土壓盾構(gòu)土艙壓力設(shè)定與控制

土壓平衡盾構(gòu)土倉(cāng)壓力設(shè)定與控制主講教師：郭軍電話(huà)箱：stygj@163.com提綱1前言2土壓力概念3土壓力計(jì)算方法與分析4土倉(cāng)壓力設(shè)定與控制5結(jié)論與思考1前言1.1土壓平衡盾構(gòu)的施工機(jī)理

盾殼支承著圍巖并保護(hù)著刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，在推進(jìn)油缸作用下，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削開(kāi)挖面土體，刀盤(pán)上被切割、破碎的碴土，經(jīng)過(guò)刀盤(pán)上的開(kāi)口進(jìn)入密閉的土倉(cāng)，利用端部伸入土倉(cāng)下部的螺旋輸送機(jī)排土；通過(guò)控制螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速或盾構(gòu)推進(jìn)速度，達(dá)到土倉(cāng)內(nèi)土壓力與開(kāi)挖面地層土壓力動(dòng)態(tài)平衡。

核心：開(kāi)挖面穩(wěn)定機(jī)理，即土倉(cāng)內(nèi)土壓力抵抗開(kāi)挖面地層水土壓力使開(kāi)挖面穩(wěn)定。1.2土倉(cāng)壓力設(shè)定問(wèn)題

設(shè)定合適的土倉(cāng)壓力確保開(kāi)挖面的穩(wěn)定，關(guān)系到盾構(gòu)施工效率和工程環(huán)境安全。

開(kāi)挖面地層穩(wěn)定性較好時(shí)，土倉(cāng)壓力過(guò)大時(shí)會(huì)引起刀盤(pán)扭矩和推力增大、推進(jìn)速度下降，存在盾構(gòu)掘進(jìn)效率降低、設(shè)備能耗和損耗加大等問(wèn)題；

開(kāi)挖面地層穩(wěn)定性較差時(shí)，土倉(cāng)壓力不足則會(huì)發(fā)生開(kāi)挖面的涌水或坍塌，造成地層水土流失過(guò)多，導(dǎo)致地層沉降難以控制等問(wèn)題。1.3開(kāi)挖面穩(wěn)定和土倉(cāng)壓力設(shè)定相關(guān)理論

開(kāi)挖面穩(wěn)定是通過(guò)保持盾構(gòu)刀盤(pán)支承的壓力倉(cāng)內(nèi)泥土壓力來(lái)獲得。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，其前端刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削地層土體進(jìn)入土倉(cāng)。當(dāng)土體充滿(mǎn)土倉(cāng)時(shí)，其被動(dòng)土壓與開(kāi)挖面上的土、水壓基本相同，開(kāi)挖面實(shí)現(xiàn)平衡。

土倉(cāng)壓力設(shè)定，有采用開(kāi)挖面地層的主動(dòng)土壓力、靜止土壓力或松弛土壓力的方法等。作為上限值，以盡量控制地表面的沉降為目的而使用靜止土壓力；作為下限值，可以允許產(chǎn)生少量的地表沉降，但可確保開(kāi)挖面的穩(wěn)定為目的而使用主動(dòng)土壓力。

土倉(cāng)壓力是利用開(kāi)挖下來(lái)的碴土充滿(mǎn)土倉(cāng)來(lái)建立的，通過(guò)使開(kāi)挖的碴土量與排出的碴土量相平衡的方法來(lái)保持。必須使開(kāi)挖土體充滿(mǎn)土倉(cāng)，并使排土量與開(kāi)挖土量相平衡。

由于圍巖的土量或碴土容重會(huì)有一定的變化，另外，由于添加劑的種類(lèi)、添加量或排土方式等因素的影響，碴土的容重也會(huì)發(fā)生變化，所以要恰當(dāng)?shù)卣莆张磐亮渴潜容^困難的。僅單獨(dú)根據(jù)排土量的管理來(lái)控制開(kāi)挖面坍塌或地基沉降是困難的，最好是根據(jù)土倉(cāng)壓力管理和開(kāi)挖土量管理同時(shí)進(jìn)行。

1.4研究土倉(cāng)壓力的意義

實(shí)際工程實(shí)踐中土倉(cāng)壓力設(shè)定采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)象較多，往往會(huì)出現(xiàn)土倉(cāng)壓力設(shè)定時(shí)或大或小的偏差，不利于施工控制。因此，掌握土倉(cāng)壓力設(shè)定和控制方法，對(duì)盾構(gòu)施工具有一定的指導(dǎo)意義。2土壓力概念2.1土中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)

三個(gè)法向應(yīng)力分量：σx、σy、σz

六個(gè)剪應(yīng)力分量：τxy=τyx、τyz=τzy、τzx=τxz

靜止壓力被動(dòng)土壓力主動(dòng)土壓力土壓力一、土壓力類(lèi)型按擋土結(jié)構(gòu)的位移方向、大小及土體所處的平衡狀態(tài)2.2土壓力及類(lèi)型

