土压力的确定.pdf

土压平衡盾构施工土压力的确定 土压平衡盾构施工土压力的确定 叶康慨 王延民 摘 要 摘 要 通过对地层土压力、水压力的计算原理分析，给出了土压平衡盾构施工土压力的设置方法， 并结合现场施工对设置方法进行验证。实践表明，该方法是合理的。 关键词 关键词 土压平衡 盾构 施工土压力 1 概述 1 概述 土压平衡盾构工法以对地面、地下环境影响小、掘进速度快、地表沉降小等特点， 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。 目前，施工土压力的设定一般遵循以下原则： 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。 2 地层压力计算原理 2 地层压力计算原理 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， 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 s q79. 141. 0= 水平侧向力 式中： s围岩级别，如级围岩，则3=s； 宽度影响系数，且)5(1+=Bi； B隧道净宽度，单位以 m 计； i以为基准，当时，取mB5=mB51 . 0=i； 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 表 1 水平侧压力系数表 围岩分类 水平侧压力系数 q 0 1/6 1/61/3 1/31/2 1/21 2.2 浅埋隧道的土压计算 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。 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(如图 1)。此时， 土体内的竖直应力 z 相当于大主应力 1 ，水平应力 a 相当于小主应力 3 。 水平应力 a 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 的主动土压力： 图 1 主动极限平衡状态下的土体位移 滑动方向 滑动面 滑动面 原地面线 沉降后地面线 )2/45tan(2)2/45(tan2= oo c za 式中， z 深度 z 处的地层自重应力； c土的粘着力； z地层深度； 地层内部摩擦角。 滑动方向 滑动面 滑动面 Ep 受施工影响后地面线 原地面线 盾构的推力偏大时，土体处于向上 滑动的极限平衡状态(如图 2)。此时， 刀盘前方的土压力 p 相当于大主应力 1 ，而竖向应力 z 相当于小主应力 a 。 )2/45tan(2)2/45(tan2 1p += oo c z 式中符号意义同前。 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。 图 2 被动极限平衡状态下的土体位移 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： hq= 刀盘前 式中，q根据土层渗透系数确定的经验数值，砂土q=0.51.0，粘性土=0.1 0.5，风化岩层=00.5； q q水的容重；地下水位距刀盘顶部的高度。 h 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 形成过水通道。 当盾构长时间停机时， 必将形成一定的压力水头。 此时的地下水压： ww hq= 砂浆盾尾后 式中，根据砂浆的渗透系数和注浆的饱满程度确定的经验数值，一般取 0.51.0； 砂浆 qq 水的容重；补强注浆处与刀盘顶部的高差。 w h 计算水压力时，盾尾后部的水压力与刀盘前方的水压力按取大值考虑。 （根据 笔者的经验，在掘进过程中，一般按刀盘前方的地层水压力进行计算，在盾构停机 过程中，按盾尾后部的水压力进行计算。 ） 3 土压平衡盾构施工土压力的设置方法土压平衡盾构施工土压力的设置方法 根据上述对地层土压力、水压力的计算原理分析，笔者总结出在土压平衡盾构 的施工过程中，土仓内的土压力设置步骤： a、根据隧道所处的位置以及隧道的埋深情况，对隧道进行分类，判断出隧道 是属于深埋隧道还是浅埋隧道； b、根据判断的隧道类型初步计算出地层的竖向压力； c、根据隧道所处的地层以及隧道周边地表环境状况的复杂程度，计算水平侧 向力； d、根据隧道所处的地层以及施工状态，确定地层水压力； e、根据不同的施工环境、施工条件及施工经验，考虑 0.0100.020Mpa 的压 力值作为调整值来修正施工土压力； f、根据确定的水平侧向力、地层的水压力以及施工土压力调整值得出初步的 盾构施工土仓压力设定值 调整水压力水平侧向土压力初步设定 +=式中， 初步设定 初步确定的盾构土仓土压力； 水平侧向土压力 水平侧向力； 水压力 地层水压力； 调整 修正施工土压力。 g、根据经验值和半经验公式进一步对初步设定的土压进行验证比较，无误时 应用到施工之中； h、根据地表的沉降监测结果，对施工土压力进行及时调整，得出比较合理的 施工土压力值。 4 工程实例 4 工程实例 4.1 工程概况 广州地铁二号线越三区间隧道盾构工程位于广州市越秀区和白云区，全长 3926.034m，区间隧道开挖直径 6300mm，采用装配式钢筋砼管片衬砌，衬砌环外径 6000mm，内径 5400mm，管片宽度 1500mm，管片厚度 300mm；管片与地层间的空隙 采用同步注浆（水泥砂浆）回填。隧道上覆土厚度最大约 28m，最小约 9m。区间 隧道穿越地层大部分是中风化岩8 、强风化岩7和微风化岩9 ，其次为全 风化岩6和残积土层5-2 ，各种地层参数见表 2。地层地下水主要为第四系 空隙水与基岩裂隙水，地下水位为地表以下 12m。 4.2 盾构穿越建筑物密集群地段 自 YDK17200 至 YDK17050，盾构进入建筑物密集群下施工。该区段地层以 全风化和残积土层为主，隧道埋深 2022m。 盾构在该段施工时，为确保地表建筑物的安全，根据占隧道施工影响范围数量较多 的不利地层考虑土压力。隧道埋深以 20m 考虑，围岩以残积土层地层考虑， 水平侧向力系数 q 取 1/31/2，初步确定采用深埋隧道土压力计算土压。 表 2 主要地层物理力学参数表 地层的水平侧向力为： Mpa cmkg q s 074 . 0 049. 0 /)53 . 6( 1 . 01 (79. 141 . 0 )2/13/1 ( 79 . 1 41 . 0 22 = += =水平侧向力 由于全风化泥质粉砂岩以及残积土层的透 水性差，在考虑地层水压力时 取 0.1， q Mpacmg hq 02. 0/k2 . 0 2011 . 0 2 = = 刀盘前 考虑 0.0100.020Mpa 的压力值作为调整值来修正施工土压力，即 调整 =0.010 0.020Mpa。 Mpa10. 0079. 0= += 调整水压力水平侧向土压力初步设定 采用此土压力值，盾构穿越该区段的地表沉降监测结果如图 3 所示。 从监测结果可以看出，地表最大沉降 -7.6mm，远远小于合同规定的-30mm，同时少 数点位在掘进过程有隆起现象，个别点隆起 1.3mm。这说明在地质条件相对较好的地层之 中，采用深埋隧道土压力计土压力选择偏于 保守。 4.3 盾构穿越地下人行通道 根据现场施工调查，盾构在 YDK16230 位置穿越一座地下人行通道，此人行通道为 广州火车站、广州汽车总站和广州市流花汽车站之间的连接通道。该段地层以强风化岩 和残积土层、为主，隧道埋深 8m，人行通道距隧道 3.5m。 为保证盾构通过此段地层时的施工安全，计算施工土压力时，确定隧道埋深以 8m 考虑，围岩以残积土层考虑，采用浅埋隧道的土压力计算方法计算土压。 岩土 名称 天然 密度 压缩 模量 粘聚 力 内摩 擦角 无侧限 抗压 强度 土的 泊松比 基床 反力 系数 静止 侧压 力系 数 地基承 载力 标准值 符号 Es1-2c qu KmK0fk 岩土 分层 单位 g/cm3MPaKPa KPa MPa/ m KPa 1 杂填土 182 30 2-1 淤泥质土 2.22 0.4210 0.72 60 3-2 冲、洪积砂层 1.95 0.2520 0.33 100 5-1 残积土 （可塑、 稍密） 1.93 3.1520.711.059.70.3055 0.43 220 5-2 残积土 （硬塑、 中密） 1.99 4.2340.017.31210.2870 0.39 300 6 岩石全风化带 1.95 3.9337.016.71250.25100 0.33 350 7 粉土 （强风化） 1.92 3.16 70.5 30.4 220 图 3 盾构穿越建筑物密集群地段沉降监测结果 -8.0 -7.0 -6.0 -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 7-1 7-5 7-9 7-13 7-17 7-21 7-25 7-29 时间(D) 下沉值(mm) 时间(D) 下沉值(mm) 167-3 166-4 163-3 163-7 地层的水平侧向力为： Mpa c z 0803 . 