盾構(gòu)土壓力計(jì)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(guó)的城市地鐵施工必將走向了一個(gè)嶄新的一頁(yè)。城市地鐵盾構(gòu)施工具有快速、安全、對(duì)地面建筑物影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被越來(lái)越多的人們所認(rèn)可。在城市地鐵盾構(gòu)施工中，如何設(shè)輅 合理的土壓，對(duì)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(jī)三種工況的簡(jiǎn)要介紹土壓平衡復(fù)合式盾構(gòu)有三種工況，即敞開(kāi)式、半敞開(kāi)式、土壓平衡三種掘進(jìn)模式。地層圍巖條件較好時(shí)，螺旋輸送機(jī)伸入土倉(cāng)，螺旋輸送機(jī)的卸料口完全打開(kāi)，土倉(cāng)內(nèi)不保持土壓，維持刀盤(pán)、土倉(cāng)、螺旋輸送機(jī)之間的完全敞開(kāi)，實(shí)現(xiàn)敞開(kāi)式模式掘進(jìn)。當(dāng)圍巖穩(wěn)定性變壞，工作面有坍塌時(shí)或有坍塌的可能，或地下涌水不能得到有

2、效控制時(shí)，縮回螺旋輸送機(jī)，關(guān)閉螺旋輸送機(jī)的卸料口，壓入壓縮空氣，土倉(cāng)會(huì)被壓力封閉，控制地下水的涌出，防止坍塌的進(jìn)一步發(fā)生，即可實(shí)現(xiàn)半敞開(kāi)式掘進(jìn)模式；若水壓力大或工作面不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，則先停止螺旋輸送機(jī)的出碴，切削下來(lái)的碴土充滿(mǎn)土倉(cāng)。與此同時(shí)，用螺旋輸送機(jī)排土機(jī)構(gòu)，進(jìn)行與盾構(gòu)推進(jìn)量相應(yīng)的排土作業(yè)，掘進(jìn)過(guò)程中，始終維持開(kāi)挖土量與排土量的平衡來(lái)維持倉(cāng)內(nèi)碴土的土壓力。以土倉(cāng)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(jī)在不松動(dòng)的圍巖中掘進(jìn)，確保不產(chǎn)生地層損失，實(shí)現(xiàn)土壓平衡掘進(jìn)模式。二、掘進(jìn)土壓力的設(shè)定在選擇掘進(jìn)土壓力時(shí)主要考慮地層土壓

3、，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(guó)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中，根據(jù)大量的施工經(jīng)驗(yàn)，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(lèi)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(jì)算方式進(jìn)行施工土壓計(jì)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(dòng)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(yàn)，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= (2-2.5) hq式中：Hp-深、淺埋隧道分界的深

4、度hq-施工坍方平均高度，hq=0.45X 26-%S 一圍巖類(lèi)別，如田類(lèi)圍巖，則S=33寬度影響系數(shù)，且(o=1+i (B-5)B 一隧道凈寬度，單位以m計(jì)。i以B=5m基準(zhǔn)，B每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率。當(dāng)B<5m 時(shí)，取 i=0.2 , B>5n< i=0.1。2.1.2 深埋隧道的土壓計(jì)算在深埋隧道中，按照太沙基土壓力理論計(jì)算公式以及日本村山理論，可以較為準(zhǔn)確的計(jì)算出盾構(gòu)前方的松動(dòng)土壓力。但在實(shí)際施工工程之中，可以根據(jù)隧道圍巖分類(lèi)和隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照我國(guó)現(xiàn)行的鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦的計(jì)算圍巖豎直分布松動(dòng)壓力q的計(jì)算公式：6-Sq=0.45 X 2 丫 3丫 一圍巖容

5、重地層在產(chǎn)生豎向壓力的同時(shí)，也產(chǎn)生側(cè)向壓力，側(cè)向水平松動(dòng)壓力0 由經(jīng)驗(yàn)公式可得：（T a=Ea X （T zEa計(jì)算公式見(jiàn)下表圍巖分類(lèi)VIVIVm丑I水平松動(dòng)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(jì)算2.1.3.1靜止土壓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(shí)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"z= '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：er x=k。. er z=k。. 丫 h式中：k。為側(cè)向土壓力系數(shù)，

6、k。= u/1- uu為巖體的泊松比。計(jì)算地面以下深度為z處的地層自重應(yīng)力（TZ,等于該處單位面積上土柱的質(zhì)量。如下圖所示:+ 0.000土的自重應(yīng)力分布（T z = Y lhl+ 丫 2h2+ 丫 3h3+ 丫 nhn=E 丫 i hi式中：第i層土的天然容重（地下水位以下一般采用浮容重），kN/mth i 第i層土的厚度，mn-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(yàn)值：砂：k。=0.340.45。粘土 k =0.5 0.7。（2）半經(jīng)驗(yàn)公式，（目前一般在設(shè)計(jì)中采用雅基公式）（Jaky）（砂層）K0= 1-sin （|）Brooker公式（粘性土層）

