盾構(gòu)土壓力計算

1、城市地鐵盾構(gòu)施工土壓力選擇隨著北京 2008年申奧成功， 我國的城市地鐵施工必將走向了一個嶄新的一頁。 城市地鐵盾構(gòu)施工具有快速、 安 全、對地面建筑物影響小等諸多優(yōu)點， 已經(jīng)被越來越多的人們所認(rèn)可。 在城市地鐵盾構(gòu)施工中， 如何設(shè)置合理的土壓， 對于控制地表沉降有著至關(guān)重要的意義。一、土壓平衡復(fù)合式盾構(gòu)機三種工況的簡要介紹 土壓平衡復(fù)合式盾構(gòu)有三種工況，即敞開式、半敞開式、土壓平衡三種掘進模式。 地層圍巖條件較好時 ，螺旋輸送機 伸入土倉，螺旋輸送機的卸料口完全打開，土倉內(nèi)不保持土壓，維持刀盤、土倉、螺旋輸送機之間的完全敞開，實現(xiàn) 敞開式模式掘進。 當(dāng)圍巖穩(wěn)定性變壞，工作面有坍塌時或有坍塌的

2、可能，或地下涌水不能得到有效控制時 ，縮回螺旋 輸送機， 關(guān)閉螺旋輸送機的卸料口， 壓入壓縮空氣， 土倉會被壓力封閉， 控制地下水的涌出， 防止坍塌的進一步發(fā)生， 即可實現(xiàn)半敞開式掘進模式； 若水壓力大或工作面不能達到穩(wěn)定狀態(tài) ，則先停止螺旋輸送機的出碴，切削下來的碴土 充滿土倉。與此同時，用螺旋輸送機排土機構(gòu)，進行與盾構(gòu)推進量相應(yīng)的排土作業(yè)，掘進過程中，始終維持開挖土量 與排土量的平衡來維持倉內(nèi)碴土的土壓力。以土倉內(nèi)的碴土壓力抗衡工作面的土體壓力和水壓力，以保持工作面的土 體的穩(wěn)定，防止工作面的坍塌和地下水的涌出，從而使盾構(gòu)機在不松動的圍巖中掘進，確保不產(chǎn)生地層損失，實現(xiàn)土 壓平衡掘進模式。

3、二、掘進土壓力的設(shè)定在選擇掘進土壓力時主要考慮地層土壓，地下水壓（孔隙水壓），預(yù)先考慮的預(yù)備壓力。2.1 地層施工土壓在我國鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中，根據(jù)大量的施工經(jīng)驗，在太沙基土壓力理論的基礎(chǔ)上，提出以 巖體綜合物性指標(biāo) 為基礎(chǔ)的巖體綜合分類法，根據(jù)隧道的埋資深度不同，將隧道分為深埋隧道和淺埋隧道。再根據(jù)隧道的具體情況采用 不同的計算方式進行施工土壓計算。2.1.1 深埋隧道與淺埋隧道的確定深埋隧道圍巖松動壓力值是根據(jù)深、淺埋隧道的判定原則一般以隧道頂部覆蓋層能否形成“自然拱”為原則施工坍方平均高度(等效荷載高度)確定的。根據(jù)經(jīng)驗，深、淺埋隧道分界深度通常為22.5倍的施工坍方平均高度, 即Hp=

4、 （22.5 ） hq式中：Hp-深、淺埋隧道分界的深度hq-施工坍方平均高度，hq=0.45 X藝泡S 圍巖類別，如皿類圍巖，則S=33寬度影響系數(shù)，且3 =1+i (B-5)B 隧道凈寬度，單位以m計。i 以B=5n為基準(zhǔn)，B每增減1m時的圍巖壓力增減率。當(dāng) B5m取i=0.1。2.1.2深埋隧道的土壓計算在深埋隧道中，按照太沙基土壓力理論計算公式以及日本村山理論，可以較為準(zhǔn)確的計算岀盾構(gòu)前方的松動土壓力。 但在實際施工工程之中，可以根據(jù)隧道圍巖分類和隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照我國現(xiàn)行的鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中推薦的計 算圍巖豎直分布松動壓力q的計算公式：6-Sq=0.45 X 2 丫3Y 圍巖容重地層

