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，我國的城市地鐵施工必將走向了一個(gè)嶄新 的一頁。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(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(shí)，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(shí)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(shí) 或有坍塌的可能，或地下涌

2、水不能得到有效控制時(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(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(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)

3、定在選擇掘進(jìn)土壓力時(shí)主要考慮地層土壓，地下水壓（孔隙水壓），預(yù)先 考慮的預(yù)備壓力。地層施工土壓在我國鐵路隧道設(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。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2倍的施工坍方 平均高度，即Hp=（2） hq式中：Hp-深、淺埋隧道

4、分界的深度hq- 施工坍方平均高度，hq=x 26-S 3S 圍巖類別，如皿類圍巖，則S=33寬度影響系數(shù)，且3 =1+i（B-5）B 隧道凈寬度，單位以m計(jì)。i 以B=5m為基準(zhǔn)，B每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率。當(dāng)B5m取 i=。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(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：q= X 26一$丫3丫 一圍巖容重地層在產(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 由經(jīng)驗(yàn)公式可得

5、：(T aEh X (T zEh計(jì)算公式見下表圍巖分類WVIV皿III水平松動(dòng)壓力T a0（01/6） q（1/6 1/3 ） q（1/3 1/2） q（1/2 1） q淺埋隧道的土壓計(jì)算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t z= y h 為最大主應(yīng)力，而水平應(yīng)力T x二為最小主應(yīng)力(如圖所示)，其間存在如下 關(guān)系：er x=k . t z=k。. 丫 h式中：k。為側(cè)向土壓力系數(shù),k。二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。z,等于該處單位面積上土柱的質(zhì)量。如下圖所示：+

6、 0.000丫 1Y * h 1A-HT 匸、:主弋過人弋遼、.y.:二IHl呂_%,丫 2Y2xh 2L* . *m，b, 1地下水位丫 3Y3x h 3丫 nr nx h土的自重應(yīng)力分布(T z = Y lhl+ Y 2h2+ Y 3h3 Y nhn=藝 丫 i hi式中：Yi-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，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。二。粘土 k。二。(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)Ko= 1-sin Brooker公式(粘性土

7、層)K0= 式中，K):靜止土壓力系數(shù)。、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, k均為。主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力在淺埋隧道的施工過程中，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)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(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)土體中的側(cè)向土壓力減小到最小值，土體處于極限平衡狀態(tài)，即

8、主動(dòng) 極限平衡狀態(tài)。與此相應(yīng)的土壓力稱為主動(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)置偏高，刀盤對(duì)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(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)的土壓力稱為被動(dòng)土壓力Ept如下圖 所示:R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)，具體如下圖所示：此時(shí)土體內(nèi)的豎直應(yīng)力。z相當(dāng)于大主應(yīng)力，水平應(yīng)力 a相當(dāng)于

9、小主應(yīng)力0 a。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(dòng)土壓力。畫出土體的應(yīng)力圓，此時(shí)水平軸上。3處的E 點(diǎn)與應(yīng)力圓在抗剪強(qiáng)度線切點(diǎn)M的連線和豎直線間的夾角B為破裂角。由 圖可知:TB=1/2 / ENM=1/2(90- 0) =45 - $12(xa=o a = (Tz tan 2 (45o- $/2 ) -2ctan (45- $ /2 )式中，Tz：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)部摩擦角當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的推力偏大，土體處于向上滑動(dòng)的極限平衡狀態(tài)，具體如下 圖所示：Ep此時(shí)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)

10、力T z相當(dāng)于 小主應(yīng)力T 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(shí)，刀盤前 方的土體被破壞，向前滑移。此時(shí)作用在刀盤上的土壓力T P即土體的被動(dòng)土壓力z破裂角B由圖可知：B =1/2 / ENM=1/2(90+) =45 +/2(tp= i = (Tz tan 2 (45o+ /2 ) +2ctan (45+ /2 )式中，：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)部摩擦角地下水壓力計(jì)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(shí) 間有關(guān)。在計(jì)算水壓力時(shí)，由于地下水在

11、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7080%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(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) 不斷的向土倉內(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 Xy 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=，粘性土 中q=。丫水的容重h-地下水位距離刀盤頂部的高度。在實(shí)際施工中

12、，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水通道，當(dāng)盾構(gòu)長時(shí)間停機(jī)時(shí)，必將形成 一定的壓力水頭。(T wi=q 砂漿 Xy 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(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù) 值，一般取 q=。丫水的容重hw-補(bǔ)強(qiáng)注漿處和刀盤頂部的的高差。在計(jì)算水壓力時(shí)，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。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(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(cm2的壓力作為 預(yù)備壓力。三、施工實(shí)例廣州地鐵二

13、號(hào)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，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，高出隧道頂部8 27米。該工程穿越鐵路車站軌道，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 式開挖地層隧道 埋深地下水一 位深度理論土壓力計(jì)算依據(jù)實(shí)際土 壓力沉降值1土壓平 衡5-2井地層（H類圍巖）26m23m深埋隧道2土壓平 衡6#地層（川類圍

14、 巖）25m22m2bar深埋隧道2bar3土壓平 衡6#地層（川類圍 巖）四、幾點(diǎn)體會(huì)通過以上分析可知，由于刀盤對(duì)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(dòng)土壓力和主動(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EpEo 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(dòng)，地面隆起。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤前方的土壓力小于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：土1Ea |L壓力E0Ep位移土體向刀盤滑移土體向上向前滑移地面沉陷地面隆起土壓力管理與控制一般給出一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?。根?jù)施工所處的地

15、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地下水壓+ （靜止土壓或被動(dòng)土壓）+預(yù)備壓力（下限值）Pmin=fe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 倍以內(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(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)土壓是偏 小的，也是比較危險(xiǎn)的。