盾构掘进主要参数计算方式Word下载.docx

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Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

水平侧压力系数q

1/6

1/6～1/3

1/3～1/2

1/2～1

ω—宽度影响系数，且ω=1+i（B-5），i—以B=5m为基准，当B<

5m时，取i=0.2，当B>

5m，取i=0.1；

S—围岩级别，如Ⅲ级围岩，则S=3

2.2浅埋隧道的土压计算

2.2.1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1所示。

盾构推进时，如果土仓土压力设置偏高，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2所示。

2.2.2主动土压力与被动土压力计算：

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）

σz－深度z处的地层自重应力；

c－土的粘着力；

z－地层深度；

φ－地层部摩擦角。

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（45o+φ/2）+2ctan（45o+φ/2）

2.3地下水压力计算

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：

σw刀盘前=q×

γh

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

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；

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。

（根据笔者的经验，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。

）

2.4案例题

2.4.1施工实例1

1工程概况

地铁二号线越～三区间隧道盾构工程位于市越秀区和白云区，全长3926.034m，区间隧道开挖直径6300mm，采用装配式钢筋砼管片衬砌，衬砌环外径6000mm，径5400mm，管片宽度1500mm，管片厚度300mm；

管片与地层间的空隙采用同步注浆（水泥砂浆）回填。

隧道上覆土厚度最大约28m，最小约9m。

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〉，各种地层参数见表2。

地层地下水主要为第四系空隙水与基岩裂隙水，地下水位为地表以下1～2m。

表2主要地层物理力学参数表

岩土

分层

名称

天然

密度

压缩模量

粘聚力

摩擦角

无侧限抗压

强度

土的

泊松比

基床反力

系数

静止

侧压力系数

地基承载力

标准值

符号

ρ

Es1-2

c

φ

qu

μ

Km

K0

fk

单位

g/cm3

MPa

KPa

°

MPa/m

1

杂填土

1．82

30

2-1

淤泥质土

2.22

0.42

10

0.72

60

3-2

冲、洪积砂层

1.95

0.25

20

0.33

100

5-1

残积土（可塑、稍密）

1.93

3.15

20.7

11.0

59.7

0.30

55

0.43

220

5-2

残积土（硬塑、中密）

1.99

4.23

40.0

17.3

121

0.28

70

0.39

300

6

岩石全风化带

3.93

37.0

16.7

125

350

7

粉土（强风化）

1.92

3.16

70.5

30.4

2盾构穿越建筑物密集群地段

自YDK17＋200至YDK17＋050，盾构进入建筑物密集群下施工。

在此区段隧道穿过的地层主要为全风化（6）和残积土层（5-2）地层，隧道埋深20～22m。

盾构在此段地层施工时，为确保地表建筑物安全，根据地层状况，确定根据占隧道施工影响围数量较多的不利地层考虑土压力。

隧道埋深以20m考虑，围岩以残积土层（5-2）地层考虑，水平侧向力系数q取1/3～1/2，初步确定采用深埋隧道土压力计算土压。

地层的水平侧向力为：

σ水平侧向力=q×

=（1/3～1/2）×

1.792（1+0.1（6.3-5））kg/cm2

=0.049～0.074Mpa

由于全风化泥质粉砂岩以及残积土层的透水性差，在考虑地层水压力时q取0.1，

图3盾构穿越建筑物密集群地段沉降监测结果

γh=0.1×

1×

20=0.2kg/cm2=0.02Mpa

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=0.010～0.020Mpa。

=0.079～0.10Mpa。

采用此土压力值，盾构穿越该区段的地表沉降监测结果如图3所示：

从监测结果可以看出，地表最大沉降-7.6mm，远远小于合同规定的-30mm，同时少数点位在掘进过程有隆起现象，个别点隆起1.3mm。

这说明在地质条件相对较好的地层之中，采用深埋隧道土压力计算土压土压力选择偏大，趋于保守。

3盾构穿越地下人行通道

根据现场施工调查，盾构在YDK16＋230位置穿越一座地下人行通道，此人行通道为火车站、汽车总站和市流花汽车站之间的连接通道。

此位置的地层主要为强风化（7）和残积土层（5-2）、（5-1）地层，隧道埋深8m，人行通道距隧道3.5m。

为保证盾构通过此段地层时的施工安全，计算施工土压力时，确定隧道埋深以8m考虑，围岩以残积土层（5-2）考虑，采用浅埋隧道的土压力计算方法计算土压。

σ水平侧向力=σztan2（45°

=1.99×

8×

tan2（45°

-17.3°

/2）-2×

0.40tan（45°

/2）

=0.803kg/cm2=0.0803Mpa

在残积土层中考虑地层水压力时q取0.1，

8=0.08kg/cm2=0.008Mpa

=0.101～0.111Mpa。

采用此土压力值，盾构在该段地层施工时的地表沉降监测结果如图4所示：

施工完成后最终实测地表说明，施工过程采用浅埋隧道的土压力计算方法进行土压计算是合理的。

2.4.2施工实例2

盾构机穿越火车站站场

越～三区间右线隧道YCK16+745.5～YCK16+910.5长165m区段穿越火车站站场的十四股轨道；

左线ZCK16+768～ZCK16+925.5长157.5m区段穿越火车站站场的十四股轨道。

隧道在此位置穿越的主要地层为中风化（8）地层和强风化（7）地层，隧道埋深15～20m。

在施工过程中，为了达到施工招标文件“盾构掘进通过火车站时，轨面沉降值不得超过10mm，两股钢轨水平高差不得超过4mm”及“在任何情况下，最大隆起量不得超过+10mm”的地表沉降规定，确定根据地层状况和隧道周边施工环境，隧道埋深以20m考虑，围岩以强风化（7）地层考虑，采用深埋隧道的土压力计算土压。