由于土體自重、土上荷載或結(jié)構(gòu)物的側(cè)向擠壓作用，擋土結(jié)構(gòu)物所承受的來(lái)自墻后填土的側(cè)向壓力。墻體位移條件是影響土壓力的最主要的因素。墻體位移的方向和相對(duì)位移量決定所產(chǎn)生的土壓力的性質(zhì)和土壓力的大小。

(a)靜止土壓力(b)主動(dòng)土壓力(c)被動(dòng)土壓力（Earthpressureatrest)（Activeearthpressure)（Passiveearthpressure)

土壓力值介于上述三種極限狀態(tài)下的土壓力值之間。土壓力的大小及分布與作用在擋土結(jié)構(gòu)上的土體性質(zhì)、擋土結(jié)構(gòu)本身的材料及擋土結(jié)構(gòu)的位移有關(guān)，其中擋土結(jié)構(gòu)的位移情況是關(guān)鍵因素。土壓力與擋土結(jié)構(gòu)位移d的關(guān)系產(chǎn)生被動(dòng)土壓力所需要的位移量大大超過(guò)產(chǎn)生主動(dòng)土壓力所需要的位移量。

二、影響土壓力的因素Ea＜E0

＜＜Ep2.3土壓力與墻身位移的關(guān)系

（右圖）2.4墻體位移對(duì)土壓力的影響土壓力的類(lèi)型取決于：墻體是否發(fā)生位移以及位移的方向；墻后土體所處的應(yīng)力狀態(tài)。擋土墻所受土壓力的大小并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨位移量的變化而變化。

位移對(duì)土壓力的影響及三種土壓力主動(dòng)被動(dòng)擋土墻不向任何方向發(fā)生位移和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)，作用在墻背上的土壓力稱(chēng)為靜止土壓力。擋墻沿墻趾向離開(kāi)填土方向轉(zhuǎn)動(dòng)或平行移動(dòng)，且位移達(dá)到一定量時(shí)，墻后土體達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài)，填土中開(kāi)始出現(xiàn)滑動(dòng)面，這時(shí)擋土墻上的土壓力稱(chēng)為主動(dòng)土壓力。擋墻在外力作用下向墻背填土方向轉(zhuǎn)動(dòng)或平行移動(dòng)時(shí)，土壓力逐漸增大，當(dāng)位移達(dá)到一定量時(shí)，潛在滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力等于土的抗剪強(qiáng)度，墻后土體達(dá)到被動(dòng)極限平衡狀態(tài)，填土內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)滑動(dòng)面，這時(shí)作用在擋土墻上的土壓力增加至最大，稱(chēng)為被動(dòng)土壓力。

2.5靜止土壓力可按土體處于側(cè)限條件下的彈性平衡狀態(tài)計(jì)算。2.6朗肯土壓力理論基本條件：墻背光滑；墻背垂直、剛性；填土表面水平、半無(wú)限、均勻。假設(shè)：墻后各點(diǎn)均處于極限平衡狀態(tài)2.7主動(dòng)土壓力2.8被動(dòng)土壓力E0H靜止土壓力的分布第二節(jié)靜止土壓力計(jì)算

水平向的自重應(yīng)力

例5-1已知某擋土墻高4.0m，墻背垂直光滑，墻后填土面水平，填土重力密度為γ=18.0kN／m3，靜止土壓力系數(shù)Ko=0.65，試計(jì)算作用在墻背的靜止土壓力大小及其作用點(diǎn)，并繪出土壓力沿墻高的分布圖。

靜止土壓力計(jì)算的關(guān)鍵是靜止側(cè)壓力系數(shù)的確定。K0可由室內(nèi)的或現(xiàn)場(chǎng)的靜止側(cè)壓力試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。對(duì)于砂或正常固結(jié)的粘土，可根據(jù)有效內(nèi)摩擦角來(lái)確定例5—1已知某擋土墻高4.0m，墻背垂直光滑，墻后填土面水平，填土重力密度為γ=18.0kN／m3，靜止土壓力系數(shù)Ko=0.65，試計(jì)算作用在墻背的靜止土壓力大小及其作用點(diǎn)，并繪出土壓力沿墻高的分布圖。解:按靜止土壓力計(jì)算公式，墻頂處?kù)o止土壓力強(qiáng)度為：墻底處?kù)o止土壓力強(qiáng)度為：

土壓力沿墻高分布圖如圖所示，土壓力合力Eo的大小通過(guò)三角形面積求得：靜止土壓力E0的作用點(diǎn)離墻底的距離為：

建筑物地下室的外墻、地下水池的側(cè)壁、涵洞的側(cè)壁以及不產(chǎn)生任何位移的擋土構(gòu)筑物，其側(cè)壁所受到的土壓力可按靜止土壓力計(jì)算。第三節(jié)

朗肯土壓力理論

朗肯土壓力簡(jiǎn)介土的極限平衡條件半空間的應(yīng)力狀態(tài)土壓力的計(jì)算方法

朗肯土壓力理論的假設(shè)：

1.擋土墻背面豎直2.墻背光滑3.墻后填土面水平習(xí)題：計(jì)算下圖的靜止土壓力該點(diǎn)達(dá)極限平衡需滿(mǎn)足什么條件？0zK0z彈性平衡狀態(tài)時(shí)的莫爾圓自重應(yīng)力豎直截面上的法向應(yīng)力一、朗肯土壓力的基本原理

