土仓压力计算

土仓压力计算李嘉骏2018-01-062018-1目录1土仓压力设定原则2土仓压力计算3土仓压力选择2018-01-06土仓压力设定原则土压平衡盾构是通过密闭土舱内切削泥土的压力与开挖面水土压力的平衡来减小对土体的扰动的。设置合理的土压力，对于控制地表沉降、提高掘进速度、降低掘进成本有着非常重要的意义。在盾构施工过程中，掘进时土压力的设定遵循以下原则：1、在选择掘进土压力时主要考虑地层土压力、地下水压力（孔隙水压力），并考虑预备压力；2、土仓内的土压力可以维持刀盘前方的围岩稳定，不致于因土压偏低造成土体坍塌、地下水流失；3、为了降低掘进扭矩、推力，提高掘进速度，减少土体对刀具的磨损，土仓内的土压力应尽可能得低，以使掘进成本最低。2018-1土仓压力设定原则开挖面平衡原理见图１。土压平衡盾构正面推进力可表示为Ｎ＝Ｐｉ－（Ｐｚ＋Ｐｗ）式中：Ｐｉ———密封舱土压力，ｋＰａ；Ｐｚ———开挖面侧向静止土压力，ｋＰａ；Ｐｗ———开挖面水压力，ｋＰａ。为使开挖面保持稳定，应尽量满足Ｎ＝０。2018-01-06土仓压力计算方法在选择掘进土压力时主要考虑地层土压，地下水压（孔隙水压），预先考虑的预备压力。2.1地层土压在我国铁路隧道设计中，根据大量的施工经验，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，根据隧道的埋资深度不同，将隧道分为深埋隧道和浅埋隧道。再根据隧道的具体情况采用不同的计算方式进行施工土压计算。2.1.1深埋隧道与浅埋隧道的确定深、浅埋隧道的判定原则一般以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。（成拱作用使隧道在多裂隙围岩（包括一般土层）中埋置较深时，作用在支护结构上的围岩压力远远小于其上覆层自重所造成的压力。）2018-01-06深、浅埋隧道的划分深埋隧道围岩松动压力值是根据施工坍方平均高度（等效荷载高度）确定的。根据经验，深、浅埋隧道分界深度通常为2～2.5倍的施工坍方平均高度，即Hp=（2～2.5）hq式中：Hp--深、浅埋隧道分界的深度hq--施工坍方平均高度，hq=0.45×2S-1ωS—围岩类别，如Ⅲ类围岩，则S=3ω—宽度影响系数，且ω=1+i（B-5）；B—隧道净宽度，单位以m计；i—以B=5m为基准，当B<5m时，取i=0.2，当B>5m，取i=0.1；2018-01-06深埋隧道地层压力计算方法对于深埋隧道，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：σ水平侧向力=k×γ×hh=0.45×2S-1ω式中，S—围岩级别，如Ⅲ级围岩，则S=3；h—围岩压力计算高度；γ—围岩重度；ω—宽度影响系数，且ω=1+i（B-5）；B—隧道净宽度，单位以m计；i—以B=5m为基准，当B<5m时，取i=0.2，当B>5m，取i=0.1；k—根据围岩级别确定的水平侧压力系数，具体见表1：2018-01-06 围岩级别 水平侧压力系数 Ⅰ～Ⅱ 0 Ⅲ ＜0.15 Ⅳ 0.15～0.3 Ⅴ 0.3～0.5 Ⅵ 0.5～1.0浅埋隧道地层压力计算方法2.1.3浅埋隧道地层压力1、静止土压力静止土压力为处于静止的弹性平衡状态下的原状天然土体的土压力，也就是没有受到盾构施工扰动时的土压力。在深度ｚ处，在竖直面的主应力，即静止土压力为σｚ＝ｋ０γｚ式中：ｋ０——土的静止侧压力系数;γ——土的容重，ｋＮ／ｍ３；ｚ——计算点深度，ｍ。静止侧压力系数ｋ０的数值可通过室内的或原位的静止侧压力试验测定。k。=υ/1-υυ为岩体的泊松比。ｋ０也可按经验确定：砂ｋ０＝0.34～0.45；硬粘土、压密砂性土ｋ０＝0.5～0.7；极软粘土、松散砂性土ｋ０＝0.5～0.7。2018-01-06浅埋隧道地层压力计算方法2、主动土压力与被动土压力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。盾构推进时，如果土仓内土压力设置偏低，工作面前方的土体向盾构刀盘方向产生微小的移动或滑动，土体出现向下滑动趋势，为了抵抗土体的向下滑动趋势，土体的抗剪力逐渐增大。当土体的侧向应力减小到一定程度，土体的抗剪强度充分发挥时，土体的侧向土压力减小到最小值，土体处于极限平衡状态，即主动极限平衡状态，与此相应的土压力称为主动土压力Ea，如图2所示。图2主动极限平衡状态下的土体位移趋势2018-01-06浅埋隧道地层压力计算方法主动土压力与被动土压力盾构推进时，如果土仓内土压力设置偏高，刀盘对土体的侧向应力逐渐增大，刀盘前部的土体出现向上滑动趋势，为了抵抗土体的向上滑动趋势，土体的抗剪力逐渐增大，土体处于另一极限平衡状态，即被动极限平衡状态，与此相应的土压力称为被动土压力Ep，如图3所示。图3被动极限平衡状态下的土体位移趋势2018-01-06浅埋隧道地层压力计算方法主动土压力计算：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。此时，土体内的竖直应力σz相当于大主应力σ1，水平应力σa相当于小主应力σ3。水平应力σa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：σa=σztan2（45°-φ/2）-2ctan（45°-φ/2）式中，σz－深度z处的地层自重应力；c－土的粘着力；z－地层深度；φ－地层内部摩擦角。2018-01-06浅埋隧道地层压力计算方法被动土压力计算：盾构的推力偏大时，土体处于向上滑动的极限平衡状态。此时，刀盘前方的土压力σp相当于大主应力σ1，而竖向应力σz相当于小主应力σa：σp=σ1=σztan2（45°+φ/2）+2ctan（45°+φ/2）式中，σz－深度z处的地层自重应力；c－土的粘着力；z－地层深度；φ－地层内部摩擦角。