7、K0=0.95-sin（|）'式中，K0：靜止土壓力系數(shù)。d、小為土的有效內(nèi)摩擦角。（3）日本規(guī)范 日本建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范建議，不分土的種類(lèi),k均為0.52.1.3.2 主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力在淺埋隧道的施工過(guò)程中，由于施工的擾動(dòng)，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(pán)前方土體產(chǎn)生主動(dòng)或被動(dòng)土壓力。在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)，由于推力（土壓力）設(shè)輅偏低，工作面前方的土體 向盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)方向發(fā)生一個(gè)微小的移動(dòng)或滑動(dòng)，土體出現(xiàn)向下滑動(dòng)的趨勢(shì) 或，為了抗拒土體向下滑動(dòng)的趨勢(shì)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(qiáng)度得到充分發(fā)揮, 此時(shí)土體中的

8、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(dòng) 極限平衡狀態(tài)。與此相應(yīng)的土壓力稱(chēng)為主動(dòng)土壓力Ea。如下圖所示：在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)，由于推力（土壓力）設(shè)輅偏高，刀盤(pán)對(duì)土體的側(cè)向 應(yīng)力逐漸增大，刀盤(pán)前部的土體出現(xiàn)向上滑動(dòng)的趨勢(shì)，為了抗拒土體向上 滑動(dòng)的趨勢(shì)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(dòng)極限平衡狀態(tài)。與此相應(yīng)的土壓力稱(chēng)為被動(dòng)土壓力Epx如下圖 所示：2.1.3.3 主動(dòng)與被動(dòng)土壓力計(jì)算：根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)及盾構(gòu)機(jī)施工的原理，結(jié)合我國(guó)鐵路隧道設(shè)計(jì)施工 的具體經(jīng)驗(yàn)，施工采用朗金理論計(jì)算主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推力偏小，土體處于向下滑動(dòng)的極限平衡狀態(tài)，具體如下圖

9、EaHka-rHka所示:此時(shí)土體內(nèi)的豎直應(yīng)力（T z相當(dāng)于大主應(yīng)力（T 1,水平應(yīng)力（T a相當(dāng)于小主應(yīng)力（7 a。水平應(yīng)力（7 a為維持刀盤(pán)前方的土體不向下滑移需要的最小土壓力，即土體的主動(dòng)土壓力。畫(huà)出土體的應(yīng)力圓，此時(shí)水平軸上（T 3處的E點(diǎn)與應(yīng)力圓在抗剪強(qiáng)度線(xiàn)切點(diǎn)M的連線(xiàn)和豎直線(xiàn)間的夾角（3為破裂角。由 圖可知:B=1/2/ENM=1/2（90-d） =45 - 0/2Ga=G a = 6z tan 2 （45o-（M2） -2ctan （45-（|）/2）式中，bz：深度為z處的地層自重應(yīng)力，c： 土的著力，z:地層 深度，?。旱貙觾?nèi)部摩擦角當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的推力偏大，土體處于向上滑動(dòng)的極限

10、平衡狀態(tài)，具體如下圖所示：此時(shí)刀盤(pán)前方的土壓力（T P相當(dāng)于大主應(yīng)力（T 1,而豎向應(yīng)力（T z相當(dāng)于小主應(yīng)力山。畫(huà)出土體的應(yīng)力圓，當(dāng)應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度線(xiàn)相切時(shí)，刀盤(pán)前 方的土體被破壞，向前滑移。此時(shí)作用在刀盤(pán)上的土壓力b P即土體的被動(dòng)土壓力M.k：X x'E'JvE，八=，ZN 、e 3 1=(T p /破裂角B'由圖可知：B' =1/2/ENM=1/2(90+0 ) =45° +0/2 p= -1 = er z tan 2 (45o+ ”2 ) +2ctan (45+ j /2 )式中，口：深度為z處的地層自重應(yīng)力，c： 土的粘著力，z:地層深 度

