土倉(cāng)壓力計(jì)算PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1土倉(cāng)壓力計(jì)算土倉(cāng)壓力計(jì)算目錄目錄1土倉(cāng)壓力設(shè)定原則2土倉(cāng)壓力計(jì)算方法3土倉(cāng)壓力選擇2018-01-06第1頁(yè)/共22頁(yè)土倉(cāng)壓力設(shè)定原則 土壓平衡盾構(gòu)是通過(guò)密閉土艙內(nèi)切削泥土的壓力與開挖面水土壓力的平衡來(lái)減小對(duì)土體的擾動(dòng)的。設(shè)置合理的施工土壓力，對(duì)于控制地表沉降、提高掘進(jìn)速度、降低掘進(jìn)成本有著非常重要的意義。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，掘進(jìn)時(shí)土壓力的設(shè)定遵循以下原則： 1、在選擇掘進(jìn)土壓力時(shí)主要考慮地層土壓力、地下水壓力（孔隙水壓力），并考慮預(yù)備壓力； 2、土倉(cāng)內(nèi)的土壓力可以維持刀盤前方的圍巖穩(wěn)定，不致于因土壓偏低造成土體坍塌、地下水流失； 3、為了降低掘進(jìn)扭矩、推力，提高掘進(jìn)速度，減少土體對(duì)刀具

2、的磨損，土倉(cāng)內(nèi)的土壓力應(yīng)盡可能得低，以使掘進(jìn)成本最低。2018-1第2頁(yè)/共22頁(yè)土倉(cāng)壓力設(shè)定原則 開挖面平衡原理見圖。 土壓平衡盾構(gòu)正面推進(jìn)力可表示為 （） 式中：密封艙土壓力，； 開挖面?zhèn)认蜢o止土壓力，； 開挖面水壓力，。 為使開挖面保持穩(wěn)定，應(yīng)盡量滿足。2018-01-06第3頁(yè)/共22頁(yè)土倉(cāng)壓力計(jì)算方法 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。 2.12.1地層土壓地層土壓 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

3、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、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。（成拱作用使隧道在多裂隙圍巖（包括一般土層）中埋置較深時(shí)，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上覆層自重所造成的壓力。）2018-01-06第4頁(yè)/共22頁(yè)深、淺埋隧道的劃分 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、淺埋隧道分界的深度 hq-施工坍方平均高度，hq=0.452S-1 S圍巖類別，如類圍巖，則S=3 寬度影響系數(shù)，且=1+

4、i（B-5）； B隧道凈寬度，單位以m計(jì)； i以B=5m為基準(zhǔn)，當(dāng)B5m，取i=0.1；2018-01-06第5頁(yè)/共22頁(yè)深埋隧道地層壓力計(jì)算方法 對(duì)于深埋隧道，一般根據(jù)隧道圍巖分類和隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算公式計(jì)算圍巖豎直分布松動(dòng)壓力和水平松動(dòng)壓力。地層的水平側(cè)向力為：水平側(cè)向力= kh h= 0.452S-1式中，S圍巖級(jí)別，如級(jí)圍巖，則S=3； h圍巖壓力計(jì)算高度； 圍巖重度； 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)，當(dāng)B5m，取i=0.1； k根據(jù)圍巖級(jí)別確定的水平側(cè)壓力系數(shù)，具體見表1：圍巖級(jí)別水平側(cè)壓力系數(shù)00.150

5、.150.30.30.50.51.02018-01-06第6頁(yè)/共22頁(yè)淺埋隧道地層壓力計(jì)算方法1 1、靜止土壓力、靜止土壓力 靜止土壓力為處于靜止的彈性平衡狀態(tài)下的原狀天然土體的土壓力，也就是沒(méi)有受到盾構(gòu)施工擾動(dòng)時(shí)的土壓力。在深度處，在豎直面的主應(yīng)力，即靜止土壓力為 式中：土的靜止側(cè)壓力系數(shù);土的容重，； 計(jì)算點(diǎn)深度，。靜止側(cè)壓力系數(shù)的數(shù)值可通過(guò)室內(nèi)的或原位的靜止側(cè)壓力試驗(yàn)測(cè)定。 k。=/1- 為巖體的泊松比。也可按經(jīng)驗(yàn)確定：砂0.340.45；硬粘土、壓密砂性土0.50.7；極軟粘土、松散砂性土0.50.7。2018-01-06第7頁(yè)/共22頁(yè)淺埋隧道地層壓力計(jì)算方法2 2、主動(dòng)土壓力與被

