盾構(gòu)掘進主要參數(shù)計算方式

1、1、縱坡2、土壓平衡盾構(gòu)施工土壓力的設(shè)置方法 深埋隧道土壓計算 淺埋隧道的土壓計算 主動土壓力與被動土壓力 主動土壓力與被動土壓力計算： 地下水壓力計算 案例題施工實例1 施工實例2 3、盾構(gòu)推力計算 4、盾構(gòu)的扭矩計算 1、縱坡隧道縱坡：隧道底板兩點間數(shù)值距離除以水平距離如圖所示：隧道縱坡二（200-100） /500=2 %。注：規(guī)范要求長達隧道最小縱坡=%最大縱坡二%2、土壓平衡盾構(gòu)施工土壓力的設(shè)置方法根據(jù)上述對地層土壓力、水壓力的計算原理分析，筆者總結(jié)出在土壓平 衡盾構(gòu)的施工過程中，土倉內(nèi)的土壓力設(shè)置方法為：a、根據(jù)隧道所處的位置以及隧道的埋深情況，對隧道進行分類，判斷出隧道是屬于深埋

2、隧道還是淺埋隧道(一般來說埋深在 2 倍洞徑以下時，算作是 淺埋段， 2倍以上算深埋 )；b、根據(jù)判斷的隧道類型初步計算出地層的豎向壓力；c、根據(jù)隧道所處的地層以及隧道周邊地地表環(huán)境狀況的復雜程度，計算水平側(cè)向力；d、根據(jù)隧道所處的地層以及施工狀態(tài)，確定地層水壓力；e、根據(jù)不同的施工環(huán)境、施工條件及施工經(jīng)驗，考慮的壓力值作為調(diào)整 值來修正施工土壓力；f 、根據(jù)確定的水平側(cè)向力、地層的水壓力以及施工土壓力調(diào)整值得出初步 的盾構(gòu)施工土倉壓力設(shè)定值為：(T初步設(shè)定=(T水平側(cè)向力 (T水壓力 CT調(diào)整式中，(T初步設(shè)定 初步確定的盾構(gòu)土倉土壓力；(T水平側(cè)向力一水平側(cè)向力；(T水壓力一地層水壓力；(

3、T調(diào)整 修正施工土壓力。g、根據(jù)經(jīng)驗值和半經(jīng)驗公式進一步對初步設(shè)定的土壓進行驗證比較，無誤 時應用施工之中；h、根據(jù)地表的沉降監(jiān)測結(jié)果，對施工土壓力進行及時調(diào)整，得出比較合理 的施工土壓力值。深埋隧道土壓計算深埋隧道(T水平側(cè)向力=q XX®q水平側(cè)向力系數(shù)見表1圍巖分類1UmIVV水平側(cè)壓力系數(shù)q01/61/6 1/31/3 1/21/2 1表1水平側(cè)壓力系數(shù)表3寬度影響系數(shù)，且 3 =1+i ( B-5), i 以B=5m為基準，當B<5m時，取i=，當 B>5m 取 i=；S 圍巖級別，如川級圍巖，貝U S=3淺埋隧道的土壓計算主動土壓力與被動土壓力盾構(gòu)隧道施工過程

4、中，刀盤擾動改變原地面線沉降后地面線圖1主動極限平衡狀態(tài)下的土體位移了原狀天然土體的靜止彈性平衡狀態(tài)，從而使刀盤附近的土體產(chǎn)生主動土壓力或被動土 壓力。盾構(gòu)推進時，如果土倉內(nèi)土壓力設(shè)置偏低，工作面前方的土體向盾構(gòu)刀盤方向產(chǎn)生微 小的移動或滑動，土體出現(xiàn)向下滑動趨勢，為了抵抗土體的向下滑動趨勢，土體的抗剪 力逐漸增大。當土體的側(cè)向應力減小到一定程度，土體的抗剪強度充分發(fā)揮時，土體的 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)，與此相應的 土壓力稱為主動土壓力Ea,如圖1所示。盾構(gòu)推進時，如果土倉內(nèi)土壓力設(shè)置偏高，刀盤對土體的側(cè)向應力逐漸增大，刀盤前 部的土體出現(xiàn)向上滑動趨勢

