土倉壓力計算PPT學習教案

1、會計學1土倉壓力計算土倉壓力計算目錄目錄1土倉壓力設定原則2土倉壓力計算方法3土倉壓力選擇2018-01-06第1頁/共22頁土倉壓力設定原則 土壓平衡盾構是通過密閉土艙內切削泥土的壓力與開挖面水土壓力的平衡來減小對土體的擾動的。設置合理的施工土壓力，對于控制地表沉降、提高掘進速度、降低掘進成本有著非常重要的意義。在盾構施工過程中，掘進時土壓力的設定遵循以下原則： 1、在選擇掘進土壓力時主要考慮地層土壓力、地下水壓力（孔隙水壓力），并考慮預備壓力； 2、土倉內的土壓力可以維持刀盤前方的圍巖穩(wěn)定，不致于因土壓偏低造成土體坍塌、地下水流失； 3、為了降低掘進扭矩、推力，提高掘進速度，減少土體對刀具

2、的磨損，土倉內的土壓力應盡可能得低，以使掘進成本最低。2018-1第2頁/共22頁土倉壓力設定原則 開挖面平衡原理見圖。 土壓平衡盾構正面推進力可表示為 （） 式中：密封艙土壓力，； 開挖面?zhèn)认蜢o止土壓力，； 開挖面水壓力，。 為使開挖面保持穩(wěn)定，應盡量滿足。2018-01-06第3頁/共22頁土倉壓力計算方法 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），預先考慮的預備壓力。 2.12.1地層土壓地層土壓 在我國鐵路隧道設計規(guī)范中，根據大量的施工經驗，在太沙基土壓力理論的基礎上，提出以巖體綜合物性指標為基礎的巖體綜合分類法，根據隧道的埋資深度不同，將隧道分為深埋隧道和淺埋隧道。再

3、根據隧道的具體情況采用不同的計算方式進行施工土壓計算。 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。（成拱作用使隧道在多裂隙圍巖（包括一般土層）中埋置較深時，作用在支護結構上的圍巖壓力遠遠小于其上覆層自重所造成的壓力。）2018-01-06第4頁/共22頁深、淺埋隧道的劃分 深埋隧道圍巖松動壓力值是根據施工坍方平均高度（等效荷載高度）確定的。根據經驗，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=（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=0.452S-1 S圍巖類別，如類圍巖，則S=3 寬度影響系數，且=1+

4、i（B-5）； B隧道凈寬度，單位以m計； i以B=5m為基準，當B5m，取i=0.1；2018-01-06第5頁/共22頁深埋隧道地層壓力計算方法 對于深埋隧道，一般根據隧道圍巖分類和隧道結構參數，按照鐵路隧道設計規(guī)范的計算公式計算圍巖豎直分布松動壓力和水平松動壓力。地層的水平側向力為：水平側向力= kh h= 0.452S-1式中，S圍巖級別，如級圍巖，則S=3； h圍巖壓力計算高度； 圍巖重度； 寬度影響系數，且=1+i（B-5）； B隧道凈寬度，單位以m計； i以B=5m為基準，當B5m，取i=0.1； k根據圍巖級別確定的水平側壓力系數，具體見表1：圍巖級別水平側壓力系數00.150

5、.150.30.30.50.51.02018-01-06第6頁/共22頁淺埋隧道地層壓力計算方法1 1、靜止土壓力、靜止土壓力 靜止土壓力為處于靜止的彈性平衡狀態(tài)下的原狀天然土體的土壓力，也就是沒有受到盾構施工擾動時的土壓力。在深度處，在豎直面的主應力，即靜止土壓力為 式中：土的靜止側壓力系數;土的容重，； 計算點深度，。靜止側壓力系數的數值可通過室內的或原位的靜止側壓力試驗測定。 k。=/1- 為巖體的泊松比。也可按經驗確定：砂0.340.45；硬粘土、壓密砂性土0.50.7；極軟粘土、松散砂性土0.50.7。2018-01-06第7頁/共22頁淺埋隧道地層壓力計算方法2 2、主動土壓力與被

