变化的主要影响因素，而开挖面坍塌引起前盾顶部土体空洞则加速了盾构机姿态发展过程．当盾尾渗漏掏空范围超过2.8~3.6 m，盾尾沉降超过10 cm时，盾尾下沉进入到加速下沉阶段，盾尾拼装管片环在弯、剪、扭和拉综合效应下出现屈曲坍塌现象．c．盾构机姿态变化过程可以分为两个阶段，即线性缓慢增长阶段和非线性快速增长阶段．根据地质条件和盾构掘进工程风险可以确定最大盾尾允许下沉值，从而确定盾构机姿态发生突变的临界条件，即盾尾底部掏空范围与前盾顶部空洞范围关系曲线．d．根据盾构机姿态突变发生的临界条件，可形成盾尾渗漏条件下盾构机突变条件的判断方法．首先根据地质条件和盾构工程的重要性确定盾尾容许下沉量；然后根据盾尾下沉量与盾尾底部掏空范围和前盾顶部空洞范围拟合曲面确定盾构机姿态突变临界条件，即盾尾底部掏空范围与前盾顶部空洞范围的相关曲线；再根据欠压掘进开挖面坍塌和盾尾渗漏引起底部地层坍塌模型试验或数值分析分别确定其范围；最后进行盾构姿态是否发生突变判断，位于相关曲线下方为安全稳定区域，位于相关曲线上方为非安全非稳定区域．