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(rèn)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(jī)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(jìn)模式。地層圍巖條件較好時， 螺旋輸送機(jī)伸入土倉，螺旋輸送機(jī)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(jī)之間的完全敞開，實現(xiàn)敞開式模式掘進(jìn)。當(dāng)圍巖穩(wěn)定性變壞，工作面有坍塌時或有坍塌的可能，或地下涌水不能得到

2、有效控制時， 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，土倉會被壓力封閉，控制地下水的涌出，防止坍塌的進(jìn)一步發(fā)生，即可實現(xiàn)半敞開式掘進(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，切削下來的碴土充滿土倉。與此同時， 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)過程中，始終維持開挖土量與排土量的平衡來維持倉內(nèi)碴土的土壓力。以土倉內(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)在不松動的圍巖中掘進(jìn)，確保不產(chǎn)生地層損失，實現(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)土壓力時主要考慮

3、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(biāo)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(jìn)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=（ 2 2.5） hq式中：Hp-深、淺埋

4、隧道分界的深度hq-施工坍方平均高度，hq=0.45× 26-SS 圍巖類別，如類圍巖，則S=3 寬度影響系數(shù)，且=1+i（ B-5）B 隧道凈寬度，單位以m計。1 以 B=5m為基準(zhǔn)，B每增減1m時的圍巖壓力增減率。當(dāng)B<5m時，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(zhǔn)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：6Sq=0.45 × 26

5、-S 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a由經(jīng)驗公式可得：a=Ea × ZEa計算公式見下表圍巖分類水平松動壓力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(yīng)力z= h 為最大主應(yīng)力，而水平應(yīng)力 x=為最小主應(yīng)力（如圖所示），其間存在如下關(guān)系： x=k。 . z=k。 . h式中 : k 。 為側(cè)向土壓力系數(shù), k 。 = /1- 為巖體的泊松比。計算地面以

6、下深度為z 處的地層自重應(yīng)力z， 等于該處單位面積上土柱的質(zhì)量。如下圖所示： z = 1h1 + 2h2+ 3h3+ + nhn=i hi式中： i 第 i 層土的天然容重（地下水位以下一般采用浮容重）， kN/m3。h i 第 i 層土的厚度，m。n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)驗值：砂： k 。 =0.34 0.45。粘土 k 。 =0.5 0.7。（ 2）半經(jīng)驗公式，（目前一般在設(shè)計中采用雅基公式）（ Jaky） （砂層）K0= 1-sin Brooker 公式（粘性土層）K0=0.95-sin 式中，K0：靜止土壓力系數(shù)。、 為土的有

7、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(jī)推進(jìn)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(jī)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

8、構(gòu)機(jī)推進(jìn)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Ep。如下圖所示：根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的特點及盾構(gòu)機(jī)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，施工采用朗金理論計算主動土壓力與被動土壓力。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)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：EarHka-rHka此時土體內(nèi)的豎直應(yīng)力z相當(dāng)于大主應(yīng)力1，水平應(yīng)力a相當(dāng)于小主應(yīng)力水平應(yīng)力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

9、壓力。畫出土體的應(yīng)力圓，此時水平軸上3處的 E點與應(yīng)力圓在抗剪強(qiáng)度線切點M的連線和豎直線間的夾角為破裂角。由圖可知：=1/2 ENM=1/(2 90- )=45° - /2a= a = z tan 2( 45o- /2) -2ctan ( 45o- /2)式中，z：深度為z 處的地層自重應(yīng)力，c：土的粘著力，z：地層深度， ：地層內(nèi)部摩擦角此時刀盤前方的土壓力p相當(dāng)于大主應(yīng)力1， 而豎向應(yīng)力z相當(dāng)于小主應(yīng)力a。畫出土體的應(yīng)力圓，當(dāng)應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)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土壓力p即土體的被動土壓力。破裂角由圖可知：=1/2 ENM=1/(2 90+)

10、=45° + /2p= 1 = z tan 2( 45o+ /2 ) +2ctan( 45o+ /2)式中，z：深度為z 處的地層自重應(yīng)力，c：土的粘著力，z：地層深度， ：地 層內(nèi)部摩擦角3.2 地下水壓力計算與控制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(jìn)過程中，由于刀盤并非完全開口，而是中間有70 80的支擋結(jié)構(gòu)，隨著刀盤的不斷往前推進(jìn)，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(xì)孔中流動時的阻力。故在掘進(jìn)時地層中的水壓力

11、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，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，直至將地層中壓力水頭差消除為止。此時的水壓力為： w=q × hq -根據(jù)土的滲透系數(shù)確定的一個經(jīng)驗數(shù)值。砂土中q 0.8 1.0，粘性土中q0.3 0.5。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(dāng)盾構(gòu)長時間停機(jī)時，必將形成一定的壓力水頭。w1=q 砂漿×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 0.8 1.0。水的容重hW補(bǔ)

12、強(qiáng)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(jìn)行考慮。3.3 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。 按照施工經(jīng)驗，在對沉降要求比較嚴(yán)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10 20kg/m2（ 0.1 0.2kgf/cm2）的壓力作為預(yù)備壓力。三 、施工實例廣州地鐵二號線【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約28米，最小約9米。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(fēng)化巖 8 、強(qiáng)風(fēng)化巖7和微風(fēng)化巖9，

13、其次為全風(fēng)化巖6和殘積土層5-2。整個區(qū)間隧道的地下水位較高，高出隧道頂部8 27 米。該工程穿越鐵路車站軌道，對地表沉陷控制要求特別嚴(yán)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(jìn)產(chǎn)生的沉降對應(yīng)值。序 號掘進(jìn)模式開挖地層隧道 埋深地下水理論土壓力位深度理論土壓力計算依據(jù)實際土壓力沉降值1土壓平衡5-2地層（類圍巖）26m23m2.6-3.6bar深埋隧道2.6bar1.1mm2土壓平衡6地層（類圍巖）25m22m2bar深埋隧道2bar-5.5mm3土壓平衡6地層（類圍巖）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

14、的發(fā)生著變化。被動土壓力和主動土壓力是側(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)刀盤前方的土壓力大于Ep，土體被向盾構(gòu)機(jī)移動，地面隆起。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)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(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=地下水壓+（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(jī)外徑1 2 倍以內(nèi)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(gòu)掘進(jìn)發(fā)生變形或產(chǎn)生移位的趨勢，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(qiáng)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