6、動土壓力、主動土壓力與被動土壓力 盾構隧道施工過程中，刀盤擾動改變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生主動土壓力或被動土壓力。盾構推進時，如果土倉內土壓力設置偏低，工作面前方的土體向盾構刀盤方向產生微小的移動或滑動，土體出現向下滑動趨勢，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2所示。圖圖2 2 主動極限平衡狀態(tài)下的土體位移趨勢主動極限平衡狀態(tài)下的土體位移趨勢2018-01-06第8頁/共22頁

7、淺埋隧道地層壓力計算方法主動土壓力與被動土壓力主動土壓力與被動土壓力 盾構推進時，如果土倉內土壓力設置偏高，刀盤對土體的側向應力逐漸增大，刀盤前部的土體出現向上滑動趨勢，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3所示。圖圖3 3 被動極限平衡狀態(tài)下的土體位移趨勢被動極限平衡狀態(tài)下的土體位移趨勢2018-01-06第9頁/共22頁淺埋隧道地層壓力計算方法主動土壓力計算：主動土壓力計算： 根據盾構的特點及盾構施工原理，結合我國鐵路隧道設計、施工的具體經驗，采用朗金理論計算主動土壓力與被動土壓力。 盾構推

8、力偏小時，土體處于向下滑動的極限平衡狀態(tài)。此時，土體內的豎直應力z相當于大主應力1，水平應力a相當于小主應力3。水平應力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：a =z tan2（45-/2）-2ctan（45-/2）式中，z深度z處的地層自重應力； c土的粘著力； z地層深度； 地層內部摩擦角。2018-01-06第10頁/共22頁淺埋隧道地層壓力計算方法被動土壓力計算：被動土壓力計算： 盾構的推力偏大時，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p相當于大主應力1，而豎向應力z相當于小主應力a： p=1 =z tan2（45+/2）+2ctan（4

9、5+/2）式中， z深度z處的地層自重應力； c土的粘著力； z地層深度； 地層內部摩擦角。2018-01-06第11頁/共22頁地下水壓計算方法 地下水位高于隧道頂部時，由于地層孔隙、裂隙的存在，形成側向地下水壓。地下水壓力的大小與水力梯度、地層滲透系數、管片背后的砂漿凝結時間、滲透系數及滲透時間有關。由于地下水流經土體時受到土體的阻力產生水頭損失，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地層的滲透系數酌情考慮。盾構因故停機時，由于地層中壓力水頭差的存

10、在，地下水必然會不斷向土倉內流動，直至將地層中壓力水頭差消除為止。此時土倉的水壓力為：2018-01-06第12頁/共22頁地下水壓計算方法 w刀盤前=q h式中，q根據土層滲透系數確定的經驗數值，砂土q=0.51.0，粘性土q=0.10.5，風化巖層q=00.5；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。當盾構長時間停機時，必將形成一定的壓力水頭。此時的地下水壓：w盾尾后=q砂漿 hW式中，q砂漿根據砂漿的滲透系數和注漿的飽滿程度確定的經驗數值，一般取q0.51.0；水的容重；hW補強注漿處與刀盤頂部的高差。

11、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。（根據經驗，在掘進過程中，一般按刀盤前方的地層水壓力進行計算，在盾構停機過程中，按盾尾后部的水壓力進行計算。） 2018-01-06第13頁/共22頁施工土壓的設置方法2.32.3預備壓力預備壓力 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之上再考慮0.010.02Mpa的壓力作為預備壓力。2.4 2.4 土壓平衡盾構施工土壓力的設置方法土壓平衡盾構施工土壓力的設置方法 根據上述對地層土壓力、水壓力的計算原理分析，在土壓平衡盾構

