土壓平衡盾構(gòu)土壓平衡理論分析與計(jì)算

摘要：根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)設(shè)計(jì)的2種刀盤型式、特點(diǎn)和盾構(gòu)的土壓平衡原理，詳細(xì)分析并提出土艙各部位土壓力要與開挖面對應(yīng)部位所需水土壓力相平衡，以達(dá)到盾構(gòu)開挖面所需的所有點(diǎn)的平衡。通過計(jì)算可知，在同種地質(zhì)條件下，周邊圓弧形刀盤土壓平衡壓力值要遠(yuǎn)大于周邊直角形刀盤。對土壓平衡盾構(gòu)施工有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：土壓平衡；土壓力；水土壓力；主動(dòng)水土壓力；點(diǎn)的平衡 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U445 文章編號：1009-2374（2017）06-0085-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.043

近年來，盾構(gòu)法憑借其安全、可靠、快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)勢廣泛用于各大城市地鐵。土壓平衡盾構(gòu)以其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性，在城市地鐵盾構(gòu)法施工中占有絕對的優(yōu)勢地位。但盾構(gòu)掘進(jìn)過程中超挖現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致地表及附近建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保證地表及建（構(gòu)）筑物安全，土壓平衡盾構(gòu)水土壓力計(jì)算已經(jīng)引起專家與學(xué)者的廣泛關(guān)注，并進(jìn)行了大量的研究與分析。

何川等進(jìn)行了土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程的室內(nèi)相似模型試驗(yàn)，獲得土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)對地層影響的一般規(guī)律。王洪新等提出土壓平衡盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)有兩種平衡狀態(tài)：一種是盾構(gòu)與前方土體接觸壓力和水土壓力的平衡；另一種是出土的平衡。李君等利用盾構(gòu)模型，從土體應(yīng)力變化的角度，揭示了隨著土拱的形成、發(fā)揮和發(fā)展過程，開挖面經(jīng)歷了局部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)這樣一個(gè)漸進(jìn)破壞的模式。宋錦虎等提出地表沉降的發(fā)展過程與開挖面上方土拱的形成過程具有對應(yīng)關(guān)系，地下水的存在通過降低土拱高度，從而減小了地表的沉降。宮秀濱等對土壓力進(jìn)行了分析，提出土艙壓力要介于主動(dòng)水土壓力與靜止水土壓力之間的選擇方法。黎春林通過對土拱高度的討論，提出一種簡化的隧道施工擾動(dòng)范圍判斷方法。鄒春華等認(rèn)為由于刀盤擠壓作用，土艙壓力不等于掘進(jìn)面土壓力，提出基于位移反分析法的盾構(gòu)掘進(jìn)面土壓力計(jì)算方法。張子新等通過對國內(nèi)外盾構(gòu)隧道開挖面支護(hù)壓力6種計(jì)算方法的綜合比較和分析，提出了適用于黏性土地層的開挖面支護(hù)壓力計(jì)算簡化方法。以上學(xué)者是基于將盾構(gòu)開挖面作為一個(gè)整體的水土壓力計(jì)算方法研究或盾構(gòu)掘進(jìn)過程中未達(dá)到土壓平衡已經(jīng)造成超挖后的沉降分析。按照盾構(gòu)土壓平衡原理，如果盾構(gòu)土艙內(nèi)的土壓力與前方開挖面的水土壓力相平衡，就不會存在超挖，地表不會產(chǎn)生隆起或沉降。土壓平衡盾構(gòu)施工的關(guān)鍵還是精確計(jì)算出開挖面的水土壓力，并一直保持平衡狀態(tài)，才能確保地表及附近建（構(gòu)）筑物安全。

本文根據(jù)現(xiàn)今常用的土壓平衡盾構(gòu)2種刀盤型式、特點(diǎn)和朗肯土壓力計(jì)算公式，詳細(xì)分析開挖面各部位所需的主動(dòng)水土壓力，同時(shí)對盾構(gòu)土艙內(nèi)土壓力進(jìn)行分析，提出土艙壓力與對應(yīng)的盾構(gòu)開挖面每個(gè)點(diǎn)都要達(dá)到平衡，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的土壓平衡，才能控制盾構(gòu)超挖，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)。通過理論計(jì)算分析可知，對于盾構(gòu)土壓平衡控制，周邊直角形刀盤要優(yōu)于周邊圓弧形刀盤。解決了前人將開挖面作為一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出來的主動(dòng)水土壓力值偏小，導(dǎo)致盾構(gòu)超挖的問題。