5、，為了抵抗土體的向上滑動趨勢，土體的抗剪力逐漸增大， 土體處于另一極限平衡狀態(tài)，即被動極限平 衡狀態(tài)，與此相應的土壓力稱為被動土壓力 Ep,如圖2所示。受施工影響后地面線原地面線亠向EP主動土壓力與被動土壓力計算：根據(jù)盾構(gòu)的特點及盾構(gòu)施工原理， 結(jié)合我國鐵路隧道設(shè)計、 施工的具體經(jīng)驗， 采用朗 金理論計算主動土壓力與被動土壓力。盾構(gòu)推力偏小時，土體處于向下滑動的極限平衡狀態(tài)。此時，土體內(nèi)的豎直應力c相當于大主應力C 1,水平應力C a相當于小主應力C 3。水平應力C a為維持刀盤前方的土 體不向下滑移所需的最小土壓力，即土體的主動土壓力：C a = C z tan 2 (45° -

6、© 12 ) -2ctan (45° - © 12 )式中,c z深度z處的地層自重應力；c土的粘著力；z 地層深度；©地層內(nèi)部摩擦角。盾構(gòu)的推力偏大時，土體處于向上滑動的極限平衡狀態(tài)。此時，刀盤前方的土壓力CP相當于大主應力C 1,而豎向應力C z相當于小主應力C a：C p=C 1 = C z tan 2( 45o+© /2 )+2ctan ( 45o+© /2 )式中，C z深度z處的地層自重應力; c土的粘著力； z 地層深度； ©地層內(nèi)部摩擦角。地下水壓力計算地下水位高于隧道頂部時， 由于地層孔隙、裂隙的存在，形成

7、側(cè)向地下水壓。地下水 壓力的大小與水力梯度、地層滲透系數(shù)、管片背后的砂漿凝結(jié)時間、滲透系數(shù)及滲透時 間有關(guān)。由于地下水流經(jīng)土體時受到土體的阻力產(chǎn)生水頭損失，因此作用在刀盤上的水 壓力一般小于該地層處的理論水頭壓力。掘進過程中， 隨著刀盤的不斷向前推進， 土倉內(nèi)的壓力處于原始土壓力值附近， 考慮水在土中流動時的阻力，掘進時地層中的水壓力可以根據(jù)地層的滲透系數(shù)酌情考慮。盾構(gòu)因故停機時，由于地層中壓力水頭差的存在，地下水必然會不斷向土倉內(nèi)流動，直至將地層中壓力水頭差消除為止。此時土倉的水壓力為:er w刀盤前=q 乂丫 h式中，q 根據(jù)土層滲透系數(shù)確定的經(jīng)驗數(shù)值，砂土 q=，粘性土 q=，風化巖層q

8、=0; 丫水的容重；h-地下水位距刀盤頂部的高度。施工中，如果管片頂部的注漿不太密實，地下水可能會沿隧道襯砌外部的空隙形成過 水通道。當盾構(gòu)長時間停機時，必將形成一定的壓力水頭。此時的地下水壓：e w盾尾后=q砂漿Xy hw式中，q砂漿-根據(jù)砂漿的滲透系數(shù)和注漿的飽滿程度確定的經(jīng)驗數(shù)值，一般取q二；丫水的容重；hw-補強注漿處與刀盤頂部的高差。計算水壓力時，盾尾后部的水壓力與刀盤前方的水壓力按取大值考慮。（根據(jù)筆者的經(jīng)驗，在掘進過程中，一般按刀盤前方的地層水壓力進行計算，在盾構(gòu)停機過程中，按盾尾后部的水壓力進行計算。）案例題241施工實例11工程概況廣州地鐵二號線越三區(qū)間隧道盾構(gòu)工程位于廣州市

9、越秀區(qū)和白云區(qū)，全長，區(qū)間 隧道開挖直徑6300mm采用裝配式鋼筋砼管片襯砌，襯砌環(huán)外徑 6000mm內(nèi)徑5400mm 管片寬度1500mm管片厚度300mm管片與地層間的空隙采用同步注漿（水泥砂漿）回 填。隧道上覆土厚度最大約28m最小約9m區(qū)間隧道穿越地層大部分是中風化巖8 強風化巖7和微風化巖9，其次為全風化巖6和殘積土層5-2 ，各種地層參 數(shù)見表2。地層地下水主要為第四系空隙水與基巖裂隙水，地下水位為地表以下12m表2主要地層物理力學參數(shù)表巖土巖土 名稱天然 密度壓縮模量粘聚力內(nèi)摩擦角無側(cè)限抗壓 強度土的 泊松比基床反力 系數(shù)靜止 側(cè)壓力系數(shù)地基承載力 標準值分層符號PES1-2cq

