盾構(gòu)機土壓力計算

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可。在城市地鐵盾構(gòu)施工中，如何設(shè)輅 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(nèi)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(xiàn)敞開式模式掘進。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有效

2、控制時，縮回螺旋輸送機，關(guān)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(xiàn)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(gòu)，進行與盾構(gòu)推進量相應(yīng)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(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)機在不松動的圍巖中掘進，確保不產(chǎn)生地層損失，實現(xiàn)土壓平衡掘進模式。二、掘進土壓力的設(shè)定在選擇掘進土壓力時主要考慮地層土壓，

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-

4、施工坍方平均高度，hq=0.45X 26-%S 一圍巖類別，如田類圍巖，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。i以B=5mfe基準，B每增減1m時的圍巖壓力增減率。當(dāng)B<5m 時，取 i=0.2 , B>5miX 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:q=0.45 X 26。9丫 一圍巖容重地層在產(chǎn)生豎向

5、壓力的同時，也產(chǎn)生側(cè)向壓力，側(cè)向水平松動壓力0 a由經(jīng)驗公式可得:（T a=Ea X （T ZE計算公式見下表圍巖分類VIVIVm丑I水平松動壓力a a0(01/6) q(1/6 1/3) q(1/31/2) q(1/2 1) q2.1.3淺埋隧道的土壓計算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（7z=T 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：（Tx=k .（Tz=k。. 丫 h式中：k。為側(cè)向土壓力系數(shù)，k。=u /1- uu為巖體的泊松比。計

6、算地面以下深度為z處的地層自重應(yīng)力（T z,等于該處單位面積上土柱的質(zhì)量。如下圖所示：+ 0.0 0 0地下水位3|, jF * .r *.,.>3 h 3aJ，；,；.h -r n h n土的自重應(yīng)力分布（T z = Y lhl+丫 2（12+丫 3卜3+丫 nhn=E 丫 i hi式中：n第i層土的天然容重（地下水位以下一般采用浮容重），kN/m。h i 第i層土的厚度，mn-M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。=0.340.45。粘土 k。=0.50.7。（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）K

7、0= 1-sin （|）Brooker公式（粘性土層）K=0.95-sin（|）'式中，K: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)計規(guī)范建議，不分土的種類,k均為0.5。2.1.3.2主動土壓力與被動土壓力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)機推進時，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

8、度，使土體中的抗剪強度得到充分發(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：滑，動V.面在盾構(gòu)機推進時，由于推力（土壓力）設(shè)輅偏高，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：3.1.3.2.1.3.3主動與被動土壓力計算：根據(jù)盾構(gòu)機的特點及盾構(gòu)機施工的原理，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

9、土壓力。當(dāng)盾構(gòu)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(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，即土體的主動土壓力。畫出土體的應(yīng)力圓，此時水平軸上（T 3處的E 點與應(yīng)力圓在抗剪強度線切點M的連線和豎直線間的夾角（3為破裂角。由 圖可知:B=1/2/ENM=1/2（90-（|） =45 -（|）/2Ga= Ga = _ z tan 2 （45o-J/2） -2ctan （4S-（|）/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，小

10、：地層內(nèi)部摩擦角當(dāng)盾構(gòu)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（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（Ta。畫出土體的應(yīng)力圓，當(dāng)應(yīng)力圓與抗剪強度線相切時，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（7 P即土體的被動土壓力z破裂角B'由圖可知：B' =1/2/ENM=1/290+0 ) =450 +0/2er p= er i = (Tz tan 2 (45o+(j)/2) +2ctan (4S+(f)/2)式中，bz：深度為z處的地層自重應(yīng)力，c： 土的粘著力，z:地層深 度，?。旱貙觾?nèi)部摩擦

11、角2.2地下水壓力計算與控制當(dāng)?shù)叵滤桓哂谒淼理敳?，由于地層中孔隙的存在，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 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，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孔中流動時的阻力。故在掘進時地層中的水壓力可以 根據(jù)地層的滲透系數(shù)進行酌情考慮。當(dāng)盾構(gòu)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(nèi)流動

12、，直至將地層中壓力水頭差消除為止。此時的水壓力為：er w=q x 丫 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=0.81.0,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)長時間停機時，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)和注漿的飽滿程度確定的一個經(jīng)驗數(shù)值，一般取q= 0.81.0。丫 一水的容重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

13、.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10H20kg/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。整個區(qū)間隧道的地下水位較高，高出隧道頂部827 米。該工程穿越

14、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(chǎn)生的沉降對應(yīng)值。序 號掘進模 式開挖地層隧道 埋深地下水一 位深度里論土壓力計算依據(jù)實際土 壓力沉降值1土壓平 衡5-2#地層（口類圍巖）26m23m2.6-3.6bar深埋隧道2.6bar1.1mm2土壓平 衡6#地層（出類圍 巖）25m22m2bar深埋隧道2bar-5.5mm3土壓平 衡6#地層（出類圍 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(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 動土壓力和主動土壓力是側(cè)向土壓力的最大和最小的

15、極限值。而靜止土壓 力介于兩者之間，即Ep>Eo> Ea當(dāng)盾構(gòu)機刀盤前方的土壓力大于Ep 土 體被向盾構(gòu)機移動，地面隆起。當(dāng)盾構(gòu)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：11Ea |土 壓位移土體向上向前滑移地面隆起土體向刀盤滑移地面沉陷土壓力管理與控制一般給出一個適當(dāng)?shù)姆秶?。根?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=下水壓+ （靜止土壓或被動土壓）+ 預(yù)備壓力（下限值）Pmin=!下水壓+ 主動土壓在施工中

16、，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)機外徑 12 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，也是比較危險的。從施工來看，如果推進土壓力小