6、動(dòng)土壓力、主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力 盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，刀盤擾動(dòng)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(dòng)土壓力或被動(dòng)土壓力。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，如果土倉(cāng)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(dòng)或滑動(dòng)，土體出現(xiàn)向下滑動(dòng)趨勢(shì)，為了抵抗土體的向下滑動(dòng)趨勢(shì)，土體的抗剪力逐漸增大。當(dāng)土體的側(cè)向應(yīng)力減小到一定程度，土體的抗剪強(qiáng)度充分發(fā)揮時(shí)，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(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，如圖2所示。圖圖2 2 主動(dòng)極限平衡狀態(tài)下的土體位移趨勢(shì)主動(dòng)極限平衡狀態(tài)下的土體位移趨勢(shì)2018-01-06第8頁(yè)/共22頁(yè)

7、淺埋隧道地層壓力計(jì)算方法主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力 盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，如果土倉(cāng)內(nèi)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)趨勢(shì)，為了抵抗土體的向上滑動(dòng)趨勢(shì)，土體的抗剪力逐漸增大，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，如圖3所示。圖圖3 3 被動(dòng)極限平衡狀態(tài)下的土體位移趨勢(shì)被動(dòng)極限平衡狀態(tài)下的土體位移趨勢(shì)2018-01-06第9頁(yè)/共22頁(yè)淺埋隧道地層壓力計(jì)算方法主動(dòng)土壓力計(jì)算：主動(dòng)土壓力計(jì)算： 根據(jù)盾構(gòu)的特點(diǎn)及盾構(gòu)施工原理，結(jié)合我國(guó)鐵路隧道設(shè)計(jì)、施工的具體經(jīng)驗(yàn)，采用朗金理論計(jì)算主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力。 盾構(gòu)推

8、力偏小時(shí)，土體處于向下滑動(dòng)的極限平衡狀態(tài)。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3。水平應(yīng)力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(dòng)土壓力：a =z tan2（45-/2）-2ctan（45-/2）式中，z深度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。2018-01-06第10頁(yè)/共22頁(yè)淺埋隧道地層壓力計(jì)算方法被動(dòng)土壓力計(jì)算：被動(dòng)土壓力計(jì)算： 盾構(gòu)的推力偏大時(shí)，土體處于向上滑動(dòng)的極限平衡狀態(tài)。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： p=1 =z tan2（45+/2）+2ctan（4

9、5+/2）式中， z深度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。2018-01-06第11頁(yè)/共22頁(yè)地下水壓計(jì)算方法 地下水位高于隧道頂部時(shí)，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(shí)間、滲透系數(shù)及滲透時(shí)間有關(guān)。由于地下水流經(jīng)土體時(shí)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(guò)程中，隨著刀盤的不斷向前推進(jìn)，土倉(cāng)內(nèi)的壓力處于原始土壓力值附近，考慮水在土中流動(dòng)時(shí)的阻力，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)酌情考慮。盾構(gòu)因故停機(jī)時(shí)，由于地層中壓力水頭差的存

10、在，地下水必然會(huì)不斷向土倉(cāng)內(nèi)流動(dòng)，直至將地層中壓力水頭差消除為止。此時(shí)土倉(cāng)的水壓力為：2018-01-06第12頁(yè)/共22頁(yè)地下水壓計(jì)算方法 w刀盤前=q h式中，q根據(jù)土層滲透系數(shù)確定的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，砂土q=0.51.0，粘性土q=0.10.5，風(fēng)化巖層q=00.5；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(shí)，地下水可能會(huì)沿隧道襯砌外部的空隙形成過(guò)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。此時(shí)的地下水壓：w盾尾后=q砂漿 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(yàn)數(shù)值，一般取q0.51.0；水的容重；hW補(bǔ)強(qiáng)注漿處與刀盤頂部的高差。