11、，?。旱貙觾?nèi)部摩擦角2.2 地下水壓力計(jì)算與控制當(dāng)?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(shí) 間有關(guān)。在計(jì)算水壓力時(shí)，由于地下水在流經(jīng)土體時(shí)，受到土體的阻力， 引起水頭損失。作用在刀盤(pán)上的水壓力一般小于該地層處的理論水頭壓力。在掘進(jìn)過(guò)程中，由于刀盤(pán)并非完全開(kāi)口，而是中間有7080%的支擋 結(jié)構(gòu)，隨著刀盤(pán)的不斷往前推進(jìn)，土倉(cāng)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(dòng)時(shí)的阻力。故在掘進(jìn)時(shí)地層中的水壓力可以 根據(jù)地層的滲透系數(shù)進(jìn)行酌情考慮。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)因故停機(jī)時(shí)，由于地層中壓力水頭差的存在，地下水必然會(huì)

12、不斷的向土倉(cāng)內(nèi)流動(dòng)，直至將地層中壓力水頭差消除為止。此時(shí)的水壓力為：(rw=q x 丫 hq -根據(jù)土的滲透系數(shù)確定的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。砂土中q=0.81.0, 粘性土中q=0.30.5。丫 一水的容重h-地下水位距離刀盤(pán)頂部的高度。在實(shí)際施工中，由于管片頂部的注漿可能會(huì)不密實(shí)，故地下水可能會(huì)沿著隧道襯砌外部的空隙形成過(guò)水通道，當(dāng)盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，必將形成一定的壓力水頭。一(T wi=q 砂漿 x 丫 hwq 砂漿 - 根據(jù)砂漿的滲透系數(shù)和注漿的飽滿(mǎn)程度確定的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，一般取q=0.81.0。丫 一水的容重hw-補(bǔ)強(qiáng)注漿處和刀盤(pán)頂部的的高差。在計(jì)算水壓力時(shí)，刀盤(pán)后部的水壓力與刀盤(pán)前方的水壓力取

13、大值進(jìn)行考慮。2.3 預(yù)備壓力由于施工存在許多不可遇見(jiàn)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(yàn)，在對(duì)沉降要求比較嚴(yán)格的地段計(jì)算土壓力時(shí)，通常在理論計(jì)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。三 、施工實(shí)例廣州地鐵二號(hào)線(xiàn)【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(zhǎng)3926.034米。隧道上覆土厚度最大約28米，最小約9 米。隧道通過(guò)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(qiáng)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(gè)區(qū)間隧道的地下水位較高，高出

14、隧道頂部827米。該工程穿越鐵路車(chē)站軌道，對(duì)地表沉陷控制要求特別嚴(yán)格。以下為前一段時(shí)間工地土壓力理論計(jì)算值與實(shí)際土壓值和掘進(jìn)產(chǎn)生的 沉降對(duì)應(yīng)值。序 號(hào)掘進(jìn)模 式開(kāi)挖地層隧道 埋深地下水、一、 二 位深度里論土壓力計(jì)算依據(jù)實(shí)際土 壓力沉降值1土壓平 衡5-2 #地層（口類(lèi)圍巖）26m23m2.6-3.6bar深埋隧道2.6bar1.1mm2土壓平 衡6#地層（出類(lèi)圍 巖）25m22m2bar深埋隧道2bar-5.5mm3土壓平 衡6#地層（出類(lèi)圍 巖）四、幾點(diǎn)體會(huì)通過(guò)以上分析可知，由于刀盤(pán)對(duì)土體的推力不同，在土倉(cāng)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(dòng)土壓

15、力和主動(dòng)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Ep>Eo> Ea當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方的土壓力大于Epp 土 體被向盾構(gòu)機(jī)移動(dòng)，地面隆起。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方的土壓力小于Ea時(shí)，土 體向下滑動(dòng)，可能引起地層和地面的沉降。如下圖：9位移土體向上向前滑移 地面隆起土體向刀盤(pán)滑移 地面沉陷土壓力管理與控制一般給出一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶８鶕?jù)施工所處的地段、 地層、施工環(huán)境給出一個(gè)土壓上限值，以及一個(gè)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(dòng)土壓）+預(yù)備壓力（下限值）Pmin=i下水壓+ 主動(dòng)土壓在施工中，深埋隧道按照鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)考慮施工土壓力時(shí)，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(jī)外徑12 倍以?xún)?nèi)的土壓力較為合適。在淺埋隧道施工時(shí)，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(jìn)發(fā)生變形或產(chǎn)生移位的趨勢(shì)，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(shí)時(shí)，可以用朗金理論計(jì)算主、被動(dòng) 土壓力，從而來(lái)確定盾構(gòu)施工的土壓力值。按照朗金理論計(jì)算的主動(dòng)土壓是考慮開(kāi)挖面的穩(wěn)定由土體本身強(qiáng)度來(lái) 維持，是基于允許開(kāi)挖面有一定的變形或移動(dòng)，所以對(duì)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(dòng)土壓