10、uKmK0f k單位g/cm3MPaKPa°KPaMPa/mKPa1雜填土1 . 82302越建筑群地段自200至050,盾2-1淤泥質(zhì)土10603-2沖、洪積砂層201005-1殘積土（可塑、稍密）552205-2殘積土（硬塑、中密）121703006巖石全風化帶1251003507粉土（強風化）220盾構(gòu)穿物密集YDK1養(yǎng)YDK1養(yǎng)構(gòu)進入建筑物密集群下施工。在此區(qū)段隧道穿過的地層主要為全風化（6）和殘積土層（5-2 ） 地層，隧道埋深2022m盾構(gòu)在此段地層施工時，為確保地表建筑物安全，根據(jù)地層狀況，確定根據(jù)占隧道施工影響范圍數(shù)量較多的不利地層考慮土壓力。隧道埋深以20m考慮，圍

11、巖以殘積土層（5-2 ）地層考慮，水平側(cè)向力系數(shù)q取1/31/2，初步確定采用深埋隧道土壓力計算土 壓。地層的水平側(cè)向力為:（T水平側(cè)向力=q xx®=(1/31/2) xx (1+ () )kg/cm2.01.0值沉下-8.0圖3盾構(gòu)穿越建筑物密集群地段沉降監(jiān)測結(jié)果由于全風化泥質(zhì)粉砂巖以及殘積土層的透水性差，在考慮地層水壓力時q取,2（T w刀盤前=q Xy h=x 1 x20= kg/cm = Mpa考慮的壓力值作為調(diào)整值來修正施工土壓力，即c調(diào)整=。CT初步設(shè)定=CT水平側(cè)向力 + （T水壓力 + CT調(diào)整=Mpa。采用此土壓力值，盾構(gòu)穿越該區(qū)段的地表 沉降監(jiān)測結(jié)果如圖3所示：

12、從監(jiān)測結(jié)果可以看出，地表最大沉降，遠 遠小于合同規(guī)定的-30mm同時少數(shù)點位在掘進 過程有隆起現(xiàn)象，個別點隆起。這說明在地質(zhì)條件相對較好的地層之中，采用深埋隧道 土壓力計算土壓土壓力選擇偏大，趨于保守。3盾構(gòu)穿越地下人行通道根據(jù)現(xiàn)場施工調(diào)查，盾構(gòu)在 YDK16P230位置穿越一座地下人行通道，此人行通道為廣州火車站、廣州汽車總站和廣州市流花汽車站之間的連接通道。此位置的地層主要為強風化（7）和殘積土層（5-2 ）、（5-1 ）地層，隧道埋深8m人行通道距隧道為保證盾構(gòu)通過此段地層時的施工安全，計算施工土壓力時，確定隧道埋深以8m考慮，圍巖以殘積土層（5-2 ）考慮，采用淺埋隧道的土壓力計算方法

13、計算土壓。地層的水平側(cè)向力為：c水平側(cè)向力=c z tan 2(45° -7 /2 )-2ctan (45°-© /2 )=x 8x tan2 (45°° /2 )-2 x( 45°°/2 )=kg/cm 2=Mpa在殘積土層中考慮地層水壓力時 q取，2（T w刀盤前=q 乂丫 h=x 1 x8= kg/cm = Mpa考慮的壓力值作為調(diào)整值來修正施工土壓力，即c調(diào)整=CT初步設(shè)定=C水平側(cè)向力 + （T水壓力 + c調(diào)整=Mpa。采用此土壓力值，盾構(gòu)在該段地層施工時的地表沉降監(jiān)測結(jié)果如圖4所示：0.5m 0m(a降沉-1-

14、1.5-2.A.J、，環(huán)數(shù)15 23 56： 61 67 73 '80 87 91 96 1051111201261 v7/m圖4通過地下人行通道時地表沉降觀測圖施工完成后最終實測地表說明，施工過程采用淺埋隧道的土壓力計算方法進行土壓 計算是合理的。施工實例2盾構(gòu)機穿越廣州火車站站場越三區(qū)間右線隧道YCK16YCK16長165m區(qū)段穿越廣州火車站站場的十四股軌道；8）地層和強風化（7）左線ZCK16+76ZCK16長區(qū)段穿越廣州火車站站場的十四股軌道。隧道在此位置穿越的主要地層為中風化（ 地層，隧道埋深1520m在施工過程中，為了達到施工招標文件“盾構(gòu)掘進通過火車站時，軌面沉降值不得超