11、計(jì)算水壓力時(shí)，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)經(jīng)驗(yàn)，在掘進(jìn)過(guò)程中，一般按刀盤前方的地層水壓力進(jìn)行計(jì)算，在盾構(gòu)停機(jī)過(guò)程中，按盾尾后部的水壓力進(jìn)行計(jì)算。） 2018-01-06第13頁(yè)/共22頁(yè)施工土壓的設(shè)置方法2.32.3預(yù)備壓力預(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0.010.02Mpa的壓力作為預(yù)備壓力。2.4 2.4 土壓平衡盾構(gòu)施工土壓力的設(shè)置方法土壓平衡盾構(gòu)施工土壓力的設(shè)置方法 根據(jù)上述對(duì)地層土壓力、水壓力的計(jì)算原理分析，在土壓平衡盾構(gòu)

12、的施工過(guò)程中，土倉(cāng)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(duì)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；b、根據(jù)判斷的隧道類型初步計(jì)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(jì)算水平側(cè)向力；2018-01-06第14頁(yè)/共22頁(yè)施工土壓的設(shè)置方法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(yàn)，考慮0.0100.020Mpa的壓力值作為調(diào)整值來(lái)修正施工土壓力；f、根據(jù)確定的水平側(cè)向力、地層的水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(cāng)壓力設(shè)定值為：初步設(shè)定=水平側(cè)向力水壓力調(diào)

13、整 式中，初步設(shè)定初步確定的盾構(gòu)土倉(cāng)土壓力；水平側(cè)向力水平側(cè)向力； 水壓力地層水壓力；調(diào)整修正施工土壓力。g、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值和半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)一步對(duì)初步設(shè)定的土壓進(jìn)行驗(yàn)證比較，無(wú)誤時(shí)應(yīng)用施工之中；h、根據(jù)地表的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)施工土壓力進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，得出比較合理的施工土壓力值。2018-01-06第15頁(yè)/共22頁(yè)施工土壓的設(shè)置方法 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）P

14、min=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(lái)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)。 2018-01-06第16頁(yè)/共22頁(yè)施工土壓的設(shè)置方法 當(dāng)隧道埋深不大或圍巖極不穩(wěn)定時(shí)，可以用朗金理論計(jì)算主、被動(dòng)土壓力，從而來(lái)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(lái)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

15、、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。從施工來(lái)看，如果推進(jìn)土壓力小于主動(dòng)土壓力，當(dāng)隧道埋深不大時(shí)，巖體會(huì)向下移動(dòng)或坍塌。從而導(dǎo)致地表沉陷，形成一個(gè)塌陷區(qū)域。在沉降要求較為嚴(yán)格的部位，盡量使盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)壓力大于靜止土壓力，從而使土體產(chǎn)生向刀盤前方變形的趨勢(shì)或位移，以達(dá)到減小地層沉降的目的。但由于加大了盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)壓力，增大了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)扭矩、掘進(jìn)功率，將加大掘進(jìn)成本。同時(shí)由于土倉(cāng)內(nèi)的土壓增大，可能對(duì)盾構(gòu)機(jī)的鉸接密封、盾構(gòu)機(jī)的主軸承密封甚至刀盤刀具帶來(lái)負(fù)面影響。第17頁(yè)/共22頁(yè)計(jì)算實(shí)例 成都軌道交通17號(hào)線一期工程五桐廟停車場(chǎng)出入場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間隧道開挖直徑8634mm，采

16、用裝配式鋼筋砼管片襯砌，襯砌環(huán)外徑8300mm，內(nèi)徑7500mm，管片寬度1500mm，管片厚度400mm；管片與地層間的空隙采用同步注漿回填。隧道上覆土厚度最大約m，最小約m。區(qū)間隧道主要穿行于中密實(shí)卵石層、密實(shí)卵石層。地層地下水主要為第四系孔隙水與基巖裂隙水。根據(jù)地勘報(bào)告，區(qū)間隧道圍巖等級(jí)為V級(jí)，出場(chǎng)線始發(fā)段隧道埋深約米，地下水位為地下2米。計(jì)算施工土壓力時(shí)，確定隧道埋深以m考慮，圍巖以中密卵石層考慮，采用淺埋隧道的土壓力計(jì)算方法計(jì)算土壓。第18頁(yè)/共22頁(yè)計(jì)算實(shí)例 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)。根據(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。 主動(dòng)=z tan2（45-/2）-2ctan（45-/2） =2.206tan2（45-30/2）-20.35tan（45-30/2） =0.42 kg/cm242Mpa 靜止=2.26=0.424kg/cm2462Mpa