1.土體在水平方向伸展單元體在水平截面上的法向應(yīng)力z不變，而豎直截面上的法向應(yīng)力x卻逐漸減小，直至滿(mǎn)足極限平衡條件（稱(chēng)為主動(dòng)朗肯狀態(tài)）。0zK0za主動(dòng)朗肯狀態(tài)時(shí)的莫爾圓

2.土體在水平方向壓縮單元體在水平截面上的法向應(yīng)力z不變而豎直截面上的法向應(yīng)力x卻逐漸增大，直至滿(mǎn)足極限平衡條件（稱(chēng)為被動(dòng)朗肯狀態(tài)）。0zK0zp被動(dòng)朗肯狀態(tài)時(shí)的莫爾圓AOτσ主動(dòng)狀態(tài)σxmin=eaσx=K0σzσzσxmax=ep被動(dòng)狀態(tài)0zK0zap三種狀態(tài)時(shí)的莫爾圓

1.無(wú)粘性土二、朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算EaH無(wú)粘性土的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度分布圖

2.粘性土臨界深度EaH粘性土的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度分布圖adebc

例5-2有一擋土墻高5m，墻背垂直光滑，墻后填土面水平。填土的物理力學(xué)性能指標(biāo)為：c=10.0kPa，φ=300，γ=18.0kN／m3。試計(jì)算主動(dòng)土壓力大小及作用點(diǎn)位置，并繪出主動(dòng)土壓力強(qiáng)度沿墻高的分布圖。

例5-2有一擋土墻高5m，墻背垂直光滑，墻后填土面水平。填土的物理力學(xué)性能指標(biāo)為：c=10.0kPa，φ=300，γ=18.0kN／m3。試計(jì)算主動(dòng)土壓力大小及作用點(diǎn)位置，并繪出主動(dòng)土壓力強(qiáng)度沿墻高的分布圖。

解因擋土墻墻背垂直光滑，墻后填土面水平，滿(mǎn)足朗金土壓力條件，故可按下式計(jì)算土壓力其中主動(dòng)土壓力系數(shù)為

墻頂點(diǎn)l處的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度為：

由于σa1為拉應(yīng)力，墻背與填土脫開(kāi)，故應(yīng)求臨界深度zo：

墻底點(diǎn)2處主動(dòng)土壓力強(qiáng)度為土壓力分布圖形如圖所示，主動(dòng)土壓力的大小為三、朗肯被動(dòng)土壓力計(jì)算

1.無(wú)粘性土Ep無(wú)粘性土的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度分布圖H

2.粘性土Ep粘性土的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度分布圖例題5-3有一擋墻高6m，墻背豎直、光滑，墻后填土表面水平，填土的重度γ=18.5kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=20°

，粘聚力c=19kPa。求被動(dòng)土壓力并繪出被動(dòng)土壓力分布圖。

解（1）計(jì)算被動(dòng)土壓力系數(shù)。（2）計(jì)算被動(dòng)土壓力，

例題5-3有一擋墻高6m，墻背豎直、光滑，墻后填土表面水平，填土的重度γ=18.5kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=20°，粘聚力c=19kPa。求被動(dòng)土壓力并繪出被動(dòng)土壓力分布圖。

解（2）計(jì)算被動(dòng)土壓力，

（3）計(jì)算總被動(dòng)土壓力例題5-3有一擋墻高6m，墻背豎直、光滑，墻后填土表面水平，填土的重度γ=18.5kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=20°，粘聚力c=19kPa。求被動(dòng)土壓力并繪出被動(dòng)土壓力分布圖。

解，

（3）計(jì)算總被動(dòng)土壓力Ep的作用方向水平，作用點(diǎn)距墻基為z，則（4）被動(dòng)土壓力分布如圖5-9所示。E0H靜止土壓力的分布5.3靜止土壓力計(jì)算

水平向的自重應(yīng)力

EaH無(wú)粘性土的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度分布圖EaH粘性土的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度分布圖adebcEp無(wú)粘性土的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度分布圖HEp粘性土的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度分布圖

1、填土面作用均布荷載

當(dāng)擋土墻后填土面有連續(xù)均布荷載作用時(shí)，土壓力的計(jì)算方法是將均布荷載換算成當(dāng)量的土重。四、幾種常見(jiàn)情況的土壓力

Ea將垂直壓力項(xiàng)γz換以γz+q計(jì)算即可。

1、填土面作用均布荷載無(wú)粘性土

粘性土

例題5-4已知某擋土墻高6.00m，墻背豎直、光滑、墻后填土面水平。填土為粗砂，重度γ=19.0kN/m3，內(nèi)摩擦角，在填土表面作用均布荷載q=18.0kPa。計(jì)算作用在擋土墻上的主動(dòng)土壓力。解（1）計(jì)算主動(dòng)土壓力系數(shù)（2）計(jì)算主動(dòng)土壓力