12、的施工過程中，土倉內的土壓力設置方法為：a、根據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隧道還是淺埋隧道；b、根據判斷的隧道類型初步計算出地層的豎向壓力；c、根據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，計算水平側向力；2018-01-06第14頁/共22頁施工土壓的設置方法d、根據隧道所處的地層以及施工狀態(tài)，確定地層水壓力；e、根據不同的施工環(huán)境、施工條件及施工經驗，考慮0.0100.020Mpa的壓力值作為調整值來修正施工土壓力；f、根據確定的水平側向力、地層的水壓力以及施工土壓力調整值得出初步的盾構施工土倉壓力設定值為：初步設定=水平側向力水壓力調

13、整 式中，初步設定初步確定的盾構土倉土壓力；水平側向力水平側向力； 水壓力地層水壓力；調整修正施工土壓力。g、根據經驗值和半經驗公式進一步對初步設定的土壓進行驗證比較，無誤時應用施工之中；h、根據地表的沉降監(jiān)測結果，對施工土壓力進行及時調整，得出比較合理的施工土壓力值。2018-01-06第15頁/共22頁施工土壓的設置方法 土壓力管理與控制一般給出一個適當的范圍。根據施工所處的地段、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=地下水壓+（靜止土壓或被動土壓）+預備壓力 （下限值）P

14、min=地下水壓+主動土壓 在施工中，深埋隧道按照鐵路隧道設計規(guī)范來考慮施工土壓力時，一般得出的土壓力都偏大。如果地層地質狀況良好，考慮盾構機外徑12倍以內的土壓力較為合適。 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)，不致因盾構掘進發(fā)生變形或產生移位的趨勢，應以靜止土壓力為主要依據。 2018-01-06第16頁/共22頁施工土壓的設置方法 當隧道埋深不大或圍巖極不穩(wěn)定時，可以用朗金理論計算主、被動土壓力，從而來確定盾構施工的土壓力值。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、軟弱或變形系數較大

15、、容易失水的地層，以此理論考慮主動土壓是偏小的，也是比較危險的。從施工來看，如果推進土壓力小于主動土壓力，當隧道埋深不大時，巖體會向下移動或坍塌。從而導致地表沉陷，形成一個塌陷區(qū)域。在沉降要求較為嚴格的部位，盡量使盾構機的推進壓力大于靜止土壓力，從而使土體產生向刀盤前方變形的趨勢或位移，以達到減小地層沉降的目的。但由于加大了盾構機的推進壓力，增大了盾構機的掘進扭矩、掘進功率，將加大掘進成本。同時由于土倉內的土壓增大，可能對盾構機的鉸接密封、盾構機的主軸承密封甚至刀盤刀具帶來負面影響。第17頁/共22頁計算實例 成都軌道交通17號線一期工程五桐廟停車場出入場線盾構區(qū)間隧道開挖直徑8634mm，采

16、用裝配式鋼筋砼管片襯砌，襯砌環(huán)外徑8300mm，內徑7500mm，管片寬度1500mm，管片厚度400mm；管片與地層間的空隙采用同步注漿回填。隧道上覆土厚度最大約m，最小約m。區(qū)間隧道主要穿行于中密實卵石層、密實卵石層。地層地下水主要為第四系孔隙水與基巖裂隙水。根據地勘報告，區(qū)間隧道圍巖等級為V級，出場線始發(fā)段隧道埋深約米，地下水位為地下2米。計算施工土壓力時，確定隧道埋深以m考慮，圍巖以中密卵石層考慮，采用淺埋隧道的土壓力計算方法計算土壓。第18頁/共22頁計算實例 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)，不致因盾構掘進發(fā)生變形或產生移位的趨勢，應以靜止土壓力為主要依據。根據施工所處的地段、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。 主動=z tan2（45-/2）-2ctan（45-/2） =2.206tan2（45-30/2）-20.35tan（45-30/2） =0.42 kg/cm242Mpa 靜止=2.26=0.424kg/cm2462Mpa