盾構(gòu)掘進(jìn)主要參數(shù)計算方式

1、盾構(gòu)掘進(jìn)主要參數(shù)計算方式1、縱坡32、土壓平衡盾構(gòu)施工土壓力的設(shè)置方法 42.1 深埋隧道土壓計算 52.2 淺埋隧道的土壓計算 52.2.1 主動土壓力與被動土壓力 52.2.2 主動十壓力與被動十壓力計算： 62.3 地下水壓力計算 72.4 案例題82.4.1 施工實例1 82.4.2 施工實例2103、盾構(gòu)推力計算 124、盾構(gòu)的扭矩計算 121、縱坡隧道縱坡：隧道底板兩點間數(shù)值距離除以水平距離J：001JL,0：03500.0625如圖所示：隧道縱坡=(200-100) /500=2%。注：規(guī)范要求長達(dá)隧道最小縱坡 >=0.3%,最大縱坡=<3.0%2、土壓平衡盾構(gòu)施工土

2、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(jìn)行分類，判斷出隧道是屬于深埋隧道還是淺埋隧道(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(fù)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0.0100.020Mpa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

3、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+ (T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 水平側(cè)向力；(T 7K壓力一地層水壓力；(T調(diào)整修正工土壓力。g、根據(jù)經(jīng)驗值和半經(jīng)驗公式進(jìn)一步對初步設(shè)定的土壓進(jìn)行驗證比較，無誤時應(yīng)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(jìn)行及時調(diào)整，得出比 較合理的施工土壓力值。2.1 深埋隧道土壓計算深埋隧道 (T水平側(cè)向力 =q X 0.4 1X1.79 sq一水平側(cè)向力系數(shù)見表1表1水平側(cè)壓力系數(shù)表圍巖分類I口mIVVVI水平側(cè)壓力系數(shù)q01/61/6 1/31/3

4、 1/21/2 1一寬度影響系數(shù)，且 =1+i (B-5), i 以B=5m為基準(zhǔn)，當(dāng)B<5mW,取i=0.2 ,當(dāng) B>5m 取 i=0.1 ;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S一圍巖級別，如田級圍巖，則 S=32.2 淺埋隧道的土壓計算2.2.1 主動土壓力與被動土壓力盾構(gòu)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(chǎn)生主動土壓力或被動土壓力盾構(gòu)推進(jìn)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(dāng)土體的側(cè)向

5、應(yīng)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(yīng)的土壓力稱為主動土壓力Ea,如圖1所示盾構(gòu)推進(jìn)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(yīng)力逐漸增大, 刀盤前部的土體出現(xiàn)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)，點+出面線受施工影響后地面線 原地面線 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Ep,如圖2所示?；祉?.2.2主動土壓力與被動土壓力計Ep圖2被動極限平衡狀態(tài)下的土體位移根據(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

6、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(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(T 3。水平應(yīng)力(T 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：(Ta = (Tz tan 2 (45° -小/2 ) -2ctan (45° -1 /2 )心深度Z處的地層自重應(yīng)力；c 土的粘著力；z 地層深度；小一地層內(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6p相當(dāng)于大主應(yīng)力61,而豎向應(yīng)力z相當(dāng)于小主應(yīng)力6a：(tp=(t

7、i = (Tz tan 2 (45°+()/2 ) +2ctan (45°+(|)/2 )式中，(Tz 深度z處的地層自重應(yīng)力;c土的粘著力；z-地層深度；小一地層內(nèi)部摩擦角2.3 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(jìn)過程中，隨著刀盤的不斷向前推進(jìn)，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(jìn)時地層中的水壓力

8、可以根據(jù)地層的滲透 系數(shù)酌情考慮。盾構(gòu)因故停機(jī)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：（T w刀盤前=q x 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=0.51.0,粘性土 q=0.10.5 ,風(fēng)化巖層q=00.5 ;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(dāng)盾構(gòu)長時間停機(jī)時，必將形成一定的壓力水頭。此時的地 下水壓：0-w盾尾后-q砂漿x 丫 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

