盾构土压力计算Word格式.docx
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3—宽度影响系数，且3=1+i（B-5）
B—隧道净宽度，单位以m计。
i—以B=5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。
当B<
5m时，取i=0.2,B>
5m取i=0.1。
2.1.2深埋隧道的土压计算在深埋隧道中，按照太沙基土压力理论计算公式以及日本村山理论，可以较为准确的计算出盾构前方的松动土压力。
但在实际施工工程之中，可以根据隧道围岩分类和隧道结构参数，按照我国现行的《铁路隧道设计
规范》中推荐的计算围岩竖直分布松动压力q的计算公式：
6-S
q=0.45x2丫3
丫一围岩容重
地层在产生竖向压力的同时，也产生侧向压力，侧向水平松动压力°
由经验公式可得：
（Ta—EhX（°
z
Ea计算公式见下表
围岩分类
W〜V
IV
皿
II
I
水平松动压力Ta
（0〜1/6）q
（1/6〜1/3）q
（1/3〜1/2）q
（1/2〜1）q
2.1.3浅埋隧道的土压计算
2.131静止土压
静止土压为原状的天然土体中，土处于静止的弹性平衡状态，这时的土压力为静止土压力。
在任一深度h处，土的铅垂方向的自重应力tz=yh为最大主应力，而水平应力Tx二为最小主应力（如图所示），其间存在如下关系：
h
H
erx=k。
.tz=k。
.丫h
k。
为侧向土压力系数,k。
二u/1-u
u为岩体的泊松比
计算地面以下深度为z处的地层自重应力TZ,等于该处单位面积上
土柱的质量。
如下图所示：
+0.000
1•”-••
Y1
Y*h1
.1-
Y2
—
Y2xh2
地下水位
Y3
Y3Xh3
-
Yn
rnxhn
二
土的自重应力分布
（Tz=丫lhl+Y2h2+丫3人3丫nhn=艺丫ih
Yi--第i层土的天然容重（地下水位以下一般采用浮容重），kN/mthi—第i层土的厚度，mn—从地面到深度z处的土层数。
静止侧向土压力系数k。
，即土的侧压力系数确定
（1）经验值：
砂：
k.=0.34〜0.45。
粘土k。
二0.5〜0.7。
（2）半经验公式，（目前一般在设计中采用雅基公式）
（Jaky）（砂层）
K0=1-sin©
Brooker公式（粘性土层）
K）=0.95-sin©
'
式中，K0:
静止土压力系数。
©
、©
'
为土的有效内摩擦角。
（3）日本规范日本《建筑基础结构设计规范》建议，不分土的种类,
k均为0.5
2.132主动土压力与被动土压力
在浅埋隧道的施工过程中，由于施工的扰动，改变了原状的天然土体的静止的弹性平衡状态，从而使刀盘前方土体产生主动或被动土压力。
滑力方向
滑，
滑
动面
在盾构机推进时，由于推力（土压力）设置偏低，工作面前方的土体向盾构机刀盘方向发生一个微小的移动或滑动，土体出现向下滑动的趋势或，为了抗拒土体向下滑动的趋势的产生，土体中的抗剪力逐渐增大。
当土体中的侧向应力减小到一定的程度，使土体中的抗剪强度得到充分发挥,此时土体中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。
在盾构机推进时，由于推力（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的趋势，为了抗拒土体向上滑动的趋势的产生，土体中的抗剪力逐渐增大。
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Ept如下图所示：
2.133主动与被动土压力计算：
根据盾构机的特点及盾构机施工的原理，结合我国铁路隧道设计施工
的具体经验，施工采用朗金理论计算主动土压力与被动土压力。
当盾构机推力偏小，土体处于向下滑动的极限平衡状态，具体如下图
所示：
此时土体内的竖直应力。
z相当于大主应力"
，水平应力°
a相当于小
主应力0a。
水平应力。
a为维持刀盘前方的土体不向下滑移需要的最小土
压力，即土体的主动土压力。
画出土体的应力圆，此时水平轴上。
3处的E点与应力圆在抗剪强度线切点M的连线和竖直线间的夹角B为破裂角。
由图可知:
B=1/2/ENM=1/2（90-0）=45-$12
（xa=oa=（Tztan2（45o-$/2）-2ctan（45-$/2）
式中，Tz：
深度为z处的地层自重应力，c：
土的粘着力，z:
