盾构施工中相关计算

土仓压力的计算 出土量的计算 每环注浆量的计算 注浆速度的计算

对土压平衡式盾构而言，一个重要的因素就是要使密封仓内的土压力和开挖面的水土压力保持动态平衡。如果密封仓内的土压力大于开挖面的水土压力，地表将发生隆起;反之，如果密封仓内的土压力小于开挖面的水土压力，地表将发生沉陷，通过最近的学习和资料的收集，对现有的地仓压力计算作一下结合。已便结合以后施工提供数据，将理论与实践结合，得到适合西安地区的土仓压力计算模型。

1.土仓压力设定的原则

在盾构施工过程中，掘进时土压力设定的通用原则: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;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;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。

总体而言，土仓压力控制如下图所示：

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，kPao

为使开挖面保持稳定，理论上应尽量满足N0。 2.土仓压力计算

通常在设定土仓压力时主要考虑地层土压力、地下水压以及预先考虑的预备压力。

地层土压力的计算：

地层土压力的计算是最为复杂，采用不同的计算模型就会有不同的结果，根据高等土力学中的知识，可以选择以下三种计算方法：

静止土压力

在静止的弹性平衡状态下天然土体的土压力，在深度z处，其竖直面的应力，即静止土压力为：

zk0z

式中： — 土的有效重度，kN/m3；

z— 埋深，m；

k0— 土的静止侧压力系数

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

k0也可按经验确定:砂0.34-0.45;定，在施工岩土勘察报告中均会给出。

硬粘土、压密砂性土0.5-0.7;极软粘土、松散砂性土0.5--0.7。

以本工程为例，无水砂砾石地层中k0=0.4，埋深约为10.5 m，砂砾石的重度为21kN/m3。代入得z＝88.2kN/m2

库伦土压力

采用库伦土压力理论计算主动土压力与被动土压力。在施工过程中，由于施工的扰动，改变了原状天然土体的静止弹性平衡状态，从而使刀盘前方土体产生主动或被动土压力。

当盾构推力偏小，土体处于向下滑动的状态时，土压力将由静止土压力逐渐减小，当土体达到主动极限平衡状态并出现滑动面时，土压力减至最小，即转变成为主动土压力。此时土体内的竖直应力z相当于最大主应力1，水平应力x相当于最小主应力3也就是主动土压

力。

将1zz,3Pa代入粘性土极限平衡条件

31tan2(4502)2ctan(4502)

可以得到：Pa31tan2(4502)2ctan(4502)zka2cka

式中： c— 土的粘聚力，kPa

ka— 主动土压力系数，katan2(4502)

当盾构的推力偏大，土体处于向上滑动的状态时，土压力将由静止土压力逐渐增大，当土体达到主动极限平衡状态并出现滑动面时，土压力增至最大，即转变成为被动土压力。此时土体内的竖直应力z相当于最小主应力3，水平应力x相当于最小主应力1也就是被动土压力。

将Pp1，3z代入粘性土极限平衡条件

13tan2(4502)2ctan(4502)

可得：Pp13tan2(4502)2ctan(4502)zkp2ckp 式中: kp— 主动土压力系数，kptan2(4502)

本工程的长万区间前100m用库伦土压力计算得到：主动土压力为70.2～76.57kN/m2，被动土压力为591～666.96kN/m2。 太沙基土压力

在隧道的设计计算中，多采用松弛土压力计算，而且大多数采用的太沙基土压力方法。 2.地下水压力

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、渗透系数以及渗透时间有关。在计算水压力时，由干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。 刀盘前的静水压力为：w刀盘前qh

式中: q— 根据土的渗透系数确定的一个经验数值，砂土中0.8 ～1.0,粘性土中0.3 -0.5;

h— 地下水水面距刀盘顶部高度。

盾尾后的水压力

w盾尾后q砂浆hw

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0 .8- 1.0;

hw—注桨处和刀盘顶部的水位高差

在计算水压力时，盾尾后部的水压力与刀盘前方的水压力差取大值进行考虑。 预备压力

由于施工存在许多不可预见的因素，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--20 kPa的压力作为预备压力。

2.出土量计算

理论上螺旋输送机的排土量QS是由螺旋输送机的转速N来决定的，且与掘进速度决定的理论碴土量Q0相当： QS=VS× N

VS—螺旋输送机每转一周的理论排土量, Vs(R2r2)d0.296m3

Q0=A×V×n0

2 A—切削断面面积 Ar切削＝29.996m2

n0—松散系数,砂砾石中取1.2 V—推进速度

理论排土率K =QS/Q0= k×N/ V

式中：k =VS /（A×n0）= 7.7103

K值通常等于1或接近1。 3.每环注浆量计算

同步注浆量根据盾构施工背衬注浆注浆量经验计算公式： Q＝V·λ 式中：λ～指注浆率

V～盾构施工引起的空隙（m3）V=π（D2-d2）L/4=2.58m3 L～回填注浆段长即预制管片每环长度（预制管片环长1.5m）

则每环（1.5m）注浆量Q= m3 4.每环注浆速度计算

同步注浆速度与掘进速度相匹配，即 V=πV0λ（D2-d2）/4

式中：V0为掘进速度（cm/min）

补强注浆量具体由现场试验确定（以压力控制为原则）