0 )2/45tan(2 )2/45(tan 2 = = o o 水平侧向力 在残积土层中考虑地层水压力 时 q 取 0.1， Mpahq008. 0=刀盘前 考 虑 0.010 0.020Mpa 的 压 力 值 作 为 调 整 值 来 修 正 施 工 土 压 力 ， 即 Mpa020. 0010. 0= 调整 。 Mpa111. 0101. 0= += 调整水压力水平侧向土压力初步设定 采用此土压力值，盾构在该段地层施 工时的地表沉降监测结果如图 4 所示。 施工完成后最终实测地表沉降表明， 施工过程采用浅埋隧道的土压力计算方 法进行土压计算是合理的。 4.44.4 盾构机穿越广州火车站站场 盾构机穿越广州火车站站场 越三区间右线隧道 YCK16+745.5 YCK16+910.5165m区段穿越广州火车站 站场的十四股轨道； 左线 ZCK16+768ZCK16+925.5 长 157.5m 区段穿越广州火车站站场 的十四股轨道。穿越的地层以中风化和强风化地层为主，隧道埋深 1520m。 图 4 通过地下人行通道时地表沉降观测图 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 15235661677380879196105 111 120 126 环数环数 沉 降沉 降 值 值 （ （ m mm m ） ） 长 施工过程中，为了达到施工招标文件“盾构掘进通过火车站时，轨面沉降值不得超 过 10mm，两股钢轨水平高差不得超过 4mm”及 “在任何情况下，最大隆起量不得超过 +10mm”的地表沉降规定，根据地层状况和隧道周边施工环境，确定隧道埋深以 20m 考 虑，围岩以强风化地层考虑，采用深埋隧道的土压力计算土压。 地层的水平侧向力为： Mpa q s 049. 0025. 0 79. 141. 0 = =水平侧向力 考虑到地表环境复杂，在计算土压力时水平侧向力=0.049 Mpa。 在强风化泥质粉砂岩中，计算地层水压力时 q 取 0.05, Mpahq01. 0= 刀盘前 考 虑 0.010 0.020Mpa 的 压 力 值 作 为 调 整 值 来 修 正 施 工 土 压 力 ， 即 Mpa020. 0010. 0= 调整 Mpa079. 0069. 0= += 调整水压力水平侧向土压力初步设定 考虑左右线施工的相互影响，左线土压比右线高 0.010.02。盾构在穿越火车Mpa 图 5 盾构穿越火车站站场地段沉降监测结果 -5.00 -4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 9月7日9月10日9月13日9月16日9月19日9月22日9月30 时间(D)时间(D) 下 沉 值下 沉 值 ( ( m mm m ) ) LZT4-4 LZT2-4 LZT3-4 沉降值（mm） -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.00 1.00 2.00 868 856 841 818 805 786 773 770 768 765 763 里 程 YDK16+769 盾 图 6 盾构穿越火车站站场地段纵向沉降监测结果 站战时沉降检测结果如图 5、6 所示。 盾构在施工完该段区间隧道后， 最终实测地面最大沉降 5.4mm， 小于 10mm 的控制标 准，与理论计算的地表最大沉降值 6.9mm 基本接近；两条钢轨面高差 1 ，小于 4mm 的 施工要求，说明在掘进过程中土压力的选择是科学合理的。 5 结束语 5 结束语 盾构在施工过程中，由于刀盘对土体的推力不同，造成土仓内的土压力不同，土体 的侧向土压力的方