作用方向水平，作用點(diǎn)距墻基為z，則

2．墻后填土分層分層計(jì)算:若計(jì)算第i層土對(duì)擋土墻產(chǎn)生的土壓力，其上覆土層的自重應(yīng)力可視為均布荷載作用在第i層土上。以粘性土為例，其計(jì)算公式為：若為無(wú)粘性土，上式中的第二項(xiàng)為零。由于各層填土重度不同，使得填土豎向應(yīng)力分布在土層交界面上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折由于各層填土粘聚力和內(nèi)摩擦角不同，所以在計(jì)算主動(dòng)或被動(dòng)土壓力系數(shù)時(shí)，需采用計(jì)算點(diǎn)所在土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角例題5-5

擋土墻高5m，墻背直立，光滑，墻后填土水平，共分兩層，各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如圖所示，試求主動(dòng)土壓力并繪出土壓力分布圖。

例題5-5

擋土墻高5m，墻背直立，光滑，墻后填土水平，共分兩層，各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如圖5-12所示，試求主動(dòng)土壓力并繪出土壓力分布圖。解：（1）計(jì)算主動(dòng)土壓力系數(shù)

（2）計(jì)算第一層的土壓力頂面底面

（3）計(jì)算第二層的土壓力

底面

頂面

（4）計(jì)算主動(dòng)土壓力Ea的作用方向水平，作用點(diǎn)距墻基為z，則3．填土中有地下水當(dāng)墻后土體中有地下水存在時(shí)，墻體除受到土壓力的作用外，還將受到水壓力的作用。計(jì)算土壓力時(shí)，可將地下潛水面看作是土層的分界面，按分層土計(jì)算。潛水面以下的土層因受到地下水的影響，可分別采用“水土分算”或“水土合算”的方法計(jì)算。3．填土中有地下水（1）水土分算法這種方法比較適合滲透性大的砂土層。計(jì)算作用在擋土墻上的土壓力時(shí)，采用有效重度；計(jì)算水壓力時(shí)按靜水壓力計(jì)算。然后兩者疊加為總的側(cè)壓力（2）水土合算法這種方法比較適合滲透性小的粘性土層。計(jì)算作用在擋土墻上的土壓力時(shí)，采用飽和重度，水壓力不再單獨(dú)計(jì)算疊加。當(dāng)墻后填土中有水時(shí)，需考慮地下水位以下的填土由于浮力作用使有效重量減輕引起的土壓力減小，水下填土部分采用浮容重進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算作用在墻背上的總壓力中應(yīng)包括水壓力的作用。例題5-6用水土分算法計(jì)算圖5-14所示的擋土墻上的主動(dòng)土壓力、水壓力及其合力。

解（1）計(jì)算主動(dòng)土壓力系數(shù)（2）計(jì)算地下水位以上的主動(dòng)土壓力頂面

（3）計(jì)算地下水位以下土層的主動(dòng)土壓力及水壓力因水下土為砂土，采用水土分算法主動(dòng)土壓力：頂面底面水壓力：頂面底面作用方向水平，作用點(diǎn)距墻基4/3=1.33m。（5）擋土墻上主動(dòng)土壓力及水壓力如圖5-14所示。

底面（4）計(jì)算總主動(dòng)土壓力和總水壓力（4）計(jì)算總主動(dòng)土壓力和總水壓力Ea作用方向水平，作用點(diǎn)距墻基為z，則水壓力Pw作用方向水平，作用點(diǎn)距墻基4/3=1.33m。（5）擋土墻上主動(dòng)土壓力及水壓力如圖5-14所示。習(xí)題解題步驟求土壓力系數(shù)求各分界點(diǎn)的土壓力強(qiáng)度求土壓力值(面積)求作用點(diǎn)位置3土壓力計(jì)算方法與分析3.1建立計(jì)算模型

隧道上方地面水平、地層均勻，土體自重應(yīng)力q。

假定盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)充滿(mǎn)碴土，土壓力按線(xiàn)性分布。3.2土壓力類(lèi)型分析

