土壓平衡盾構土壓平衡理論分析與計算

摘要：根據土壓平衡盾構設計的2種刀盤型式、特點和盾構的土壓平衡原理，詳細分析并提出土艙各部位土壓力要與開挖面對應部位所需水土壓力相平衡，以達到盾構開挖面所需的所有點的平衡。通過計算可知，在同種地質條件下，周邊圓弧形刀盤土壓平衡壓力值要遠大于周邊直角形刀盤。對土壓平衡盾構施工有一定的指導作用。

關鍵詞：土壓平衡；土壓力；水土壓力；主動水土壓力；點的平衡 文獻標識碼：A

中圖分類號：U445 文章編號：1009-2374（2017）06-0085-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.043

近年來，盾構法憑借其安全、可靠、快速、經濟、環保等優勢廣泛用于各大城市地鐵。土壓平衡盾構以其技術、經濟上的優越性，在城市地鐵盾構法施工中占有絕對的優勢地位。但盾構掘進過程中超挖現象時有發生，導致地表及附近建（構）筑物產生安全風險。為了保證地表及建（構）筑物安全，土壓平衡盾構水土壓力計算已經引起專家與學者的廣泛關注，并進行了大量的研究與分析。

何川等進行了土壓平衡盾構掘進過程的室內相似模型試驗，獲得土壓平衡盾構掘進對地層影響的一般規律。王洪新等提出土壓平衡盾構在掘進時有兩種平衡狀態：一種是盾構與前方土體接觸壓力和水土壓力的平衡；另一種是出土的平衡。李君等利用盾構模型，從土體應力變化的角度，揭示了隨著土拱的形成、發揮和發展過程，開挖面經歷了局部失穩和整體失穩這樣一個漸進破壞的模式。宋錦虎等提出地表沉降的發展過程與開挖面上方土拱的形成過程具有對應關系，地下水的存在通過降低土拱高度，從而減小了地表的沉降。宮秀濱等對土壓力進行了分析，提出土艙壓力要介于主動水土壓力與靜止水土壓力之間的選擇方法。黎春林通過對土拱高度的討論，提出一種簡化的隧道施工擾動范圍判斷方法。鄒春華等認為由于刀盤擠壓作用，土艙壓力不等于掘進面土壓力，提出基于位移反分析法的盾構掘進面土壓力計算方法。張子新等通過對國內外盾構隧道開挖面支護壓力6種計算方法的綜合比較和分析，提出了適用于黏性土地層的開挖面支護壓力計算簡化方法。以上學者是基于將盾構開挖面作為一個整體的水土壓力計算方法研究或盾構掘進過程中未達到土壓平衡已經造成超挖后的沉降分析。按照盾構土壓平衡原理，如果盾構土艙內的土壓力與前方開挖面的水土壓力相平衡，就不會存在超挖，地表不會產生隆起或沉降。土壓平衡盾構施工的關鍵還是精確計算出開挖面的水土壓力，并一直保持平衡狀態，才能確保地表及附近建（構）筑物安全。

本文根據現今常用的土壓平衡盾構2種刀盤型式、特點和朗肯土壓力計算公式，詳細分析開挖面各部位所需的主動水土壓力，同時對盾構土艙內土壓力進行分析，提出土艙壓力與對應的盾構開挖面每個點都要達到平衡，才能實現真正意義上的土壓平衡，才能控制盾構超挖，降低施工安全風險。通過理論計算分析可知，對于盾構土壓平衡控制，周邊直角形刀盤要優于周邊圓弧形刀盤。解決了前人將開挖面作為一個整體進行計算，計算出來的主動水土壓力值偏小，導致盾構超挖的問題。

1 土壓平衡盾構原理及分析

土壓平衡盾構機是利用安裝在盾構最前面的全斷面切削刀盤，將正面土體切削下來，進入刀盤后面的土艙，并使土艙內的土壓力與開挖面的水土壓力相平衡，以減少盾構掘進對地層土體的擾動，從而控制地表沉降。盾構邊掘進切削土體邊由螺旋輸送機排土，通過掘進速度與排土量的控制，盾構時控制土艙隔板上的土壓傳感器壓力值，實現土壓平衡。

為了達到盾構的土壓平衡，刀盤切削下來的土體要進行渣土改良，通過添加劑的加入，土艙內土體要達到良好的流塑性、較低的內摩擦角、低滲透率，土艙內土體能夠進行有效的土壓傳遞。本文研究土壓平衡的設定條件是渣土進行了良好改良，土壓能夠有效傳遞，土艙內土壓力與開挖面后方（刀盤前方）同一深度的土壓力相同，刀盤面板的支撐作用不予考慮，改良后的渣土內摩擦角為0，無凝聚力，無滲透性。螺旋輸送機的排土不會影響開挖面的平衡。盾構開挖側面土壓力計算采用朗肯土壓力計算公式。盾構掘進過程中，當土艙內土壓力小于開挖面的主動水土壓力，開挖面及以外的土體將向土艙涌入，造成地表沉降；當土艙內土壓力大于開挖面的被動水土壓力，刀盤切削土體無法進入土艙，刀盤切削土體將向開挖面以外擠走，造成地表隆起。盾構土壓平衡控制實際上是土艙內土壓力大于或等于開挖面的主動水土壓力，小于或等于開挖面的被動水土壓力。盾構施工者為降低盾構施工成本，防止結泥餅等，一般都是將土艙內土壓力控制在稍大于開挖面的主動水土壓力小于被動水土壓力范圍內。因此，準確計算開挖面的主動水土壓力是土壓平衡盾構施工控制的關鍵。由于被動水土壓力大于地層的水土自重應力，本文不予考慮計算。

