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 I / /I -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。當圍巖穩(wěn)定性變壞，工作面有坍塌時或有坍塌的可能

2、, 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磴，切削下來的磴土充滿土倉。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)磴土的土壓力。以土倉內(nèi)的磴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I 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。> I I二

3、、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、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。深埋隧道圍巖松動壓 力值是根據(jù)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2 2.5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=0.45X 26-S/I i 乙：S一圍巖類別，如田類圍巖，則S=3I I / / /一寬度影響系數(shù)，且=1+i （B-5） 一 I I/ ； 3 ' 1B一隧道凈寬度，單位以m計。一一 1；i以B=5nJ基準，B每增減1mW的圍巖壓力增減率。當B<5nm寸，取i=0.2 , B>5m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，可以較為準確的計算出盾構(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

5、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：q=0.45X 26- Y 一圍巖容重地層在產(chǎn)生豎向壓力的同時，也產(chǎn)生側(cè)向壓力，側(cè)向水平松動壓力小由經(jīng)驗公式可得：a a=EX Z Z巳計算公式見下表圍巖分類VIVIVmnI水平松動壓力a a0(01/6) 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 深度h處，土的鉛垂方向的自重應(yīng)力（Tz=Y h為最大主應(yīng)力，而水平應(yīng)力八二為最小主應(yīng)力（如圖所示）, 其間存在如下關(guān)系：(Tx=k .(Tz

6、=k。. y h歡迎共閱式中: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處的地層自重應(yīng)力口，等于該處單位面積上土柱的質(zhì)量。如下圖所示：（Tz=Ylhl+Y 2八+丫3卜3+丫 nhn=2 丫 i hi式中：廣一第i層土的天然容重（地下水位以下一般采用浮容重），kN/mhi第i層土的厚度，mn-從地面到深度z處的土層數(shù)。.I /./ - j :' 1靜止側(cè)向土壓力系數(shù)k。，即土的側(cè)壓力系數(shù)確定/ ,*/ / I1 I I（1）經(jīng)驗值：砂：k。=0.340.45。'：；粘土 k。=0.50.7。（2）半經(jīng)驗公式，（目前一般在設(shè)計中采

7、用雅基公式）（Jaky）（砂層）K=1-sin 小I Brooker公式（粘性土層）K=0.95-sin 小'式中，K:靜止土壓力系數(shù)。小、” 為士的有效內(nèi)摩擦角。（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 歡迎共閱逐漸增大。當土體中的側(cè)向應(yīng)力減小到一定的程度

8、，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 體出現(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Epp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I / /論計算主動土壓力與被動土壓力。當盾構(gòu)機推力偏小，土體處于向下滑動的極限平衡狀態(tài)

9、，具體如下圖所示：此時土體內(nèi)的豎直應(yīng)力口相當于大主應(yīng)力山，水平應(yīng)力皿相當于小主應(yīng)力6a。水平應(yīng)力皿為維 持刀盤前方的土體不向下滑移需要的最小土壓力，即土體的主動土壓力。畫出土體的應(yīng)力圓，此時水平 軸上門處的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：B=1/2/ENM=1/2（90-4） =45° -1/2o-a= o-a= o-ztan2 （45o- ”2） -2ctan （45- ”2）式中，（Tz：深度為z處的地層自重應(yīng)力，c： 土的粘著力，z：地層深度，小：地層內(nèi)部摩擦角當盾構(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

10、前方的士壓力（Tp相當于大主應(yīng)力（71,而豎向應(yīng)力（Tz相當于小主應(yīng)力（Tao畫出土體的應(yīng)力圓，當應(yīng)力圓與抗剪強度線相切時，刀盤前方的土體被破壞，向前滑移。此時作用在刀盤上的士壓力S 即土體的被動土壓力。破裂角B'由圖可知：B' =1/2/ENM=1/2(90+4 ) =45° +”2o-p= 0-1= o-ztan2 (45o+(|)/2) +2ctan (45o+(|)/2)式中，(Tz：深度為z處的地層自重應(yīng)力，c： 土的粘著力，z：地層深度，?。旱貙觾?nèi)部摩擦角2.2 地下水壓力計算與控制I / /當?shù)叵滤桓哂谒淼理敳浚捎诘貙又锌紫兜拇嬖?，從而形成?cè)向地下水

11、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孔中流動時的阻力。故在掘進時地層 :、匚 _| 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I 地層中壓力水頭差消除為止。此時的水壓力為：(rw=qx h hq -根據(jù)土

12、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4= 0.30.5。Y 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，當盾構(gòu)長時間停機時，必將形成一定的壓力水頭。一(Tw1=q 瞬 x h 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。歡迎共閱Y 水的容重h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。

13、按照施工經(jīng)驗, 在對沉降要求比較嚴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 （0.1 0.2kgf/cm2）的壓力作為預(yù)備壓力。/ I I /j -三、施工實例.1 / 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 '、C ' ' ' J 'I I I約28米，最小約9米。'J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。整個區(qū)間隧道的地下水位較高，高出隧道

14、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 位深度卜論土壓力計算依據(jù)實際土 壓力沉降值1土壓平 衡5-2 #地層（口類圍巖）26m23m2.6-3.6bar深埋隧道2.6bar1.1mm2土壓平 衡6#地層（出類圍 巖）25m22m2bar深埋隧道2bar-5.5mm3土壓平 衡6#地層（出類圍 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

15、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Ep>Eo>Ea。當盾構(gòu)機刀盤前方的士壓力大于Ep, 土體被向盾構(gòu)機移動， 地面隆起。當盾構(gòu)機刀盤前方的士壓力小于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?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。（上限值）Pmax=下水壓+ （靜止土壓或被動土壓）+預(yù)備壓力（下限值）Pmin地下水壓+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)的士壓力較為合適。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 " I I I I位的趨勢，應(yīng)以靜止土壓力為主要依據(jù)。當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f 1/的士壓力值。1 I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 主動土壓是偏小的，也是比較