土压盾构土仓压力设定与控制

LOGO土压平衡盾构土仓压力设定与控制中铁一局城轨公司杨永强2012年7月·西安提纲1前言2土压力概念3土压力计算方法与分析4土仓压力设定与控制5结论与思考1前言1.1土压平衡盾构的施工机理盾壳支承着围岩并保护着刀盘旋转，在推进油缸作用下，刀盘旋转切削开挖面土体，刀盘上被切割、破碎的碴土，经过刀盘上的开口进入密闭的土仓，利用端部伸入土仓下部的螺旋输送机排土；通过控制螺旋输送机转速或盾构推进速度，达到土仓内土压力与开挖面地层土压力动态平衡。核心：开挖面稳定机理，即土仓内土压力抵抗开挖面地层水土压力使开挖面稳定。1.2土仓压力设定问题设定合适的土仓压力确保开挖面的稳定，关系到盾构施工效率和工程环境安全。开挖面地层稳定性较好时，土仓压力过大时会引起刀盘扭矩和推力增大、推进速度下降，存在盾构掘进效率降低、设备能耗和损耗加大等问题；开挖面地层稳定性较差时，土仓压力不足则会发生开挖面的涌水或坍塌，造成地层水土流失过多，导致地层沉降难以控制等问题。1.3开挖面稳定和土仓压力设定相关理论开挖面稳定是通过保持盾构刀盘支承的压力仓内泥土压力来获得。盾构推进时，其前端刀盘旋转切削地层土体进入土仓。当土体充满土仓时，其被动土压与开挖面上的土、水压基本相同，开挖面实现平衡。土仓压力设定，有采用开挖面地层的主动土压力、静止土压力或松弛土压力的方法等。作为上限值，以尽量控制地表面的沉降为目的而使用静止土压力；作为下限值，可以允许产生少量的地表沉降，但可确保开挖面的稳定为目的而使用主动土压力。土仓压力是利用开挖下来的碴土充满土仓来建立的，通过使开挖的碴土量与排出的碴土量相平衡的方法来保持。必须使开挖土体充满土仓，并使排土量与开挖土量相平衡。由于围岩的土量或碴土容重会有一定的变化，另外，由于添加剂的种类、添加量或排土方式等因素的影响，碴土的容重也会发生变化，所以要恰当地掌握排土量是比较困难的。仅单独根据排土量的管理来控制开挖面坍塌或地基沉降是困难的，最好是根据土仓压力管理和开挖土量管理同时进行。1.4研究土仓压力的意义实际工程实践中土仓压力设定采用经验数据的现象较多，往往会出现土仓压力设定时或大或小的偏差，不利于施工控制。因此，掌握土仓压力设定和控制方法，对盾构施工具有一定的指导意义。2土压力概念2.1土中一点的应力状态三个法向应力分量：σx、σy、σz六个剪应力分量：τxy=τyx、τyz=τzy、τzx=τxz2.2土压力及类型由于土体自重、土上荷载或结构物的侧向挤压作用，挡土结构物所承受的来自墙后填土的侧向压力。墙体位移条件是影响土压力的最主要的因素。墙体位移的方向和相对位移量决定所产生的土压力的性质和土压力的大小。(a)静止土压力(b)主动土压力(c)被动土压力（Earthpressureatrest)（Activeearthpressure)（Passiveearthpressure)1~5%1~5%0E0EaHHEp土压力E_HH+Ea＜E0＜＜Ep2.3土压力与墙身位移的关系（右图）2.4墙体位移对土压力的影响土压力的类型取决于：墙体是否发生位移以及位移的方向；墙后土体所处的应力状态。挡土墙所受土压力的大小并不是一个常数，而是随位移量的变化而变化。2.5静止土压力可按土体处于侧限条件下的弹性平衡状态计算。2.6朗肯土压力理论基本条件：墙背光滑；墙背垂直、刚性；填土表面水平、半无限、均匀。假设：墙后各点均处于极限平衡状态2.7主动土压力2.8被动土压力3土压力计算方法与分析3.1建立计算模型隧道上方地面水平、地层均匀，土体自重应力q。假定盾构土仓内充满碴土，土压力按线性分布。3.2土压力类型分析盾构土仓隔板支挡着土仓内的土体，土仓内土体产生的侧向力作用在土仓隔板上，可将土仓隔板看作挡土结构；盾构刀盘有一定的开口率，土仓内的土体与刀盘前方的土体连通，土仓内土体支挡着刀盘前方土体，开挖面前方土体产生的侧向力作用在土仓内土体上，同时土仓内土体产生的侧压力也反作用在开挖面前方土体上，可将土仓内土体看作挡土结构。