土压平衡盾构施工土仓压力研究

叶凯阳

中铁二十局集团有限公司 西安   710000

[摘要] 济南地铁四号线八一立交桥至泉城公园站区间隧道施工，采用土压平衡盾构机施工工艺。因其位于济南市中区繁华地段，且水文地质情况复杂，地下水位较高及涉及保泉问题，盾构施工推进过程中，合理控制盾构机土仓压力就显得尤为重要，若土仓压力过高会导致地下水位抬升，甚至造成地表隆起；若土仓压力过低则会导致地表塌陷。本文以朗肯土压力理论及太沙基松弛土压力理论和我国《铁路隧道设计规范》TB10003-2016提供的经验公式，结合地层实际情况，充分考虑土体稳定性、粘聚力、渗透性、内摩擦角等土仓压力影响因素，界定土仓压力的安全上限及下限，为实际盾构施工土仓压力的选取提供参考。

[关键词] 盾构施工；土仓压力；粘聚力；摩擦系数

[中图分类号] [文献标识码] [文章编号]

0引言¹

本文主要针对土压平衡盾构施工土仓压力的选择，结合现有的理论及经验方法，重点研究理论公式中各参数的意义及由来，辅助盾构技术人员掌握开挖地层土压力情况。

1. 土仓土压力及其设定方法

1.1土压平衡盾构推进原理

土压平衡盾构，简称EPB盾构，前部设置隔板，并由刀盘、切口环、隔板和螺旋输送机隔离出土仓结构等组成。

其工作原理为：刀盘旋转切削开挖面，破碎的泥土纷纷通过刀盘开口进入土仓，待泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的渣车上；由于土仓和螺旋输送机内充满了切削下来的泥土，并依靠推进液压缸的推力给土仓内的开挖土渣加压，使土压作用于开挖面以使其稳定；此外，盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压及地下水的水压，并将地下水挡在其外^[2]。

土压平衡盾构通过密闭土仓内切削土体的压力与开挖面水土压力的平衡来减小土体的扰动。合理的设置土仓土压力对于地表沉降的控制具有重要意义。

1.2土仓土压力设定方法

盾构施工开挖面需考虑的土压力主要有朗肯主动土压力、朗肯被动土压力、朗肯静止土压力及太沙基松弛土压力等，需视开挖环境的要求不同而严格设置。实际计算时，规定一个上限值，一个下限值，形成一土仓压力管理范围，当土体的自稳性较好时取较小的压力，当严格控制地层变形或地表沉降时取较大的压力，即：

土仓压力计算方法

2.1朗肯土压力基本理论

取一微观土体单元，用大主应力 和小主应力 概括土体单元的受力情况，如图1所示。

图1 土体微观单元受力示意图

假设土体的破坏为剪切破坏， 为滑动剪破面， 为剪破面与水平方向夹角，抗剪强度主要由颗粒间的粘聚力 和摩擦力 （内摩擦角）组成。则由莫尔-库伦强度理论的极限平衡条件可得：

而朗肯土压力理论，则是在莫尔-库伦强度理论的基础上，将 看作竖直方向上的自重应力，将 看作水平方向上的自重应力分量，即朗肯土压力。如图3所示，其中 为自重应力， 为静止侧压力系数，其值为 ， 代表有效内摩擦角。

图2 朗肯土压力示意图

若考虑土体粘聚力作用，即滑动土体为粘性土，则可得：

其中，

代表朗肯主动土压力， 代表其主动侧压力系数； 代表朗肯被动土压力， 代表其被动侧压力系数。 代表朗肯静止土压力， 代表其静止侧压力系数。

2.2 水压力计算方法

理论水压力的计算方法分两种情况，第一种，地层为砂性土，需按水土分算的方法分别计算侧向土压力和水压力并求和，计算自重应力时需考虑水的浮力作用；第二，地层为粘性土，因粘性土渗透性较小，需按水土合算的方法直接用饱和重度计算侧向土压力，将水土看为一个整体，不考虑水的浮力作用。

而在实际掘进过程中，地层情况复杂，且由于刀盘并非完全开口，而是中间有70%~80%的支挡结构，随着刀盘的不断往前推进，土仓内的压力介于原始的土压力值附近。加上水在土中的微细孔中流动时的阻力。故在掘进时地层中的水压力可以根据地层的渗透系数进行酌情考虑^[3]。水压力计算公式：

其中，q为根据土的渗透系数确定的一个经验数值，砂土中q取0.8~1.0，粘性土中q取0.3~0.5。

2.3我国经验法土压力计算方法

在我国《铁路隧道设计规范》中，在太沙基松弛土压力理论的基础上，结合大量的施工经验，提出以岩体综合物性指标为基础的岩体综合分类法^[4]。

此方法首先根据隧道顶部覆土是否有形成“拱顶效应”的条件为判定原则，将隧道分为深埋隧道和浅埋隧道。深浅埋隧道的临界深度通常为2~2.5倍施工坍方高度（等效荷载高度）确定，即：

其中，Hp为深浅埋隧道分界深度，Hq为施工坍方平均高度，s为围岩等级，ω为宽度影响系数，B为隧道净宽，单位以米计，i为B每增减1米时的围岩压力增减率，B<5时i=0.2，B>5时i=0.1。

竖向松弛土压力为

其中， 为围岩容重。

水平松弛土压力需根据围岩等级判断，如表4所示：

表4 水平松弛土压力取值示意表

2. 总结

1）首先，因地下土层实际情况错综复杂，且地层勘探手段存在局限性，而我们的理论依据是建立在相对理想情况下研究和计算的，故存在一定误差，若要进一步准确判断盾构机掌子面前方土压力，需根据实际情况灵活选用各类参数，达到较准确控制沉降的目的。

2）深埋隧道中，若坍方范围内的围岩稳定性较好，则按《铁路隧道设计规范》计算土压力时数值偏大，围岩范围按1~2倍盾构机外径计算较为合适。

3）深埋隧道中，若坍方范围内的围岩稳定性较差或围岩变形、软弱系数较大，容易失水时，反而按规范法计算土压力较为合适，按主动土压力计算数值偏小，易导致岩体向下移动或坍塌。

4）浅埋隧道中，因隧道深度无法形成“拱顶效应”，为防止因推力过大导致地面隆起，应采用朗肯主被动土压力计算方法界定盾构土压力。但若开挖面围岩稳定性较差，为防止岩体向下移动或坍塌，甚至发生地表沉降，应用朗肯静止土压力和被动土压力界定盾构土压力。

5）若增大盾构机推进压力，会增大盾构机掘进扭矩，掘进功率也随之增大，进而增大掘进成本，故盾构掘进时的实际压力，在不考虑工期和地表沉降的情况下，应尽量贴合盾构土压力下限。

参考文献：

[1] 耿永常,赵晓红. 城市地下空间建筑[M]. 哈尔滨；哈尔滨工业大学出版社，2001.

[2] 洪开荣等. 盾构与掘进关键技术[M].北京；人民交通出版社股份有限公司，2018.9.

[3] 赵国藩,贡金鑫. 工程结构生命全过程可靠度[M]. 北京:中国铁道出版社，2004.

[4] 董卫青,李昆，高堂亮，等. 青岛市体育中心体育场结构设计[J]. 建筑结构， 2011,41(10)：37-41.

1

5