廣州地鐵14號線土壓平衡盾構掘進土壓設置研究

張友功

(中交二航局工程裝備分公司，湖北武漢　430014)

廣州地鐵14號線土壓平衡盾構掘進土壓設置研究

張友功

(中交二航局工程裝備分公司，湖北武漢430014)

摘要:結合廣州地鐵14號線的工程概況，論述了土壓平衡盾構掘進施工中密封倉土壓設定方法，探討了不同土層松散系數經驗值，并提出了土倉壓力設置原則，確保了土壓盾構掘進的施工質量。

關鍵詞:土壓盾構，土倉壓力，土層松散系數

隨著我國城市軌道交通蓬勃發展，沿海經濟較為發達地區地鐵線路日益增多。采用盾構法施工新建地鐵隧道時，不可避免的將會遇到下穿既有地下結構或是穿越密集地面建筑群的問題［1］，地面沉降控制顯得尤為重要［2］。對于土壓盾構，掘進時土倉壓力是導致地面隆起或塌陷的主要因素［3-5］，總結盾構周圍土壓計算方法合理設定土倉壓力能夠有效的降低刀具磨損、減少換刀次數、適應工期要求及防范工程風險，進行土壓盾構掘進參數控制研究有重要工程意義和使用價值。

1　工程概況

廣州地鐵14號線土建一標位于廣州市從化區，土壓盾構穿越的地層主要有粘土層、砂層、強風化砂礫巖、中風化及微風化粉砂巖和砂礫巖。鉆探揭露的地下水位埋深變化較小，水位埋深為1.45 m～13.00 m，平均埋深為5.45 m。本區間隧道斷面可分為全斷面巖層、上軟下硬、全斷面砂土層三種類型，地質條件復雜。盾構機從明挖段盾構井始發，下穿街北高速后沿從化大道前行，下穿流溪河、姓鐘圍房屋群，地面建筑物集群對沉降控制要求較高。

2　密封倉土壓設定方法

基于朗金土壓力理論，盾構掘進時的主動土壓力、被動土壓力和靜止土壓力的平衡模式如圖1所示。

土壓盾構掘進時，刀盤前方土體發生擾動產生主動土壓力或被動土壓力。土側壓力減小較快土體具有整體下滑趨勢時，土體抗剪強度充分發揮，側向土壓力降低到較小水平，土體進入極限平衡狀態，此時對應的土壓力為主動土壓力Pa:

其中，σz為深度z處土層自重應力; z為土層深度; c，φ均為抗剪強度參數。

圖1　盾構掘進土壓平衡模式

其中，符號意義同式( 1)，靜止彈性平衡狀態下原狀天然土體土壓計算如下:

其中，γ為土體容重; k為土側壓力系數，k = v/( 1－v)，v為土體泊松比，盾構實際施工中土倉壓力一般采用修正后的靜止土壓力，即:

其中，Pt為土倉壓力設定值; P'為參照經驗修正的土壓力值。同時，土倉壓力設定值還應滿足σw+ Pa＜Pt＜σw+ PP，式中水壓力取刀盤后部水壓σw和σm二者大值。

其中，q為根據不同土層滲透系數確定經驗值，砂土中q =0.8～1.0，粘土中q =0.3～0.5;γ為水的容重; h為地下水位距刀盤頂部高度; q砂漿=0.8～1.0; hw為補強注漿處和刀盤頂部高差。

若土倉內壓力較大時，刀盤施加的側向壓力較大，前方土體可能有向上滑動趨勢。此時，處于極限平衡狀態的土體內部主要作用土壓力為被動土壓力PP:

3　不同土層松散系數經驗值

土壓盾構掘進時，出渣量是反映土倉壓力是否平衡的一項關鍵指標，也是判定地層損失量是否過大進而控制地面沉降量的重要指標。盾構螺旋機輸送渣土簡圖如圖2所示。

圖2　土倉螺旋機出渣簡圖

圖2中D為開挖面直徑; V為千斤頂推動速度;開挖時間為T時，單位時間內螺旋機出土量可表示為:

實際計算時一般以一環管片作為單位出土量衡量標準，即VT = L'，L'為管片長度。單位出土量與土質有關，土質決定了不同土層松散系數不同進而導致了出渣量差異。土的松散系數分為最初松散系數K1和最終松散系數K2，計算公式如下:

其中，V1為土在自然狀態下的體積; V2為開挖土體在松散狀態下的體積; V3為土體回填壓實后的體積。因此，最初松散系數一般用于計算挖方而最終松散系數用于計算填方量。對于土壓平衡盾構，理論最大出土量Qmax和理論最小出土量Qmin，其計算公式見式( 10)，式( 11)。

其中，最初松散系數K1和最終松散系數K2參見表1，表中根據土的普氏分類將土劃分為Ⅷ類。

表1　土體挖方和填方松散系數經驗值

4　土倉壓力設置原則

土倉壓力設定及調整原則見圖3。

圖3　土倉壓力設定及調整原則

總結以上盾構掘進刀盤前方土壓計算方法及出渣量控制經驗系數，盾構實際推進過程中，主要參照如下三種操作控制原則:

1)控制出渣量的土壓檢測控制模式。通過實際出渣量與理論計算出渣量對比，通過改變螺旋輸送機傳送速度控制出渣量來保證開挖面穩定。此時，盾構掘進參照事先給定的推進速度。

2)控制土倉進土量的土壓平衡控制。通過檢測土倉內土壓，控制盾構推進液壓缸的推進速度，控制進土量來保證土倉內外壓力平衡。此時，螺旋機輸送渣土轉速按事先設定值保持不變。

3)根據土壓監測，對液壓缸推進速度和螺旋機輸送渣土轉速進行協同控制，來保證土壓平衡。

參考文獻:

［1］張鳳祥.盾構隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］張揚，林本海，牛九格.地鐵盾構隧道施工對既有老式建筑的影響分析［J］.廣東土木與建筑，2015( 4) :80-81.

［3］鄧彬，顧小芳.上軟下硬地層盾構技術研究［J］.現代隧道技術，2012，49( 2) :59-64.

［4］葉康慨，王延民.土壓平衡盾構施工土壓力的確定［J］.隧道建設，2003( 2) :5-7.

［5］張鳳祥，傅德明，楊國祥，等.盾構隧道施工手冊［M］.北京:人民交通出版社，2005.

Study on EPB shield tunneling earth pressure setting of Guangzhou subway line No.14

Zhang Yougong
( China Communication 2nd Airline Bureau Engineering Equipment Branch Company，Wuhan 430014，China)

Abstract:Combining with Guangzhou subway line No.14 engineering conditions，the paper discusses sealing chamber earth pressure setting method in EPB shield tunneling，explores various soil loosing coefficient experience value，and puts forward earth chamber pressure setting principles，so as to guarantee EPB shield tunneling quality.

Key words:earth pressure shield，earth pressure of chamber，soil loosing coefficient

作者簡介:張友功(1987-)，男，高級工程師

收稿日期:2015-11-21

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0174-03

中圖分類號:U455.43

文獻標識碼:A