5、在產(chǎn)生豎向壓力的同時，也產(chǎn)生側(cè)向壓力，側(cè)向水平松動壓力ba由經(jīng)驗公式可得：(T a=Ea X (T ZEa計算公式見下表圍巖分類wVIVnI水平松動壓力T a0（0 1/6） q（1/6 1/3） q（1/3 1/2） q（1/2 1） q2.1.3淺埋隧道的土壓計算靜止土壓為原狀的天然土體中，土處于靜止的彈性平衡狀態(tài)，這時的土壓力為靜止土壓力。在任一深度h處,土的鉛垂方向的自重應(yīng)力T z=Y h為最大主應(yīng)力，而水平應(yīng)力T X=為最小主應(yīng)力(如圖所示)，其間存在如下關(guān)系：t x=k。. t z=k. 丫 h式中：k。為側(cè)向土壓力系數(shù)，k。= U /1- UU為巖體的泊松比 計算地面以下深度為z

6、處的地層自重應(yīng)力T z，等于該處單位面積上土柱的質(zhì)量。如下圖所示:(Tz = 丫 lhl+ 丫 2h2+ 丫 3人3+ 丫 nhn=藝丫 ihi式中：丫 i-第i層土的天然容重（地下水位以下一般采用浮容重），kN/mth 第i層土的厚度，n從地面到深度z處的土層數(shù)。靜止側(cè)向土壓力系數(shù)k。，即土的側(cè)壓力系數(shù)確定（1）經(jīng)驗值： 砂：k。=0.34 0.45。粘土 k .=0.5 0.7。（ 2）半經(jīng)驗公式，（目前一般在設(shè)計中采用雅基公式）（ Jaky ）（砂層）Ko= 1-sin $Brooker 公式（粘性土層）K0=0.95-sin $式中，K）:靜止土壓力系數(shù)。$ 、$為土的有效內(nèi)摩擦角。（

7、3）日本規(guī)范 日本建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范建議，不分土的種類，k均為0.5。在淺埋隧道的施工過程中，由于施工的擾動，改變了原狀的天然土體的靜止的彈性平衡狀態(tài)，從而使刀盤前方 土體產(chǎn)生主動或被動土壓力。在盾構(gòu)機推進時，由于推力（土壓力）設(shè)置偏低，工作面前方的土體向盾構(gòu)機刀盤方向發(fā)生一個微小的移動或 滑動，土體出現(xiàn)向下滑動的趨勢或，為了抗拒土體向下滑動的趨勢的產(chǎn)生，土體中的抗剪力逐漸增大。當(dāng)土體中的側(cè) 向應(yīng)力減小到一定的程度，使土體中的抗剪強度得到充分發(fā)揮，此時土體中的側(cè)向土壓力減小到最小值，土體處于極限平衡狀態(tài)，即主動極限平衡狀態(tài)。與此相應(yīng)的土壓力稱為主動土壓力Ea如下圖所示:在盾構(gòu)機推進時，由于推