2 土壓平衡盾構開挖面的土壓平衡分析

土壓平衡盾構施工的關鍵是開挖面前方原狀土的水土壓力與開挖面后方的渣土的土壓力相平衡。目前，土壓平衡盾構刀盤有2種型式（周邊直角形刀盤和周邊圓弧形刀盤），現分別對不同刀盤型式的開挖面進行分析。

2.1 周邊直角形刀盤開挖面的土壓平衡分析

土壓平衡盾構直角刀盤設定刀盤周邊沒有開口，形成圓柱形的開挖面周邊由刀盤的周邊鋼結構支承，前方開挖面為一平面。設盾構開挖地層為均一地層，根據隧道埋深和朗肯土壓力計算公式可以準確計算出開挖面原狀土的主動土壓力（如圖1）。為達到盾構掘進土壓平衡，開挖面后方的渣土土壓力應大于或等于相應位置的原狀土主動水土壓力。盾構開挖面頂部位置土艙土壓力按等于原狀土主動水土壓力，開挖面后方渣土的土壓力分布如圖1。由于土艙內渣土經過改良，與開挖面原狀土物理性質指標不同，土艙內渣土的豎直壓力與水平壓力相等，土艙內土的側壓力除頂部與開挖面原狀土水土壓力相等外，下部開挖位置都大于相應位置開挖面的主動水土壓力。因此，直角刀盤開挖面的土壓平衡主要保證開挖面頂部位置土艙土壓力與原狀土水土壓力相等，就可以實現土壓平衡。根據開挖頂部原狀土水土壓力和土艙內土的物理性質，可以計算出土艙隔板壓力傳感器位置處的土壓力，盾構掘進土艙壓力按計算土壓力控制，就能夠達到土壓平衡狀態。

2.2 周邊圓弧形刀盤開挖面的土壓平衡分析

土壓平衡盾構周邊圓弧形刀盤是刀盤周邊有開口，周邊開挖面為一圓弧面，開挖面正面為一平面（如圖2）。設盾構開挖地層為均一地層，根據隧道埋深和朗肯土壓力計算公式可以準確計算出開挖面為平面處的主動水土壓力，但開挖面為圓弧面的主動水土壓力不能采用朗肯土壓力計算公式，此圓弧面水土壓力實際上是土的豎向水土壓力向側向主動水土壓力的漸變過程。盾構開挖面頂部土艙土壓力與開挖面頂部的豎向主動水土壓力相平衡（如圖2），才能達到盾構的土壓平衡。開挖面外側的原狀土豎向主動水土壓力遠大于同位置側向主動水土壓力（內摩擦角越大，相差值越大）。

2.3 開挖面土壓平衡分析

刀盤型式不同，導致開挖面形狀不同。同種地質條件下，周邊圓弧形刀盤的土壓平衡需要土壓力要大于周邊直角形刀盤土壓平衡需要的土壓力。實際盾構施工中水土壓力計算都是采用的朗肯側向主動土壓力計算公式，未考慮周邊圓弧形刀盤的豎向水土壓力平衡，未達到真正的土壓平衡，導致盾構掘進超挖，造成地表沉降。因此，盾構土壓平衡必須是開挖面前方原狀土水土壓力與開挖面后方渣土土壓力所有點的平衡。

3 舉例計算盾構土壓平衡最小土壓力

設盾構開挖直徑6m，全部處于水位線以上，開挖面頂部至地表距離h1為10m，開挖面及以上為均一地層，原狀土容重γ為20kN/m3，土體內摩擦角Φ為40度，凝聚力c為0；土艙內渣土容重γ土艙為22kN/m3，內摩擦角Φ土艙為0，凝聚力c土艙為0；隔板上土壓力傳感器E處距離開挖面頂部F豎直距離h2為1m，理論計算土壓傳感器E處需要達到的最小土壓力。

3.1 周邊直角形刀盤

因此，當采用直角刀盤理論計算土壓傳感器E′處需要達到的最小土壓力σE′為65.5kPa時，盾構開挖面各位置都達到了真正意義上的土壓平衡。

3.2 周邊圓弧形刀盤

因此，當采用周邊圓弧形刀盤理論計算土壓傳感器E′處需要達到的最小土壓力σE′為222kPa時，盾構開挖面各位置都達到了真正意義上的土壓平衡。

通過計算分析可知，在同一地層條件下，為了達到盾構開挖面所有點的土壓平衡，周邊圓弧形刀盤土艙的土壓力要遠大于周邊直角形刀盤土艙土壓力。

4 結語

盾構的土壓平衡實際上是開挖面所有點的土壓平衡，就不會造成地表的沉降或隆起。在同種地層條件下，為實現土壓平衡掘進模式，周邊圓弧形刀盤土艙的土壓力要大于周邊直角形刀盤土艙土壓力。對于盾構土壓平衡控制，周邊直角形刀盤要優于周邊圓弧形刀盤。對于不同的刀盤型式要采取不同的水土壓力計算方法。

參考文獻

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作者簡介：王國義（1974-），男，中電建成都建設投資有限公司教授級高級工程師，研究方向：盾構施工技術與管理。

（責任編輯：蔣建華）