2018-01-06地下水压计算方法2.2地下水压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。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：2018-01-06地下水压计算方法σw刀盘前=q×γh式中，q－根据土层渗透系数确定的经验数值，砂土q=0.5～1.0，粘性土q=0.1～0.5，风化岩层q=0～0.5；γ－水的容重；h－地下水位距刀盘顶部的高度。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：σw盾尾后=q砂浆×γhW式中，q砂浆－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q＝0.5～1.0；γ－水的容重；hW－补强注浆处与刀盘顶部的高差。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。）2018-01-06施工土压的设置方法2.3预备压力由于施工存在许多不可遇见的因素，致使施工土压力小于原状土体中的静止土压力。按照施工经验，在对沉降要求比较严格的地段计算土压力时，通常在理论计算的基础之上再考虑0.01～0.02Mpa的压力作为预备压力。2.4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，在土压平衡盾构的施工过程中，土仓内的土压力设置方法为：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地表环境状况的复杂程度，计算水平侧向力；2018-01-06施工土压的设置方法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0.010～0.020Mpa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为：σ初步设定=σ水平侧向力＋σ水压力＋σ调整式中，σ初步设定－初步确定的盾构土仓土压力；σ水平侧向力－水平侧向力；σ水压力－地层水压力；σ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。2018-01-06施工土压的设置方法土压力管理与控制一般给出一个适当的范围。根据施工所处的地段、地层、施工环境给出一个土压上限值，以及一个土压下限值。地层地质状况良好、稳定性好，土压力低。地层变化大，沉降要求高等条件下，土压力高。（上限值）Pmax=地下水压+（静止土压或被动土压）+预备压力（下限值）Pmin=地下水压+主动土压在施工中，深埋隧道按照铁路隧道设计规范来考虑施工土压力时，一般得出的土压力都偏大。如果地层地质状况良好，考虑盾构机外径1～2倍以内的土压力较为合适。在浅埋隧道施工时，为了使工作面前方的土体保持稳定的状态，不致因盾构掘进发生变形或产生移位的趋势，应以静止土压力为主要依据。2018-01-06施工土压的设置方法当隧道埋深不大或围岩极不稳定时，可以用朗金理论计算主、被动土压力，从而来确定盾构施工的土压力值。按照朗金理论计算的主动土压是考虑开挖面的稳定由土体本身强度来维持，是基于允许开挖面有一定的变形或移动，所以对于自稳性较差的地层、软弱或变形系数较大、容易失水的地层，以此理论考虑主动土压是偏小的，也是比较危险的。从施工来看，如果推进土压力小于主动土压力，当隧道埋深不大时，岩体会向下移动或坍塌。从而导致地表沉陷，形成一个塌陷区域。在沉降要求较为严格的部位，尽量使盾构机的推进压力大于静止土压力，从而使土体产生向刀盘前方变形的趋势或位移，以达到减小地层沉降的目的。但由于加大了盾构机的推进压力，增大了盾构机的掘进扭矩、掘进功率，将加大掘进成本。同时由于土仓内的土压增大，可能对盾构机的铰接密封、盾构机的主轴承密封甚至刀盘刀具带来负面影响。计算实例成都轨道交通17号线一期工程五桐庙停车场出入场线盾构区间隧道开挖直径8634mm，采用装配式钢筋砼管片衬砌，衬砌环外径8300mm，内径7500mm，管片宽度1500mm，管片厚度400mm；管片与地层间的空隙采用同步注浆回填。隧道上覆土厚度最大约18.5m，最小约5.8m。区间隧道主要穿行于<8-3-2>中密实卵石层、<8-3-3>密实卵石层。地层地下水主要为第四系孔隙水与基岩裂隙水。根据地勘，区间隧道围岩等级为V级，出场线始发段隧道埋深约5.8米，地下水位为地下2米。计算施工土压力时，确定隧道埋深以6.0m考虑，围岩以<8-3-2>中密卵石层考虑，采用浅埋隧道的土压力计算方法计算土压。计算实例在浅埋隧道施工时，为了使工作面前方的土体保持稳定的状态，不致因盾构掘进发生变形或产生移位的趋势，应以静止土压力为主要依据。根据施工所处的地段、地层、施工环境给出一个土压上限值，以及一个土压下限值。σ主动=σztan2（45°-φ/2）-2ctan（45°-φ/2）=2.20×6×tan2（45°-30°/2）-2×0.35×tan（45°-30°/2）=0.42kg/cm2=0.042Mpaσ静止=ｋ０γｚ=0.35×2.2×6=0.424kg/cm2=0.0462Mpa在中密实卵石土中，计算地层水压力时q取0.1，σw刀盘前=q×γh=0.1×1×（6-2）=0.05kg/cm2=0.005Mpa考虑0.010～0.020Mpa的压力值作为调整值来修正施工土压力，即σ调整=0.015～0.025Mpa。计算实例（上限值）Pmax=地下水压+静止土压+预备压力=0.010+0.0462+（0.015～0.025）=0.0712～0.0812Mpa=0.712～0.812bar（下限值）Pmin=地下水压+主动土压=0.010+0.042=0.052Mpa=0.52bar2018-01-062018-01-06