9、般取 q = 0.5 1.0 ;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(jìn)過程中，一般按刀盤前方的地層水壓力進(jìn)行計算，在盾構(gòu)停機(jī)過程中，按盾尾后部的水壓力進(jìn)行計算。）2.4案例題2.4.1 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)工程位于廣州市越秀區(qū)和白云區(qū)，全 長3926.034m,區(qū)間隧道開挖直徑 6300mm采用裝配式鋼筋碎管片襯砌，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

10、小約9nl區(qū)間隧道穿越地層大部分是中風(fēng)化巖8、強風(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 >,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(xué)參數(shù)表巖土 分層巖土 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(biāo)準(zhǔn)值符號PEs1-2cquKmK0f k單位g/cm3MPaKPaKPaMPa/mKPa1雜填土1. 82302-1淤泥質(zhì)土2.220.42100.72603-2沖、洪積砂層1.950.25200.331005-1殘積土（可塑、 稍密）1.933

11、.1520.711.059.70.30550.43220殘積土（硬塑、5-2中密）1.994.2340.017.31210.28700.393006巖石全風(fēng)化帶1.953.9337.016.71250.251000.333507粉土（強風(fēng)化）1.923.1670.530.42202盾構(gòu)穿越建筑物密集群地段自YDK14 200至YDK17P 050,盾構(gòu)進(jìn)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(fēng)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

12、,圍巖以殘積土層（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:S(T水平側(cè)向力=q x 0.4 1 x 1.79 =(1/3 1/2) x 0.4 1X1.79 2(1+0.1 (6.3-5) )kg/cm2=0.049 0.074Mpa由于全風(fēng)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考慮0.0100.020Mpa的壓力值作為調(diào)整值來修正施工土壓力，即=0.010 0.020Mpa。-5.0-6.0-7.0-8.02.01.0)mm(值沉下圖3盾構(gòu)穿越建筑物密集群地段沉降監(jiān)測結(jié)果調(diào)整(Ter w刀盤前=q x y h

13、=0.1 x 1 x 20=0.2 kg/cm 2=0.02 Mpa（T初步設(shè)定=（T水平側(cè)向力 + （T水壓力 + （T調(diào)整=0.079 0.10 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：從監(jiān)測結(jié)果可以看出，地表最大沉降-7.6mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于合同規(guī)止的-30mm同時少數(shù)點位在掘進(jìn)過程有隆起現(xiàn)象，個別點隆起1.3mm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 YDK16P 230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。

14、此 位置的地層主要為強風(fēng)化(7)和殘積土層(5-2)、(5-1)地層，隧道埋深8nl 人行通道距隧道3.5m。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 計算土壓。地層的水平側(cè)向力為：er 水平側(cè)向力=er z tan (45 - ()/2 ) -2ctan (45 - ()/2 )=1.99 X8X tan2 (45° -17.3 ° /2 ) -2 x 0.40tan (45° -17.3 ° /2 )=0.803 kg/cm 2=0.0803 Mpa在殘

15、積土層中考慮地層水壓力時q取0.1 ,0- w刀盤前=q x 丫 h=0.1 x 1 x 8=0.08 kg/cm 2=0.008 Mpa考慮0.0100.020Mpa的壓力值作為調(diào)整值來修正施工土壓力，即 調(diào)整 =0.010 0.020Mpa。(T初步設(shè)定=(T水平側(cè)向力 + (T水壓力 + (T調(diào)整=0.101 0.111 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: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10.5)0m -m(-0.5值降、-1-1.5-2環(huán)數(shù)15 23:61 67 73 80 87 91 96 10511112012