1 土壓平衡盾構(gòu)原理及分析

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)是利用安裝在盾構(gòu)最前面的全斷面切削刀盤，將正面土體切削下來，進(jìn)入刀盤后面的土艙，并使土艙內(nèi)的土壓力與開挖面的水土壓力相平衡，以減少盾構(gòu)掘進(jìn)對地層土體的擾動(dòng)，從而控制地表沉降。盾構(gòu)邊掘進(jìn)切削土體邊由螺旋輸送機(jī)排土，通過掘進(jìn)速度與排土量的控制，盾構(gòu)時(shí)控制土艙隔板上的土壓傳感器壓力值，實(shí)現(xiàn)土壓平衡。

為了達(dá)到盾構(gòu)的土壓平衡，刀盤切削下來的土體要進(jìn)行渣土改良，通過添加劑的加入，土艙內(nèi)土體要達(dá)到良好的流塑性、較低的內(nèi)摩擦角、低滲透率，土艙內(nèi)土體能夠進(jìn)行有效的土壓傳遞。本文研究土壓平衡的設(shè)定條件是渣土進(jìn)行了良好改良，土壓能夠有效傳遞，土艙內(nèi)土壓力與開挖面后方（刀盤前方）同一深度的土壓力相同，刀盤面板的支撐作用不予考慮，改良后的渣土內(nèi)摩擦角為0，無凝聚力，無滲透性。螺旋輸送機(jī)的排土不會影響開挖面的平衡。盾構(gòu)開挖側(cè)面土壓力計(jì)算采用朗肯土壓力計(jì)算公式。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，當(dāng)土艙內(nèi)土壓力小于開挖面的主動(dòng)水土壓力，開挖面及以外的土體將向土艙涌入，造成地表沉降；當(dāng)土艙內(nèi)土壓力大于開挖面的被動(dòng)水土壓力，刀盤切削土體無法進(jìn)入土艙，刀盤切削土體將向開挖面以外擠走，造成地表隆起。盾構(gòu)土壓平衡控制實(shí)際上是土艙內(nèi)土壓力大于或等于開挖面的主動(dòng)水土壓力，小于或等于開挖面的被動(dòng)水土壓力。盾構(gòu)施工者為降低盾構(gòu)施工成本，防止結(jié)泥餅等，一般都是將土艙內(nèi)土壓力控制在稍大于開挖面的主動(dòng)水土壓力小于被動(dòng)水土壓力范圍內(nèi)。因此，準(zhǔn)確計(jì)算開挖面的主動(dòng)水土壓力是土壓平衡盾構(gòu)施工控制的關(guān)鍵。由于被動(dòng)水土壓力大于地層的水土自重應(yīng)力，本文不予考慮計(jì)算。

2 土壓平衡盾構(gòu)開挖面的土壓平衡分析

土壓平衡盾構(gòu)施工的關(guān)鍵是開挖面前方原狀土的水土壓力與開挖面后方的渣土的土壓力相平衡。目前，土壓平衡盾構(gòu)刀盤有2種型式（周邊直角形刀盤和周邊圓弧形刀盤），現(xiàn)分別對不同刀盤型式的開挖面進(jìn)行分析。

2.1 周邊直角形刀盤開挖面的土壓平衡分析

土壓平衡盾構(gòu)直角刀盤設(shè)定刀盤周邊沒有開口，形成圓柱形的開挖面周邊由刀盤的周邊鋼結(jié)構(gòu)支承，前方開挖面為一平面。設(shè)盾構(gòu)開挖地層為均一地層，根據(jù)隧道埋深和朗肯土壓力計(jì)算公式可以準(zhǔn)確計(jì)算出開挖面原狀土的主動(dòng)土壓力（如圖1）。為達(dá)到盾構(gòu)掘進(jìn)土壓平衡，開挖面后方的渣土土壓力應(yīng)大于或等于相應(yīng)位置的原狀土主動(dòng)水土壓力。盾構(gòu)開挖面頂部位置土艙土壓力按等于原狀土主動(dòng)水土壓力，開挖面后方渣土的土壓力分布如圖1。由于土艙內(nèi)渣土經(jīng)過改良，與開挖面原狀土物理性質(zhì)指標(biāo)不同，土艙內(nèi)渣土的豎直壓力與水平壓力相等，土艙內(nèi)土的側(cè)壓力除頂部與開挖面原狀土水土壓力相等外，下部開挖位置都大于相應(yīng)位置開挖面的主動(dòng)水土壓力。因此，直角刀盤開挖面的土壓平衡主要保證開挖面頂部位置土艙土壓力與原狀土水土壓力相等，就可以實(shí)現(xiàn)土壓平衡。根據(jù)開挖頂部原狀土水土壓力和土艙內(nèi)土的物理性質(zhì)，可以計(jì)算出土艙隔板壓力傳感器位置處的土壓力，盾構(gòu)掘進(jìn)土艙壓力按計(jì)算土壓力控制，就能夠達(dá)到土壓平衡狀態(tài)。

