盾構土壓力計算

1、城市地鐵盾構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， 已經被越來越多的人們所認可。 在城市地鐵盾構施工中， 如何設置合理的土壓， 對于控制地表沉降有著至關重要的意義。一、土壓平衡復合式盾構機三種工況的簡要介紹 土壓平衡復合式盾構有三種工況，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 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

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，進行與盾構推進量相應的排土作業(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碴土的土壓力。以土倉內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，從而使盾構機在不松動的圍巖中掘進，確保不產生地層損失，實現土 壓平衡掘進模式。

3、二、掘進土壓力的設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），預先考慮的預備壓力。2.1 地層施工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。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=

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，且3 =1+i (B-5)B 隧道凈寬度，單位以m計。i 以B=5n為基準，B每增減1m時的圍巖壓力增減率。當 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，可以較為準確的計算岀盾構前方的松動土壓力。 但在實際施工工程之中，可以根據隧道圍巖分類和隧道結構參數，按照我國現行的鐵路隧道設計規(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、在產生豎向壓力的同時，也產生側向壓力，側向水平松動壓力ba由經驗公式可得：(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力T z=Y h為最大主應力，而水平應力T X=為最小主應力(如圖所示)，其間存在如下關系：t x=k。. t z=k. 丫 h式中：k。為側向土壓力系數，k。= U /1- UU為巖體的泊松比 計算地面以下深度為z

6、處的地層自重應力T z，等于該處單位面積上土柱的質量。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。靜止側向土壓力系數k。，即土的側壓力系數確定（1）經驗值： 砂：k。=0.34 0.45。粘土 k .=0.5 0.7。（ 2）半經驗公式，（目前一般在設計中采用雅基公式）（ Jaky ）（砂層）Ko= 1-sin $Brooker 公式（粘性土層）K0=0.95-sin $式中，K）:靜止土壓力系數。$ 、$為土的有效內摩擦角。（

7、3）日本規(guī)范 日本建筑基礎結構設計規(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 土體產生主動或被動土壓力。在盾構機推進時，由于推力（土壓力）設置偏低，工作面前方的土體向盾構機刀盤方向發(fā)生一個微小的移動或 滑動，土體出現向下滑動的趨勢或，為了抗拒土體向下滑動的趨勢的產生，土體中的抗剪力逐漸增大。當土體中的側 向應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如下圖所示:在盾構機推進時，由于推

8、力(土壓力)設置偏高，刀盤對土體的側向應力逐漸增大，刀盤前部的土體岀現向上 滑動的趨勢，為了抗拒土體向上滑動的趨勢的產生，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)。與此相應的土壓力稱為被動土壓力 Ep。如下圖所示：根據盾構機的特點及盾構機施工的原理，結合我國鐵路隧道設計施工的具體經驗，施工采用朗金理論計算主動 土壓力與被動土壓力。rHka當盾構機推力偏小，土體處于向下滑動的極限平衡狀態(tài)，具體如下圖所示：此時土體內的豎直應力b z相當于大主應力b 1,水平應力b a相當于小主應力b a。水平應力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。畫岀土體的應力圓，此時水平軸上b 3處的E點與應力圓在 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處的地層自重應力，c: 土的粘著力，Z：地層深度，$ :地層內部摩擦角當盾構機的推力偏大，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相當于大主應力b 1，而豎向應力b z相當于小主應力b a。畫岀土體的應力圓，當應力 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處的地層自重應力，c: 土的粘著力，z :地層深度，:地層內部摩擦角2.2 地下水壓力計算與控制當地下水位高于隧道頂部，由于地層中孔隙的存在，從而形成側向地下水壓。地下水壓力的大小與水力梯度、 滲透系數、滲透速度以及滲透時間有關。在計算水壓力時，由于地下水在流經土體時，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%的支擋結構，隨著刀盤的不斷往

11、前推進，土倉內 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。故在掘進時地層中的水壓力可以根據地層 的滲透系數進行酌情考慮。當盾構機因故停機時，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-根據土的滲透系數確定的一個經驗數值。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， 當盾構長時間停機時，必將形成一定的壓力水頭。g wi=q 砂漿 Xy

12、hwq砂漿-根據砂漿的滲透系數和注漿的飽滿程度確定的一個經驗數值，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1020kg/m2 （0.10.2kgf/cm2 ）的壓力作為 預備壓力。二、施工實例廣州地鐵二號線【越三區(qū)間隧道】盾構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生的沉降對應值。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，在土倉內產生的土壓力不同，土體中的側向土壓力的方向與 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。當盾構機刀盤前方的土壓力大于 Ep, 土體被向盾構機移動，地面隆起。當盾構機刀盤前方的土 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

15、限值）Pmax地下水壓+ （靜止土壓或被動土壓）+預備壓力 （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。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、容易失水的地層，以此理論考慮主動土壓