σ水平侧向力=q×

=（1/6～1/3）×

=0.025～0.049Mpa

考虑到地表环境复杂，在计算土压力时σ水平侧向力=0.049Mpa。

在强风化泥质粉砂岩中，计算地层水压力时q取0.05，

γh=0.05×

20=0.1kg/cm2=0.01Mpa

σ初步设定=σ水平侧向力＋σ水压力＋σ调整=0.069～0.079Mpa

考虑左右线施工的相互影响，左线土压比右线高0.01～0.02Mpa。

盾构在穿越火车站站场时，沉降监测结果如图5、图6所示：

盾构在施工完该段区间隧道后，最终实测地面最大沉降5.4mm，小于10mm的控制标准，与理论计算的地表最大沉降值6.9mm基本接近；

两条钢轨面高差为1㎜，小于4mm的施工要求，则说明在掘进过程中土压力的选择是科学合理的。

3、盾构推力计算

盾构的推力主要由以下五部分组成：

式中：

F1为盾构外壳与土体之间的摩擦力；

F2为刀盘上的水平推力引起的推力

F3为切土所需要的推力；

F4为盾尾与管片之间的摩阻力

F5为后方台车的阻力

，

C为土的粘结力，C=4.5t/m2

WC、μC为两环管片的重量（计算时假定有两环管片的重量作用在盾尾，当管片容重为2.5t/m3，管片宽度按1.5m计时，每环管片的重量为24.12t），两环管片的重量为48.24t考虑。

μC=0.3

4、盾构的扭矩计算

盾构配备的扭矩主要由以下九部分组成。

在进行刀盘扭矩计算时：

M1为刀具的切削扭矩；

M2为刀盘自重产生的旋转力矩

M3为刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩；

M4为密封装置产生的摩擦力矩

M5为刀盘前表面上的摩擦力矩；

M6为刀盘圆周面上的摩擦力矩

M7为刀盘背面的摩擦力矩；

M8为刀盘开口槽的剪切力矩

M9为刀盘土腔室的搅动力矩

a．刀具的切削扭矩M1

Cг：

土的抗剪应力，

Cг=C+Pd×

tgφ=4.5+14.52×

tg20°

=9.78t/m2

hmax：

刀盘每转的最大切削深度，hmax=8cm/转

R0：

最外圈刀具的半径，R0=3.14m

b．刀盘自重产生的旋转力矩M2

M2=GRμg

G：

刀盘自重，计算时取刀盘的自重为G=55t

R：

轴承的接触半径，计算时取为R=2.6m

μg：

滚动摩擦系数，计算时取为μg=0.004

c．刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩M3

M3=WpRgμzWp=απRc2Pd

Wp：

推力荷载；

α：

刀盘封闭系数，α=0.70

Rg：

轴承推力滚子接触半径，Rg=1.25m；

Rc：

刀盘半径，Rc=3.14

μz：

滚动摩擦系数，μz=0.004；

Pd：

水平土压力，Pd=14.52t/m2

d．密封装置产生的摩擦力矩M4

M4=2πμmF（n1Rm12+n2Rm22）

μm：

密封与钢之间的摩擦系数，μm=0.2；

F：

密封的推力，F=0.15t/m

n1、n2：

密封数，n1=3n2=3；

Rm1、Rm2：

密封的安装半径，Rm1=1.84mRm2=2.26m；

e．刀盘前表面上的摩擦力矩M5

刀盘开口率，α=0.30；

μP：

土层与刀盘之间的摩擦系数，μP=0.15

刀盘半径，R=3.14m

f．刀盘圆周面上的摩擦力矩M6

M6=2πR2BPZμP

R：

刀盘半径，R=3.14m；

B：

刀盘宽度，B=0.775m

PZ：

刀盘圆周土压力

PZ=（Pe+P01+P1+P2）/4=（26.83+33.37+14.89+18.3）/4=23.35t/m2

g．刀盘背面的摩擦力矩M7

M7=2/3[（1-α）πR3μP×

0.8Pd]

M7=2/3（0.70×

π×

3.143×

0.15×

0.8×

14.52）=78.33t·

m

h．刀盘开口槽的剪切力矩M8

Cτ：

土的抗剪应力，因碴土饱和含水，故抗剪强度降低，可近似地

取C=0.01Mpa=1t/m2，φ=5°

；

Cτ=C+Pd×

tgφ=1+14.52×

tg5=2.27t/m2

i．刀盘土腔室的搅动力矩M9

M9=2π（R12－R22）LCτ

d1：

刀盘支撑梁外径；

d2：

刀盘支撑梁径

L：

支撑梁长度

刀盘扭矩M为M1~M9之和