盾構(gòu)土壓力計(jì)算

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上城市地鐵盾構(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。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(cāng)，螺旋輸送機(jī)的卸料口完全打開，土倉(cāng)內(nèi)不保持土壓，維持刀盤、土倉(cāng)、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

2、能，或地下涌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(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(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)過程中，始終維持開挖土量與排土量的平衡來維持倉(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)

3、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。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=（22.5）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=0.45×26-S S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(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)B<5m時(shí)，取i=0.2，B>5m,取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： q=0.45×26-S 圍巖容重地層在產(chǎn)

5、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a由經(jīng)驗(yàn)公式可得：a=Ea × ZEa計(jì)算公式見下表圍巖分類水平松動(dòng)壓力a0（01/6）q（1/61/3）q（1/31/2）q（1/21）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(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。

6、如下圖所示：z =1h1+2h2+3h3+nhn=ihi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(yàn)值： 砂： k。=0.340.45。 粘土 k。=0.50.7。（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-sinBrooker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0.5。2.1.3.2主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓

7、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

8、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Ep。如下圖所示：3.1.3. 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1，水平應(yīng)力a相當(dāng)于小主應(yīng)力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

9、線切點(diǎn)M的連線和豎直線間的夾角為破裂角。由圖可知：=1/2ENM=1/2（90-）=45°-/2a=a =z tan2（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：此時(shí)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(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p即土體的被動(dòng)土壓力。破裂角由圖可知： =1/2ENM=1/2（90+）=45°+/2p=1

10、=z tan2（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2.2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(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

11、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(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：w=q ×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q0.81.0，粘性土中q0.30.5。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，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(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，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(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，一般取q0.81.0。水的容重hW補(bǔ)強(qiáng)注漿處和刀盤頂

12、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。2.3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(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（0.10.2kgf/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【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

13、。整個(gè)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）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(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)土壓力和主動(dòng)土壓力是

14、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(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=地下水壓+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，