地层深度，$:
地层内部摩擦角
当盾构机的推力偏大，土体处于向上滑动的极限平衡状态，具体如下图所示：
此时刀盘前方的土压力TP相当于大主应力T1,而竖向应力Tz相当于小主应力Ta。
画出土体的应力圆，当应力圆与抗剪强度线相切时，刀盘前方的土体被破坏，向前滑移。
此时作用在刀盘上的土压力TP即土体的被动
土压力
z
破裂角B'
由图可知：
B'
=1/2/ENM=1/2（90+©
）=45°
+©
/2
（tp=i=（Tztan2（45o+©
/2）+2ctan（45+©
/2）
式中，"
：
深度为z处的地层自重应力，c:
地层深度，©
:
2.2地下水压力计算与控制
当地下水位高于隧道顶部，由于地层中孔隙的存在，从而形成侧向地下水压。
地下水压力的大小与水力梯度、渗透系数、渗透速度以及渗透时间有关。
在计算水压力时，由于地下水在流经土体时，受到土体的阻力，引起水头损失。
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。
在掘进过程中，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。
当盾构机因故停机时，由于地层中压力水头差的存在，地下水必然会不断的向土仓内流动，直至将地层中压力水头差消除为止。
此时的水压力
为：
（rw=qXyh
q—-根据土的渗透系数确定的一个经验数值。
砂土中q=0.8~1.0,粘性土中q=0.3〜0.5。
丫―水的容重
h-地下水位距离刀盘顶部的高度。
在实际施工中，由于管片顶部的注浆可能会不密实，故地下水可能会沿着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。
—（Twi=q砂浆Xyhw
q砂浆—-根据砂浆的渗透系数和注浆的饱满程度确定的一个经验数值，一般取q=0.8〜1.0。
hw-补强注浆处和刀盘顶部的的高差。
在计算水压力时，刀盘后部的水压力与刀盘前方的水压力取大值进行考虑。
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10〜20kg/m2（0.1〜0.2kgf/cm2）的压力作为预备压力。
三、施工实例
广州地铁二号线【越〜三区间隧道】盾构工程位于广州市越秀区和白
云区，该工程全长3926.034米。
隧道上覆土厚度最大约28米，最小约9米。
隧道通过的地层软硬不均、复合交互、变化频繁。
区间隧道穿越地层大部分是中风化岩〈8〉、强风化岩〈7〉和微风化岩〈9〉，其次为全风化岩〈6〉和残积土层〈5-2〉。
整个区间隧道的地下水位较高，高出隧道顶部8〜27米。
该工程穿越铁路车站轨道，对地表沉陷控制要求特别严格。
以下为前一段时间工地土压力理论计算值与实际土压值和掘进产生的沉降对应值。
序号
掘进模式
开挖地层
隧道埋深
地下水：
位深度'
理论土压力
计算依据
实际土压力
沉降值
1
土压平衡
5-2井地层（H类围岩）
26m
23m
2.6-3.6bar
深埋隧道
2.6bar
1.1mm
2
6#地层（川类围岩）
25m
22m
2bar
-5.5mm
3
四、几点体会
通过以上分析可知，由于刀盘对土体的推力不同，在土仓内产生的土压力不同，土体中的侧向土压力的方向与大小也在不断的发生着变化。
被动土压力和主动土压力是侧向土压力的最大和最小的极限值。
而静止土压力介于两者之间，即Ep>
Eo>
Ea。
当盾构机刀盘前方的土压力大于Ep土体被向盾构机移动，地面隆起。
当盾构机刀盘前方的土压力小于Ea时，土体向下滑动，可能引起地层和地面的沉降。
如下图：
Ea1
E0
Ep
位移
土体向刀盘滑移
地面沉陷
土体向上向前滑移地面隆起
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=fe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。
当隧道埋深不大或围岩极不稳定时时，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。
如图所示：
（亠—
滑动岩体^
■
X.X.
未扰动土体'
围岩压力，，滑动面
进，密範将加于较进主格承同时变形的使内或机了，进达到减小扭距机压
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