这样一来，近似符合土力学相关理论的假定条件，可按土力学相关理论进行分析3.2.1盾构推进状态土压力类型分析（1）盾构推进的某一瞬时，土仓内充满碴土，当土仓内土体推挤前方土体时，开挖面前方的土体对土仓内土体产生被动土压力；当土仓内土体相对前方土体静止不动即位移为零时，开挖面土体处于弹性平衡状态，此时开挖面前方的土体对土仓内土体产生静止土压力；当土仓内土体在开挖面前方土体推力作用下向土仓隔板方向移动时，开挖面前方土体对土仓内土体产生主动土压力。（2）盾构推进的某一瞬时，土仓内充满碴土，盾构机向前产生了一定的位移，盾构土仓隔板对土仓内土体产生推挤，土仓内的土体对土仓隔板产生的土压力为被动土压力。3.2.2盾构停机状态土压力类型分析（1）盾构停机时，土仓内充满碴土，土仓内土体不再向前推挤，土仓内土体相对前方土体静止不动即位移为零时，开挖面土体处于弹性平衡状态，此时开挖面前方的土体对土仓内土体产生静止土压力；开挖面土体不稳定并向土仓方向位移时，作用在土仓内土体的侧向力使土仓内土体产生一定的压缩，可看作是向远离开挖面方向有位移，此时，开挖面前方土体的土压力为主动土压力。（2）盾构停机时，土仓内充满碴土，盾构土仓隔板对土仓内土体不产生位移，土仓内的土体对土仓隔板产生的土压力为静止土压力。3.2.3小结开挖面前方土体产生的土压力在盾构推进时可能是主动土压力、静止土压力或被动土压力，也可能是介于主动土压力与被动土压力之间的某一个数值；在盾构停机时可能是主动土压力或静止土压力，也可能是介于主动土压力与静止土压力之间的某一个数值。土仓内的土体产生的土压力在盾构推进时是被动土压力；在盾构停机时是静止土压力。3.3土压力理论计算方法3.3.1开挖面前方土压力理论计算开挖面前方土体容重γ，粘聚力c，有效内摩擦角φ，静止土压力系数为K0。（1）静止土压力时，p土=K0(q+γh)则：p土1=K0q，p土2=K0(q+γD)。（2）主动土压力时，p土=(q+γh)tg2(45°-φ/2)-2ctg(45°-φ/2)则：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）被动土压力时，p土=(q+γh)tg2(45°+φ/2)+2ctg(45°+φ/2)则：p土1=qtg2(45°+φ/2)+2ctg(45°+φ/2)，p土2=(q+γD)tg2(45°+φ/2)+2ctg(45°+φ/2)。理论上，可通过地质勘察、土工试验或推导得出开挖面前方土体的γ、c、φ和K0等物理力学指标；实际上，地质勘察布孔有一定的间距，不能完全得出每一开挖面前方土体的相关物理力学指标。研究开挖面前方土压力时是将土仓内土体看作挡土结构物，只近似符合朗金土压力理论的假定。这些都对开挖面前方土体土压力计算的准确性会产生一定的影响。尽管如此，以地质勘察报告的物理力学指标为依据，采用现有的土压力理论对开挖面前方土压力进行计算，其计算结果仍可用来作为土仓压力设定的主要依据。【算例1】以隧道全断面为砂土、粉土、粘土和淤泥质土等四种地层为例，采用试算法分析和说明开挖面前方土压力的计算方法。假定隧道开挖直径D为6m，隧道埋深15m，上覆土容重20kN/m3，上覆土均布荷载q=15m×20kN/m3=300kPa。参考工程地质勘察报告中的试验数据或相关文献的经验数据，获取各地层的γ、c和φ等物理力学指标以及K0（也可用K0=1-sinφ），计算主动土压力系数Ka=tg2(45°-φ/2)和被动土压力系数Kp=tg2(45°+φ/2)；采用上述公式计算开挖面前方土压力p土1、p土2。当开挖面前方土体有地下水时，还应考虑地下水对开挖面前方土体土压力的影响：对砂土和粉土按分土分算，侧向压力为静止水压力和土压力之和，地下水位以下的土压力采用浮容重和有效应力抗剪强度指标计算；对粘性土按分土合算，地下水位以下的土压力采用饱和容重和总应力抗剪强度指标计算。