8、力(土壓力)設(shè)置偏高，刀盤對土體的側(cè)向應(yīng)力逐漸增大，刀盤前部的土體岀現(xiàn)向上 滑動的趨勢，為了抗拒土體向上滑動的趨勢的產(chǎn)生，土體中的抗剪力逐漸增大。土體處于另一極限平衡狀態(tài)，即被動 極限平衡狀態(tài)。與此相應(yīng)的土壓力稱為被動土壓力 Ep。如下圖所示：根據(jù)盾構(gòu)機的特點及盾構(gòu)機施工的原理，結(jié)合我國鐵路隧道設(shè)計施工的具體經(jīng)驗，施工采用朗金理論計算主動 土壓力與被動土壓力。rHka當(dāng)盾構(gòu)機推力偏小，土體處于向下滑動的極限平衡狀態(tài)，具體如下圖所示：此時土體內(nèi)的豎直應(yīng)力b z相當(dāng)于大主應(yīng)力b 1,水平應(yīng)力b a相當(dāng)于小主應(yīng)力b a。水平應(yīng)力b a為維持刀盤前方的 土體不向下滑移需要的最小土壓力，即土體的主動土壓

9、力。畫岀土體的應(yīng)力圓，此時水平軸上b 3處的E點與應(yīng)力圓在 抗剪強度線切點M的連線和豎直線間的夾角B為破裂角。由圖可知：3=1/2 / ENM=1/2(90- $) =45 - $ 12ba= b a = b z tan 2 (45o- $/2 ) -2ctan (45- $ /2)式中，b z：深度為z處的地層自重應(yīng)力，c: 土的粘著力，Z：地層深度，$ :地層內(nèi)部摩擦角當(dāng)盾構(gòu)機的推力偏大，土體處于向上滑動的極限平衡狀態(tài)，具體如下圖所示：此時刀盤前方的土壓力b P相當(dāng)于大主應(yīng)力b 1，而豎向應(yīng)力b z相當(dāng)于小主應(yīng)力b a。畫岀土體的應(yīng)力圓，當(dāng)應(yīng)力 圓與抗剪強度線相切時，刀盤前方的土體被破壞，

10、向前滑移。此時作用在刀盤上的土壓力bp即土體的被動土壓力。破裂角3由圖可知：3 =1/2 / ENM=1/2(90+$) =45 +$ /2式中，bz：深度為z處的地層自重應(yīng)力，c: 土的粘著力，z :地層深度，:地層內(nèi)部摩擦角2.2 地下水壓力計算與控制當(dāng)?shù)叵滤桓哂谒淼理敳?，由于地層中孔隙的存在，從而形成?cè)向地下水壓。地下水壓力的大小與水力梯度、 滲透系數(shù)、滲透速度以及滲透時間有關(guān)。在計算水壓力時，由于地下水在流經(jīng)土體時，受到土體的阻力，引起水頭損 失。作用在刀盤上的水壓力一般小于該地層處的理論水頭壓力。在掘進過程中，由于刀盤并非完全開口，而是中間有 7080%的支擋結(jié)構(gòu)，隨著刀盤的不斷往

11、前推進，土倉內(nèi) 的壓力介于原始的土壓力值附近。加上水在土中的微細(xì)孔中流動時的阻力。故在掘進時地層中的水壓力可以根據(jù)地層 的滲透系數(shù)進行酌情考慮。當(dāng)盾構(gòu)機因故停機時，由于地層中壓力水頭差的存在，地下水必然會不斷的向土倉內(nèi)流動，直至將地層中壓力 水頭差消除為止。此時的水壓力為:(rw=q Xy hq-根據(jù)土的滲透系數(shù)確定的一個經(jīng)驗數(shù)值。砂土中 q=0.81.0，粘性土中q = 0.30.5。丫水的容重h-地下水位距離刀盤頂部的高度。在實際施工中，由于管片頂部的注漿可能會不密實，故地下水可能會沿著隧道襯砌外部的空隙形成過水通道， 當(dāng)盾構(gòu)長時間停機時，必將形成一定的壓力水頭。g wi=q 砂漿 Xy

