盾构施工土压力确定

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1、土压平衡盾构施工土压力的确定摘要：在土压平衡盾构施工中，设置合理的施工土压对控制地表沉降有非常重要的意义。本文通过对地层土压力、水压力的计算原理分析，确定出土压平衡盾构施工土压力的设置方法，最后结合现场施工对设置方法进行简单的验证。关键词：土压平衡盾构施工土压力确定1、概述土压平衡盾构工法具有对地面、地下环境影响小、掘进速度快、地表沉降小等特点，已经越来越多地应用于城市地铁施工领域。土压平衡盾构施工中，合理设置施工土压对控制地表沉降有非常重要的意义。土压平衡盾构施工过程中，施工土压力的设定遵循以下原则：a.土仓内的土压力应可以维持刀盘前方的围

2、岩稳定，不致因土压偏低造成土体坍塌、地下水流失。b.土仓内的土压应尽可能低，以降低掘进扭矩和推力，提高掘进速度，降低土体对刀具的磨损，以最大限度地降低掘进成本。因此，对盾构土仓内的土压力值的确定，就显得十分重要。2、地层土压计算地层压力的计算原理有多种，目前我国铁路隧道设计规范是在太沙基土压力理论的基础上，提出以岩体综合物性指标为基础的岩体综合分类法。根据隧道的埋置深度不同，将隧道分为深埋隧道和浅埋隧道；然后根据隧道的具体情况，采用不同的计算方式进行地层土压计算[1]。2.1深埋隧道的土压计算对于深埋隧道，一般根据隧道围岩分类和隧道结构参数，

3、按照《铁路隧道设计规范》的计算公式计算围岩竖直分布松动压力和水平松动压力。地层的水平侧向力为：σ水平侧向力=q×0.41×1.79Sω式中，S—围岩级别，如Ⅲ级围岩，则S=3；ω—宽度影响系数，且ω=1+i（B-5）；B—隧道净宽度，单位以m计；i—以B=5m为基准，当B<5m时，取i=0.2，当B>5m，取i=0.1；q—根据围岩级别确定的水平侧压力系数，具体见表1：表1水平侧压力系数表围岩分类Ⅰ～ⅡⅢⅣⅤⅥ水平侧压力系数q01/61/6～1/31/3～1/21/2～1图1主动极限平衡状态下的土体位移趋势2.2浅埋隧道的土压计算2.2.1主

4、动土压力与被动土压力盾构隧道施工过程中，刀盘扰动改变了原状天然土体的静止弹性平衡状态，从而使刀盘附近的土体产生主动土压力或被动土压力。盾构推进时，如果土仓内土压力设置偏低，工作面前方的土体向盾构刀盘方向产生微小的移动或滑动，土体出现向下滑动趋势，为了抵抗土体的向下滑动趋势，土体的抗剪力逐渐增大。当土体的侧向应力减小到一定程度，土体的抗剪强度充分发挥时，土体的侧向土压力减小到最小值，土体处于极限平衡状态，即主动极限平衡状态，与此相应的土压力称为主动土压力Ea，如图1所示。图2被动极限平衡状态下的土体位移趋势盾构推进时，如果土仓内土压力设置偏高，

5、刀盘对土体的侧向应力逐渐增大，刀盘前部的土体出现向上滑动趋势，为了抵抗土体的向上滑动趋势，土体的抗剪力逐渐增大，土体处于另一极限平衡状态，即被动极限平衡状态，与此相应的土压力称为被动土压力Ep，如图2所示。2.2.2主动土压力与被动土压力计算：根据盾构的特点及盾构施工原理，结合我国铁路隧道设计、施工的具体经验，采用朗金理论计算主动土压力与被动土压力。盾构推力偏小时，土体处于向下滑动的极限平衡状态。此时，土体内的竖直应力σz相当于大主应力σ1，水平应力σa相当于小主应力σ3。水平应力σa为维持刀盘前方的土体不向下滑移所需的最小土压力，即土体的主

6、动土压力：σa=σztan2（45°-φ/2）-2ctan（45°-φ/2）式中，σz－深度z处的地层自重应力；c－土的粘着力；z－地层深度；φ－地层内部摩擦角。盾构的推力偏大时，土体处于向上滑动的极限平衡状态。此时，刀盘前方的土压力σp相当于大主应力σ1，而竖向应力σz相当于小主应力σa：σp=σ1=σztan2（45o+φ/2）+2ctan（45o+φ/2）式中，σz－深度z处的地层自重应力；c－土的粘着力；z－地层深度；φ－地层内部摩擦角。2.3地下水压力计算地下水位高于隧道顶部时，由于地层孔隙、裂隙的存在，形成侧向地下水压。地下水压力

7、的大小与水力梯度、地层渗透系数、管片背后的砂浆凝结时间、渗透系数及渗透时间有关。由于地下水流经土体时受到土体的阻力产生水头损失，因此作用在刀盘上的水压力一般小于该地层处的理论水头压力。掘进过程中，随着刀盘的不断向前推进，土仓内的压力处于原始土压力值附近，考虑水在土中流动时的阻力，掘进时地层中的水压力可以根据地层的渗透系数酌情考虑。盾构因故停机时，由于地层中压力水头差的存在，地下水必然会不断向土仓内流动，直至将地层中压力水头差消除为止。此时土仓的水压力为：σw刀盘前=q×γh式中，q－根据土层渗透系数确定的经验数值，砂土q=0.5～1.0，粘性

8、土q=0.1～0.5，风化岩层q=0～0.5；γ－水的容重；h－地下水位距刀盘顶部的高度。施工中，如果管片顶部的注浆不太密实，地下水可能会沿隧道衬砌外部的空隙形成过