15、過10mm兩股鋼軌水平高差不得超過4mr”及“在任何情況下，最大隆起量不得超過 +10mr”）的地表沉降規(guī)定，確定根據(jù)地層狀況和隧道周邊施工環(huán)境， 隧道埋深以20m考慮, 圍巖以強風化（7）地層考慮，采用深埋隧道的土壓力計算土壓。地層的水平側(cè)向力為：er水平側(cè)向力=q xx®=(1/61/3) xx (1+ () )kg/cm=Mpa考慮到地表環(huán)境復雜，在計算土壓力時c 水平側(cè)向力= Mpa。在強風化泥質(zhì)粉砂巖中，計算地層水壓力時 q取，2c w刀盤前=q 乂丫 h=x 1 x20= kg/cm = Mpa考慮的壓力值作為調(diào)整值來修正施工土壓力，即c調(diào)整=。c初步設(shè)定=c水平側(cè)向力+

16、c水壓力+c調(diào)整=考慮左右線施工的相互影響，左線土壓比右線高。盾構(gòu)在穿越火車站站場時，沉降盾構(gòu)在施工完該段區(qū)間隧道后，最終實測地面最大沉降，小于 10mm的控制標準， 與理論計算的地表最大沉降值基本接近；兩條鋼軌面高差為 1伽，小于4mm勺施工要求, 則說明在掘進過程中土壓力的選擇是科學合理的。3、盾構(gòu)推力計算盾構(gòu)的推力主要由以下五部分組成：式中：Fi為盾構(gòu)外殼與土體之間的摩擦力 ；F2為刀盤上的水平推力引起的推力F3為切土所需要的推力；F4為盾尾與管片之間的摩阻力F5為后方臺車的阻力 式中：Fd為水平土壓力，Pd( h D)2式中：c為土的粘結(jié)力，c=m 式中：WC、卩C為兩環(huán)管片的重量(計

17、算時假定有兩環(huán)管片的重量作用在盾尾內(nèi)，當管片容重為m3管片寬度按計時，每環(huán)管片的重量為)，兩環(huán)管片的重量為考慮。卩C=4、盾構(gòu)的扭矩計算盾構(gòu)配備的扭矩主要由以下九部分組成。在進行刀盤扭矩計算時：式中： M1 為刀具的切削扭矩；M2為刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩M3為刀盤的推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩；M4為密封裝置產(chǎn)生的摩擦力矩M5為刀盤前表面上的摩擦力矩；M6為刀盤圓周面上的摩擦力矩M7為刀盤背面的摩擦力矩；M8為刀盤開口槽的剪切力矩M9為刀盤土腔室內(nèi)的攪動力矩a 刀具的切削扭矩M式中：G: 土的抗剪應力，C =C+Pdx tg © =+x tg20 ° =vmhmax：刀盤每轉(zhuǎn)的最

18、大切削深度，hmaX=8Cm/WR):最外圈刀具的半徑，R0=b.刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩 MM=GR1 g式中：G刀盤自重，計算時取刀盤的自重為 G=55tR ：軸承的接觸半徑，計算時取為 R= 卩g：滾動摩擦系數(shù)，計算時取為卩g=C.刀盤的推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩 M2M=WR 卩 z W p=an RC Pd式中：W：推力荷載 ；a：刀盤封閉系數(shù)，a =Rg：軸承推力滾子接觸半徑，Rg= ； fc：刀盤半徑，rc= 卩z：滾動摩擦系數(shù)，卩z= ； Pd：水平土壓力，Pd=md.密圭寸裝置產(chǎn)生的摩擦力矩 M22M=2 冗卩 rF (nlRnl+n2Rn2 )F=m式中：卩m：密封與鋼之間的摩擦系數(shù)，卩m=； F:密封的推力,ni、n2 :密圭寸數(shù)，n 1=3 n 2=3; Rm> Rn2：密圭寸的安裝半徑，Rm= R m=;e.刀盤前表面上的摩擦力矩 M5式中：a:刀盤開口率，a =;卩p： 土層與刀盤之間的摩擦系數(shù)，卩P= R ：刀盤半徑， R=f .刀盤圓周面上的摩擦力矩 M6M6=2 n RBPZ 卩 p式中：R刀盤半徑，R