盾構(gòu)土倉(cāng)隔板支擋著土倉(cāng)內(nèi)的土體，土倉(cāng)內(nèi)土體產(chǎn)生的側(cè)向力作用在土倉(cāng)隔板上，可將土倉(cāng)隔板看作擋土結(jié)構(gòu)；盾構(gòu)刀盤(pán)有一定的開(kāi)口率，土倉(cāng)內(nèi)的土體與刀盤(pán)前方的土體連通，土倉(cāng)內(nèi)土體支擋著刀盤(pán)前方土體，開(kāi)挖面前方土體產(chǎn)生的側(cè)向力作用在土倉(cāng)內(nèi)土體上，同時(shí)土倉(cāng)內(nèi)土體產(chǎn)生的側(cè)壓力也反作用在開(kāi)挖面前方土體上，可將土倉(cāng)內(nèi)土體看作擋土結(jié)構(gòu)。這樣一來(lái)，近似符合土力學(xué)相關(guān)理論的假定條件，可按土力學(xué)相關(guān)理論進(jìn)行分析3.2.1盾構(gòu)推進(jìn)狀態(tài)土壓力類(lèi)型分析（1）盾構(gòu)推進(jìn)的某一瞬時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)充滿(mǎn)碴土，當(dāng)土倉(cāng)內(nèi)土體推擠前方土體時(shí)，開(kāi)挖面前方的土體對(duì)土倉(cāng)內(nèi)土體產(chǎn)生被動(dòng)土壓力；當(dāng)土倉(cāng)內(nèi)土體相對(duì)前方土體靜止不動(dòng)即位移為零時(shí)，開(kāi)挖面土體處于彈性平衡狀態(tài)，此時(shí)開(kāi)挖面前方的土體對(duì)土倉(cāng)內(nèi)土體產(chǎn)生靜止土壓力；當(dāng)土倉(cāng)內(nèi)土體在開(kāi)挖面前方土體推力作用下向土倉(cāng)隔板方向移動(dòng)時(shí)，開(kāi)挖面前方土體對(duì)土倉(cāng)內(nèi)土體產(chǎn)生主動(dòng)土壓力。（2）盾構(gòu)推進(jìn)的某一瞬時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)充滿(mǎn)碴土，盾構(gòu)機(jī)向前產(chǎn)生了一定的位移，盾構(gòu)土倉(cāng)隔板對(duì)土倉(cāng)內(nèi)土體產(chǎn)生推擠，土倉(cāng)內(nèi)的土體對(duì)土倉(cāng)隔板產(chǎn)生的土壓力為被動(dòng)土壓力。3.2.2盾構(gòu)停機(jī)狀態(tài)土壓力類(lèi)型分析（1）盾構(gòu)停機(jī)時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)充滿(mǎn)碴土，土倉(cāng)內(nèi)土體不再向前推擠，土倉(cāng)內(nèi)土體相對(duì)前方土體靜止不動(dòng)即位移為零時(shí)，開(kāi)挖面土體處于彈性平衡狀態(tài)，此時(shí)開(kāi)挖面前方的土體對(duì)土倉(cāng)內(nèi)土體產(chǎn)生靜止土壓力；開(kāi)挖面土體不穩(wěn)定并向土倉(cāng)方向位移時(shí)，作用在土倉(cāng)內(nèi)土體的側(cè)向力使土倉(cāng)內(nèi)土體產(chǎn)生一定的壓縮，可看作是向遠(yuǎn)離開(kāi)挖面方向有位移，此時(shí)，開(kāi)挖面前方土體的土壓力為主動(dòng)土壓力。（2）盾構(gòu)停機(jī)時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)充滿(mǎn)碴土，盾構(gòu)土倉(cāng)隔板對(duì)土倉(cāng)內(nèi)土體不產(chǎn)生位移，土倉(cāng)內(nèi)的土體對(duì)土倉(cāng)隔板產(chǎn)生的土壓力為靜止土壓力。3.2.3小結(jié)

開(kāi)挖面前方土體產(chǎn)生的土壓力在盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)可能是主動(dòng)土壓力、靜止土壓力或被動(dòng)土壓力，也可能是介于主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力之間的某一個(gè)數(shù)值；在盾構(gòu)停機(jī)時(shí)可能是主動(dòng)土壓力或靜止土壓力，也可能是介于主動(dòng)土壓力與靜止土壓力之間的某一個(gè)數(shù)值。

土倉(cāng)內(nèi)的土體產(chǎn)生的土壓力在盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)是被動(dòng)土壓力；在盾構(gòu)停機(jī)時(shí)是靜止土壓力。3.3土壓力理論計(jì)算方法3.3.1開(kāi)挖面前方土壓力理論計(jì)算開(kāi)挖面前方土體容重γ，粘聚力c，有效內(nèi)摩擦角φ，靜止土壓力系數(shù)為K0。（1）靜止土壓力時(shí)，p土=K0(q+γh)則：p土1=K0q，p土2=K0(q+γD)。（2）主動(dòng)土壓力時(shí)，p土=(q+γh)tg2(45°-φ/2)-2ctg(45°-φ/2)則：p土1=qtg2(45°-φ/2)-2ctg(45°-φ/2)，p土2=(q+γD)tg2(45°-φ/2)-2ctg(45°-φ/2)。（3）被動(dòng)土壓力時(shí)，p土=(q+γh)tg2(45°+φ/2)+2ctg(45°+φ/2)則：p土1=qtg2(45°+φ/2)+2ctg(45°+φ/2)，p土2=(q+γD)tg2(45°+φ/2)+2ctg(45°+φ/2)。

理論上，可通過(guò)地質(zhì)勘察、土工試驗(yàn)或推導(dǎo)得出開(kāi)挖面前方土體的γ、c、φ和K0等物理力學(xué)指標(biāo)；實(shí)際上，地質(zhì)勘察布孔有一定的間距，不能完全得出每一開(kāi)挖面前方土體的相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)。研究開(kāi)挖面前方土壓力時(shí)是將土倉(cāng)內(nèi)土體看作擋土結(jié)構(gòu)物，只近似符合朗金土壓力理論的假定。這些都對(duì)開(kāi)挖面前方土體土壓力計(jì)算的準(zhǔn)確性會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

盡管如此，以地質(zhì)勘察報(bào)告的物理力學(xué)指標(biāo)為依據(jù)，采用現(xiàn)有的土壓力理論對(duì)開(kāi)挖面前方土壓力進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果仍可用來(lái)作為土倉(cāng)壓力設(shè)定的主要依據(jù)。