12、hwq砂漿-根據(jù)砂漿的滲透系數(shù)和注漿的飽滿程度確定的一個經(jīng)驗數(shù)值，一般取q= 0.81.0。丫水的容重hw-補強注漿處和刀盤頂部的的高差。在計算水壓力時，刀盤后部的水壓力與刀盤前方的水壓力取大值進行考慮。2.3預(yù)備壓力由于施工存在許多不可遇見的因素，致使施工土壓力小于原狀土體中的靜止土壓力。按照施工經(jīng)驗，在對沉降要求比較嚴(yán)格的地段計算土壓力時， 通常在理論計算的基礎(chǔ)之上再考慮1020kg/m2 （0.10.2kgf/cm2 ）的壓力作為 預(yù)備壓力。二、施工實例廣州地鐵二號線【越三區(qū)間隧道】盾構(gòu)工程位于廣州市越秀區(qū)和白云區(qū)，該工程全長3926.034米。隧道上覆土 厚度最大約28米，最小約9米。

13、隧道通過的地層軟硬不均、復(fù)合交互、變化頻繁。區(qū)間隧道穿越地層大部分是中風(fēng)化巖8、強風(fēng)化巖7和微風(fēng)化巖9，其次為全風(fēng)化巖6和殘積土層5-2。整個區(qū)間隧道的地下水位較高，高岀隧道頂部827米。該工程穿越鐵路車站軌道，對地表沉陷控制要求特別嚴(yán)格以下為前一段時間工地土壓力理論計算值與實際土壓值和掘進產(chǎn)生的沉降對應(yīng)值。序 號掘進模 式開挖地層隧道 埋深地下水理位深度里論土壓力計算依據(jù)實際土 壓力沉降值1土壓平 衡5-2井地層（H類圍巖）26m23m2.6-3.6bar深埋隧道2.6bar1.1mm2土壓平 衡6#地層（川類圍 巖）25m22m2bar深埋隧道2bar-5.5mm3土壓平 衡6#地層（川類

14、圍 巖）四、幾點體會通過以上分析可知，由于刀盤對土體的推力不同，在土倉內(nèi)產(chǎn)生的土壓力不同，土體中的側(cè)向土壓力的方向與 大小也在不斷的發(fā)生著變化。被動土壓力和主動土壓力是側(cè)向土壓力的最大和最小的極限值。而靜止土壓力介于兩者 之間，即EpEo Ea。當(dāng)盾構(gòu)機刀盤前方的土壓力大于 Ep, 土體被向盾構(gòu)機移動，地面隆起。當(dāng)盾構(gòu)機刀盤前方的土 壓力小于Ea時，土體向下滑動，可能引起地層和地面的沉降。如下圖：土壓力管理與控制一般給出一個適當(dāng)?shù)姆秶?。根?jù)施工所處的地段、地層、施工環(huán)境給出一個土壓上限值，以 及一個土壓下限值。地層地質(zhì)狀況良好、穩(wěn)定性好，土壓力低。地層變化大，沉降要求高等條件下，土壓力高。（上

15、限值）Pmax地下水壓+ （靜止土壓或被動土壓）+預(yù)備壓力 （下限值）Pmin哋下水壓+主動土壓在施工中，深埋隧道按照鐵路隧道設(shè)計規(guī)范來考慮施工土壓力時，一般得出的土壓力都偏大。如果地層地質(zhì)狀 況良好，考慮盾構(gòu)機外徑12倍以內(nèi)的土壓力較為合適。在淺埋隧道施工時，為了使工作面前方的土體保持穩(wěn)定的狀態(tài)，不致因盾構(gòu)掘進發(fā)生變形或產(chǎn)生移位的趨勢， 應(yīng)以靜止土壓力為主要依據(jù)。當(dāng)隧道埋深不大或圍巖極不穩(wěn)定時時，可以用朗金理論計算主、被動土壓力，從而來確定盾構(gòu)施工的土壓力值。按照朗金理論計算的主動土壓是考慮開挖面的穩(wěn)定由土體本身強度來維持，是基于允許開挖面有一定的變形或 移動，所以對于自穩(wěn)性較差的地層、軟弱或變形系數(shù)較大、容易失水的地層，以此理論考慮主動土壓