16、6 T1圖4通過地下人行通道時地表沉降觀測圖進(jìn)行土壓計算是合理的2.4.2 施工實例2盾構(gòu)機(jī)穿越廣州火車站站場越三區(qū)間右線隧道YCK16+745.5YCK16+910.5長165m區(qū)段穿越廣州火車站站場 的十四股軌道；左線 ZCK16+768-ZCK16+925.5長157.5m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(fēng)化(8)地層和強風(fēng)化(7)地層，隧道埋深1520m在施工過程中，為了達(dá)到施工招標(biāo)文件“盾構(gòu)掘進(jìn)通過火車站時，軌面沉 降值不得超過10mm兩股鋼軌水平高差不得超過 4mm及“在任何情況下，最 大隆起量不得超過+10mm的地表沉降規(guī)定，確定根據(jù)地層狀況和

17、隧道周邊施工 環(huán)境，隧道埋深以20m考慮，圍巖以強風(fēng)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：,，一，,，一八 Ser水平側(cè)向力二qX 0.4 1 X 1.79=(1/61/3) X 0.4 1X1.79 2(1+0.1 (6.3-5) )kg/cm2=0.025 0.049 Mpa考慮到地表環(huán)境復(fù)雜，在計算土壓力時6水平側(cè)向力 =0.049 Mpa。在強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，計算地層水壓力時q取0.05,er w刀盤前=q x 丫 h=0.05 x 1 x 20=0.1 kg/cm 2=0.01 Mpa考慮0.0100.020Mpa的壓力值作為調(diào)整值來修正施工土壓力，

18、即 調(diào)整=0.010 0.020Mpa。(T初步設(shè)定=(T水平側(cè)向力 + (T水壓力+ (T調(diào)整=0.069 0.079Mpa考慮左右線施工的相互影響，左線土壓比右線高0.010.02Mpa。盾構(gòu)在穿越火車站站場時，沉降監(jiān)測結(jié)果如圖 5、圖6所示: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5.4mm小于10mm的控制標(biāo)準(zhǔn)，與理論計算的地表最大沉降值6.9mm基本接近；兩條鋼軌面高差為1nlm，小于4mm勺施工要求，則說明在掘進(jìn)過程中土壓力的選擇是科學(xué)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：F Fi F2 F3 F4 F5式中：Fi為盾構(gòu)外殼與土體之間的摩擦力；F2為刀盤

19、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1Fi -(Pe Poi P P2)DL .4式中：土與鋼之間的摩擦系 數(shù)，計算時取 0.3式中：Pd為水平土壓力，Pd(h -D)式中：C為土的粘結(jié)力，C=4.5t/m2式中：Wc、仙c為兩環(huán)管片的重量(計算時假定有兩環(huán)管片的重量作用在盾尾內(nèi)， 當(dāng)管片容重為2.5t/m3,管片寬度按1.5m計時，每環(huán)管片的重量為24.12t) 兩環(huán)管片的重量為48.24t考慮。c c=0.34、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(jìn)行刀盤扭矩計算時：M M1 M2 M 3 M4 M5 M6 M7 M

20、 8 M 9式中：M1為刀具的切削扭矩；M 2為刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩M 3為刀盤的推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩；M 4為密封裝置產(chǎn)生的摩擦力矩M 5為刀盤前表面上的摩擦力矩；M 6為刀盤圓周面上的摩擦力矩M 7為刀盤背面的摩擦力矩；M 8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MiR012Mi 0 Chrdr Mi 2(C hmaXRo)式中：C： 土的抗剪應(yīng)力，C=C+PdXtg 小=4.5+14.52X tg20° =9.78t/m2hmax：刀盤每轉(zhuǎn)的最大切削深度，hmax=8cm/轉(zhuǎn)Ro：最外圈刀具的半徑，Ro=3.14mb.刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩 M2M2=GR g 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=2.6mpg:滾動摩擦系數(shù)，計算時取為仙g=0.004c.刀盤的推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩M3M3=WpRg pzWp=a 兀 Rc2Pd式中：Wp：推力荷載 ；a：刀盤封閉系數(shù)，a =0.70Rg：軸承推力滾子接觸半徑，Rg=1.25m ; Rc：刀盤半徑，Rc=3.14邛：滾動摩擦系數(shù)，z z=0.004 ; Pd