2.2 周邊圓弧形刀盤開挖面的土壓平衡分析

土壓平衡盾構(gòu)周邊圓弧形刀盤是刀盤周邊有開口，周邊開挖面為一圓弧面，開挖面正面為一平面（如圖2）。設(shè)盾構(gòu)開挖地層為均一地層，根據(jù)隧道埋深和朗肯土壓力計(jì)算公式可以準(zhǔn)確計(jì)算出開挖面為平面處的主動(dòng)水土壓力，但開挖面為圓弧面的主動(dòng)水土壓力不能采用朗肯土壓力計(jì)算公式，此圓弧面水土壓力實(shí)際上是土的豎向水土壓力向側(cè)向主動(dòng)水土壓力的漸變過程。盾構(gòu)開挖面頂部土艙土壓力與開挖面頂部的豎向主動(dòng)水土壓力相平衡（如圖2），才能達(dá)到盾構(gòu)的土壓平衡。開挖面外側(cè)的原狀土豎向主動(dòng)水土壓力遠(yuǎn)大于同位置側(cè)向主動(dòng)水土壓力（內(nèi)摩擦角越大，相差值越大）。

2.3 開挖面土壓平衡分析

刀盤型式不同，導(dǎo)致開挖面形狀不同。同種地質(zhì)條件下，周邊圓弧形刀盤的土壓平衡需要土壓力要大于周邊直角形刀盤土壓平衡需要的土壓力。實(shí)際盾構(gòu)施工中水土壓力計(jì)算都是采用的朗肯側(cè)向主動(dòng)土壓力計(jì)算公式，未考慮周邊圓弧形刀盤的豎向水土壓力平衡，未達(dá)到真正的土壓平衡，導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)超挖，造成地表沉降。因此，盾構(gòu)土壓平衡必須是開挖面前方原狀土水土壓力與開挖面后方渣土土壓力所有點(diǎn)的平衡。

3 舉例計(jì)算盾構(gòu)土壓平衡最小土壓力

設(shè)盾構(gòu)開挖直徑6m，全部處于水位線以上，開挖面頂部至地表距離h1為10m，開挖面及以上為均一地層，原狀土容重γ為20kN/m3，土體內(nèi)摩擦角Φ為40度，凝聚力c為0；土艙內(nèi)渣土容重γ土艙為22kN/m3，內(nèi)摩擦角Φ土艙為0，凝聚力c土艙為0；隔板上土壓力傳感器E處距離開挖面頂部F豎直距離h2為1m，理論計(jì)算土壓傳感器E處需要達(dá)到的最小土壓力。

3.1 周邊直角形刀盤

因此，當(dāng)采用直角刀盤理論計(jì)算土壓傳感器E′處需要達(dá)到的最小土壓力σE′為65.5kPa時(shí)，盾構(gòu)開挖面各位置都達(dá)到了真正意義上的土壓平衡。

3.2 周邊圓弧形刀盤

因此，當(dāng)采用周邊圓弧形刀盤理論計(jì)算土壓傳感器E′處需要達(dá)到的最小土壓力σE′為222kPa時(shí)，盾構(gòu)開挖面各位置都達(dá)到了真正意義上的土壓平衡。

通過計(jì)算分析可知，在同一地層條件下，為了達(dá)到盾構(gòu)開挖面所有點(diǎn)的土壓平衡，周邊圓弧形刀盤土艙的土壓力要遠(yuǎn)大于周邊直角形刀盤土艙土壓力。

4 結(jié)語

盾構(gòu)的土壓平衡實(shí)際上是開挖面所有點(diǎn)的土壓平衡，就不會造成地表的沉降或隆起。在同種地層條件下，為實(shí)現(xiàn)土壓平衡掘進(jìn)模式，周邊圓弧形刀盤土艙的土壓力要大于周邊直角形刀盤土艙土壓力。對于盾構(gòu)土壓平衡控制，周邊直角形刀盤要優(yōu)于周邊圓弧形刀盤。對于不同的刀盤型式要采取不同的水土壓力計(jì)算方法。

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作者簡介：王國義（1974-），男，中電建成都建設(shè)投資有限公司教授級高級工程師，研究方向：盾構(gòu)施工技術(shù)與管理。

（責(zé)任編輯：蔣建華）