当隧道上方地面有建筑物或其它荷载时，还应考虑地面荷载引起的附加应力的作用，可采用近似方法将地面荷载换算成等值填土高度进行计算，其垂直应力与隧道开挖面以上的土体自重应力叠加。开挖面前方土体成层分布时，各层土的容重γ、粘聚力c，有效内摩擦角φ等不同，在进行土压力计算时按各层高度及地层物理力学参数分层计算，土压力分布在地层交界面处发生突变，土压力呈折线分布。3.3.2土仓内土压力理论计算土仓内土体容重为γ仓，粘聚力为c仓，有效内摩擦角为φ仓，静止土压力系数为K0仓，盾构土仓上覆土荷载q由盾构壳体承受，土仓内土压力由土仓内土体产生。（1）静止土压力时，p仓’=K0仓γ仓h则：p仓1=p仓1’=0，p仓2=p仓2’=K0仓γ仓D。（2）被动土压力时，p仓’=γ仓htg2(45°+φ仓/2)+2c仓tg(45°+φ仓/2)则：p仓1=p仓1’=2c仓tg(45°+φ仓/2)，p仓2=p仓2’=γ仓Dtg2(45°+φ仓/2)+2c仓tg(45°+φ仓/2)土仓内土体是开挖面土体经刀盘切削后，受不同程度压缩和混合后的重塑土，土仓内土体物理力学性质与开挖面土体相比发生了一定的变化。盾构土仓相对密闭，无法从土仓内采集出可试验的土体，土仓内土体γ仓、c仓、φ仓和K0仓等物理力学指标无法通过试验等手段得出，因此土仓内土压力无法采用上述方法进行计算，不能作为土仓压力设定的依据。尽管如此，对出土情况分析并参考经验数据估计土仓内土体的物理力学指标，采用现有的土压力理论对土仓内土压力进行估算，其结果可应用于土仓压力控制。【算例2】以算例1的例子为例，采用试算法分析和说明土仓内土压力的计算方法。假定土仓内的物理力学指标γ仓、c仓和φ仓以及土压力系数K0仓和Kp仓与开挖面前方土体的相同，采用上述公式估算土仓土压力p仓1、p仓2。【算例1与算例2结果比较】3.4土压力计算的分析（1）开挖面前方土压力p土分析p土的大小与地层土体的γ、c和φ等物理力学指标以及荷载q有关，也与土压力类型有关，在进行计算时应研究地层物理性质和土压力类型。当开挖面前方地层c、φ值较大时，地层抗剪强度高，地层稳定性好，开挖面前方主动、静止土压力较小；一般情况下，主动土压力小于静止土压力，在地层c、φ值较小时，主动土压力与静止土压力相差较小，而被动土压力远大于主动土压力和静止土压力。（2）土仓内土压力p仓分析：p仓的大小与土仓内土体的γ仓、c仓和φ仓等物理力学指标有关，土仓内土体是经过刀盘切削后的碴土，物理力学指标又与碴土密实度、土体细颗粒含量大小等相关，同时受盾构施工状态影响较大。盾构推进时，土仓内土压力为被动土压力，c仓较大时上部土压力p仓1较大，φ仓较大时下部土压力p仓2较大；盾构停机时，土仓内土压力为静止土压力，上部土压力p仓1为零，下部土压力p仓2较小。（3）土压力p土与p仓比较分析：•盾构停机状态时p土＞p仓。•盾构推进状态，开挖面前方土压力为主动土压力或静止土压力时p土2＜p仓2，c值较小时p土1＞p仓1，c值较大时p土1＜p仓1；开挖面前方土压力为被动土压力时p土＞p仓。当土仓内充满与原状土基本一致的土体时，p仓与p土的理论计算结果很难达到基本相同，难以实现真正的土压平衡模式，即开挖面前方土体不稳定或受到挤压。4土仓压力设定与控制4.1土仓压力设定方法在土压平衡盾构土仓隔板上安装有土压力传感器，土仓压力值由土压传感器测得并输送给可编程控制器（PLC），PLC将测得的土压力值与设定的土仓压力值相比较后输出电信号调控液压控制系统中的比例流量阀，以此改变螺旋输送机转速或推进液压缸的伸出速度，使土仓压力的测定值与设定土仓压力相等。盾构在土压平衡模式施工时，以开挖面前方土体土压力计算值为主要依据，土仓压力设定值与开挖面前方土体土压力基本相等；通过控制土仓压力的实测值与设定值基本相等，实现开挖面土压力平衡。4.1.1