土压平衡盾构掘进参数&地表沉降.pdf

土压平衡盾构 掘进参数&地表沉降 唐卓华 2014.3.24 主要内容 盾构工作原理 掘进参数计算 地表沉降分析 地表沉降控制 土压平衡盾构工作原理 • 盾构掘进时，刀盘旋转掘削土体，当掘削下来的土体充满土 仓时，在盾构机的推进作用下，土仓内土体即对掘削面加压。 若能维持土仓内土体压力与掘削地层的土、水压力相平衡， 掘削面就能保持稳定，掘削面对应的地面部分也不致坍塌或 隆起，这时，只要控制刀盘的掘土量与螺旋输送机的排土量 相平衡，盾构的掘进工作就能顺利进行。 土压平衡盾构掘进参数计算 • 盾构掘进过程中，各项参数因地质状况和盾构隧道埋深 的不同而变化，正确计算及合理选定盾构掘进参数，是 确保掘削面稳定、有效控制地表沉降或隆起的最重要组 成部分。以下针对盾构掘进时的土压力、推力、扭矩、 注浆压力、注浆量、出渣量、掘进速度与螺机转速等参 数的计算进行探讨。 土压力的计算 • 在简化计算方法中，一般将作用于盾构上的土压力 分为垂直土压力、水平土压力、盾壳底部的垂直地基 反力以及由于盾构偏转引起的被动地基抗力。 垂直土压力的计算 •全覆土理论 此计算方法在软粘土地层中较为适合。 垂直土压力的计算 •太沙基理论 垂直土压力的计算 垂直土压力的计算 将这一理论应用于盾构断面，模型化图为： 垂直土压力的计算 此计算方法在砂土地层中较为适合。 垂直土压力的计算 •普氏理论 前苏联学者认为在松散介质中开挖隧道后，在其上 方形成抛物线的平衡拱，拱下土体以平均压力作用 于衬砌上，衬砌受到的垂直地层压力公式为： 此计算方法对不能形成压力拱的松软地层或埋深太 浅的隧道不适用。 水平土压力的计算 • 《隧道标准规范 （盾构篇）及解说》中规定水平土 压力为作用在盾构 （衬砌）两侧，沿其横断面水平方 向作用的分布荷载，其大小根据垂直土压力与侧向土 压力系数来计算，即： 式中，K为侧向土压力系数。 • 规范规定，在难以得到地基抗力的条件下，可以选 择考虑到施工条件的静止土压力系数作为侧向土压力 系数，K=K0 ；在可以得到地基抗力的条件下，使用主 动土压力系数作为侧向土压力系数，K=Ka。 水平土压力的计算 上部土仓压力的设定 推力的计算 推力的计算 推力的计算 扭矩的计算 扭矩的计算 注浆压力的计算 • 国内外对盾构注浆压力与地表沉降量之间关系进行 的研究表明：当注浆压力相当于隧道埋深处的地层应 力时，对减少地层损失和地表沉降量效果最为显著。 地铁隧道一般埋深在10m~20m之间，注浆压力介于太 沙基土压力与全覆土土压力之间较为合理。 • 太沙基土压力为： • 全覆土土压力为： 注浆量的计算 • 注浆量的计算公式为： • 实际施工中靠注入速度来控制注浆量，其计算方法 为： 出渣量的计算 • 出渣量的计算公式为： • 松散系数的确定： 1、通过判断，选取掘进参数和沉降都比较正常的地段； 2、把正常地段每一环范围内的地质进行分类； 3、将分类好的地质列松散系数方程组进行求解； 4、对照地质图，绘制每种地层的松散系数VS埋深图； 5、据后续不同地质，进行预测理论出渣量，现场按理论 计算的95-105%进行控制。 掘进速度与螺机转速的计算 土压平衡盾构地表沉降分析 • 盾构掘进对周边土体的扰动基本上可分为 以下几种情况： 1、盾构推力、土仓压力不当造成盾构前方土体 的隆起或凹陷； 2、盾壳与周边土体之间相互摩擦引起的沉降； 3、超挖或盾体偏离中线扰动土体产生的沉降； 4、盾尾空隙导致的沉降； 5、壁厚注浆参数不当造成的土体隆起或沉降。 盾构掘进引起的地表沉降变化 • 盾构推进过程中的地表沉降变化可划分为五个阶 段： 地表横向沉降