【算例1】

以隧道全斷面為砂土、粉土、粘土和淤泥質(zhì)土等四種地層為例，采用試算法分析和說(shuō)明開(kāi)挖面前方土壓力的計(jì)算方法。假定隧道開(kāi)挖直徑D為6m，隧道埋深15m，上覆土容重20kN/m3，上覆土均布荷載q=15m×20kN/m3=300kPa。

參考工程地質(zhì)勘察報(bào)告中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或相關(guān)文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取各地層的γ、c和φ等物理力學(xué)指標(biāo)以及K0（也可用K0=1-sinφ），計(jì)算主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=tg2(45°-φ/2)和被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp=tg2(45°+φ/2)；采用上述公式計(jì)算開(kāi)挖面前方土壓力p土1、p土2

。

當(dāng)開(kāi)挖面前方土體有地下水時(shí)，還應(yīng)考慮地下水對(duì)開(kāi)挖面前方土體土壓力的影響：對(duì)砂土和粉土按分土分算，側(cè)向壓力為靜止水壓力和土壓力之和，地下水位以下的土壓力采用浮容重和有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算；對(duì)粘性土按分土合算，地下水位以下的土壓力采用飽和容重和總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算。當(dāng)隧道上方地面有建筑物或其它荷載時(shí)，還應(yīng)考慮地面荷載引起的附加應(yīng)力的作用，可采用近似方法將地面荷載換算成等值填土高度進(jìn)行計(jì)算，其垂直應(yīng)力與隧道開(kāi)挖面以上的土體自重應(yīng)力疊加。開(kāi)挖面前方土體成層分布時(shí)，各層土的容重γ、粘聚力c，有效內(nèi)摩擦角φ等不同，在進(jìn)行土壓力計(jì)算時(shí)按各層高度及地層物理力學(xué)參數(shù)分層計(jì)算，土壓力分布在地層交界面處發(fā)生突變，土壓力呈折線(xiàn)分布。3.3.2土倉(cāng)內(nèi)土壓力理論計(jì)算

土倉(cāng)內(nèi)土體容重為γ倉(cāng)，粘聚力為c倉(cāng)，有效內(nèi)摩擦角為φ倉(cāng)，靜止土壓力系數(shù)為K0倉(cāng)，盾構(gòu)土倉(cāng)上覆土荷載q由盾構(gòu)殼體承受，土倉(cāng)內(nèi)土壓力由土倉(cāng)內(nèi)土體產(chǎn)生。

（1）靜止土壓力時(shí)，p倉(cāng)’=K0倉(cāng)γ倉(cāng)h

則：p倉(cāng)1=p倉(cāng)1’=0，p倉(cāng)2=p倉(cāng)2’=K0倉(cāng)γ倉(cāng)D。

（2）被動(dòng)土壓力時(shí)，p倉(cāng)’=γ倉(cāng)htg2(45°+φ倉(cāng)/2)+2c倉(cāng)tg(45°+φ倉(cāng)/2)

則：p倉(cāng)1=p倉(cāng)1’=2c倉(cāng)tg(45°+φ倉(cāng)/2)，p倉(cāng)2=p倉(cāng)2’=γ倉(cāng)Dtg2(45°+φ倉(cāng)/2)+2c倉(cāng)tg(45°+φ倉(cāng)/2)

土倉(cāng)內(nèi)土體是開(kāi)挖面土體經(jīng)刀盤(pán)切削后，受不同程度壓縮和混合后的重塑土，土倉(cāng)內(nèi)土體物理力學(xué)性質(zhì)與開(kāi)挖面土體相比發(fā)生了一定的變化。

盾構(gòu)土倉(cāng)相對(duì)密閉，無(wú)法從土倉(cāng)內(nèi)采集出可試驗(yàn)的土體，土倉(cāng)內(nèi)土體γ倉(cāng)、c倉(cāng)、φ倉(cāng)和K0倉(cāng)等物理力學(xué)指標(biāo)無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)等手段得出，因此土倉(cāng)內(nèi)土壓力無(wú)法采用上述方法進(jìn)行計(jì)算，不能作為土倉(cāng)壓力設(shè)定的依據(jù)。盡管如此，對(duì)出土情況分析并參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)土倉(cāng)內(nèi)土體的物理力學(xué)指標(biāo)，采用現(xiàn)有的土壓力理論對(duì)土倉(cāng)內(nèi)土壓力進(jìn)行估算，其結(jié)果可應(yīng)用于土倉(cāng)壓力控制。【算例2】

以算例1的例子為例，采用試算法分析和說(shuō)明土倉(cāng)內(nèi)土壓力的計(jì)算方法。假定土倉(cāng)內(nèi)的物理力學(xué)指標(biāo)γ倉(cāng)、c倉(cāng)和φ倉(cāng)以及土壓力系數(shù)K0倉(cāng)和Kp倉(cāng)與開(kāi)挖面前方土體的相同，采用上述公式估算土倉(cāng)土壓力p倉(cāng)1、p倉(cāng)2。【算例1與算例2結(jié)果比較】

3.4土壓力計(jì)算的分析

（1）開(kāi)挖面前方土壓力p土分析

p土的大小與地層土體的γ、c和φ等物理力學(xué)指標(biāo)以及荷載q有關(guān)，也與土壓力類(lèi)型有關(guān)，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)應(yīng)研究地層物理性質(zhì)和土壓力類(lèi)型。

當(dāng)開(kāi)挖面前方地層c、φ值較大時(shí)，地層抗剪強(qiáng)度高，地層穩(wěn)定性好，開(kāi)挖面前方主動(dòng)、靜止土壓力較??；

一般情況下，主動(dòng)土壓力小于靜止土壓力，在地層c、φ值較小時(shí)，主動(dòng)土壓力與靜止土壓力相差較小，而被動(dòng)土壓力遠(yuǎn)大于主動(dòng)土壓力和靜止土壓力。

（2）土倉(cāng)內(nèi)土壓力p倉(cāng)分析：p倉(cāng)的大小與土倉(cāng)內(nèi)土體的γ倉(cāng)、c倉(cāng)和φ倉(cāng)等物理力學(xué)指標(biāo)有關(guān)，土倉(cāng)內(nèi)土體是經(jīng)過(guò)刀盤(pán)切削后的碴土，物理力學(xué)指標(biāo)又與碴土密實(shí)度、土體細(xì)顆粒含量大小等相關(guān)，同時(shí)受盾構(gòu)施工狀態(tài)影響較大。

盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)土壓力為被動(dòng)土壓力，c倉(cāng)較大時(shí)上部土壓力p倉(cāng)1較大，φ倉(cāng)較大時(shí)下部土壓力p倉(cāng)2較大；

盾構(gòu)停機(jī)時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)土壓力為靜止土壓力，上部土壓力p倉(cāng)1為零，下部土壓力p倉(cāng)2較小。

（3）土壓力p土與p倉(cāng)比較分析：

盾構(gòu)停機(jī)狀態(tài)時(shí)p土＞p倉(cāng)。

盾構(gòu)推進(jìn)狀態(tài)，開(kāi)挖面前方土壓力為主動(dòng)土壓力或靜止土壓力時(shí)p土2＜p倉(cāng)2，c值較小時(shí)p土1＞p倉(cāng)1，c值較大時(shí)p土1＜p倉(cāng)1；開(kāi)挖面前方土壓力為被動(dòng)土壓力時(shí)p土＞p倉(cāng)。

當(dāng)土倉(cāng)內(nèi)充滿(mǎn)與原狀土基本一致的土體時(shí)，p倉(cāng)與p土的理論計(jì)算結(jié)果很難達(dá)到基本相同，難以實(shí)現(xiàn)真正的土壓平衡模式，即開(kāi)挖面前方土體不穩(wěn)定或受到擠壓。4

土倉(cāng)壓力設(shè)定與控制4.1土倉(cāng)壓力設(shè)定方法

在土壓平衡盾構(gòu)土倉(cāng)隔板上安裝有土壓力傳感器，土倉(cāng)壓力值由土壓傳感器測(cè)得并輸送給可編程控制器（PLC），PLC將測(cè)得的土壓力值與設(shè)定的土倉(cāng)壓力值相比較后輸出電信號(hào)調(diào)控液壓控制系統(tǒng)中的比例流量閥，以此改變螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速或推進(jìn)液壓缸的伸出速度，使土倉(cāng)壓力的測(cè)定值與設(shè)定土倉(cāng)壓力相等。

盾構(gòu)在土壓平衡模式施工時(shí)，以開(kāi)挖面前方土體土壓力計(jì)算值為主要依據(jù)，土倉(cāng)壓力設(shè)定值與開(kāi)挖面前方土體土壓力基本相等；通過(guò)控制土倉(cāng)壓力的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值基本相等，實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖面土壓力平衡。4.1.1計(jì)算開(kāi)挖面前方土壓力

（1）獲取地層物理力學(xué)指標(biāo)。地質(zhì)勘探、土工試驗(yàn)或參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出γ、c、φ以及地下水頭高度等。

（2）計(jì)算隧道上方覆土自重應(yīng)力和地面荷載引起的附加應(yīng)力等。

（3）確定土壓力系數(shù)。靜止土壓力系數(shù)K0（K0=1-sinφ），主動(dòng)和被動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=tg2(45°－φ/2)、Kp=tg2(45°+φ/2)。

（4）計(jì)算開(kāi)挖面前方土壓力。3.1.2確定土倉(cāng)壓力設(shè)定值

結(jié)合盾構(gòu)施工狀態(tài)與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)開(kāi)挖面前方地層的穩(wěn)定性和沉降控制要求等綜合分析，確定開(kāi)挖面前方土壓力的類(lèi)型，以土倉(cāng)壓力與開(kāi)挖面前方土壓力基本相等的原則，參照開(kāi)挖面前方土壓力計(jì)算結(jié)果，確定合適的土倉(cāng)壓力設(shè)定值。

盾構(gòu)隧道開(kāi)挖后，圍巖的應(yīng)力釋放和變形發(fā)展具有空間和時(shí)間效應(yīng)，圍巖變形不是瞬時(shí)就達(dá)到其最終值，而是隨著時(shí)間的推移逐漸完成的，利用圍巖變形的時(shí)空效應(yīng)，在土體變形的初期階段采用盾構(gòu)殼體或管片及管片背后的注漿體來(lái)支承圍巖，通過(guò)調(diào)整盾構(gòu)施工速度縮短圍巖未支承的時(shí)間，可以減少地層土體的變形，因此，允許圍巖有一定變形且滿(mǎn)足沉降要求時(shí)，可適當(dāng)減小土倉(cāng)壓力設(shè)定值，有利于盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)控制和掘進(jìn)效率提高。實(shí)際上，這種利用圍巖變形的時(shí)空效應(yīng)以適當(dāng)減小土倉(cāng)壓力的做法在施工中會(huì)經(jīng)常用到。

（1）理論計(jì)算的被動(dòng)土壓力往往比較大，結(jié)合工程實(shí)踐，土倉(cāng)壓力的設(shè)定值一般不會(huì)達(dá)到被動(dòng)土壓力的數(shù)值。

（2）一般情況下：

地層穩(wěn)定性較好且地面沉降要求不高，可用介于主動(dòng)和靜止土壓力之間的某個(gè)數(shù)值為土倉(cāng)壓力設(shè)定值；

地層穩(wěn)定性較好但地面沉降要求較高或地層穩(wěn)定性較差但地面沉降要求不高，可用靜止土壓力為土倉(cāng)壓力設(shè)定值；

地層穩(wěn)定性較差且地面沉降要求較高，可用略高于靜止土壓力的某個(gè)數(shù)值為設(shè)定土倉(cāng)壓力值。

（3）由于開(kāi)挖面前方地層地質(zhì)的復(fù)雜性以及土壓力理論的假定對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，開(kāi)挖面前方土壓力的理論計(jì)算與實(shí)際土壓力存在一定的偏差，實(shí)際施工中還應(yīng)通過(guò)地面沉降等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析對(duì)土倉(cāng)壓力設(shè)定值進(jìn)行適當(dāng)修正。4.2

土倉(cāng)壓力控制方法與技術(shù)措施

實(shí)際工程施工中，經(jīng)常會(huì)遇到土倉(cāng)壓力傳感器顯示土倉(cāng)壓力不穩(wěn)定、土倉(cāng)內(nèi)上下壓力差大、土倉(cāng)內(nèi)壓力線(xiàn)性分布規(guī)律不明顯以及土倉(cāng)內(nèi)不能完全充滿(mǎn)碴土等情況，土倉(cāng)內(nèi)土體性質(zhì)不穩(wěn)定或形成的土倉(cāng)壓力與開(kāi)挖面前方土壓力不平衡。因此，需利用土倉(cāng)內(nèi)的碴土并采取措施建立滿(mǎn)足平衡條件的土倉(cāng)壓力，對(duì)土倉(cāng)壓力進(jìn)行控制。4.2.1土倉(cāng)壓力控制方法

開(kāi)挖面前方土體的性質(zhì)可通過(guò)地層加固等手段進(jìn)行改善，但受加固條件和成本控制等的影響，一般情況下不可取，僅在特殊部位（如始發(fā)和到達(dá)端頭等）采取地層加固措施。開(kāi)挖面前方土體性質(zhì)一般情況下不可人為改變，要實(shí)現(xiàn)土壓平衡模式掘進(jìn)，就需要通過(guò)改善土倉(cāng)內(nèi)土體性質(zhì)，并采用輔助技術(shù)措施改變土倉(cāng)內(nèi)土壓力的大小，使土倉(cāng)壓力的大小與開(kāi)挖面前方土壓力大致相等，因此，根據(jù)開(kāi)挖面前方土壓力的大小設(shè)定好土倉(cāng)壓力后，重點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行土倉(cāng)內(nèi)土壓力控制。

采用土壓力理論計(jì)算方法，估算土倉(cāng)內(nèi)土體的靜止土壓力和被動(dòng)土壓力，以此為指導(dǎo)，采取技術(shù)措施對(duì)土倉(cāng)壓力的實(shí)測(cè)值進(jìn)行控制。

（1）在盾構(gòu)推進(jìn)狀態(tài)，對(duì)粘聚力較大（細(xì)顆粒含量較高）的粘土地層，要采取措施降低土倉(cāng)內(nèi)上下部的土壓力；而對(duì)粘聚力較?。?xì)顆粒含量較低）的地層，則要采取措施增大土倉(cāng)內(nèi)上部土壓，降低土倉(cāng)內(nèi)下部土壓。

（2）在盾構(gòu)停機(jī)狀態(tài)，土倉(cāng)上下部的土倉(cāng)壓力都要采取措施適當(dāng)增大。

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)土倉(cāng)壓力設(shè)定值進(jìn)行修正是必要的，但由于地面沉降等往往有滯后效應(yīng)，盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中在開(kāi)挖面前方產(chǎn)生的地層沉降會(huì)在盾構(gòu)通過(guò)之后隨時(shí)間的推移逐步發(fā)展到地面，這就使通過(guò)施