富水砂卵石地層土壓平衡盾構水土壓力計算分析

王 國 義

(中電建成都建設投資有限公司，四川 成都 610212)

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富水砂卵石地層土壓平衡盾構水土壓力計算分析

王 國 義

(中電建成都建設投資有限公司，四川 成都 610212)

根據成都地區的地質條件和盾構施工特點，闡述了富水砂卵石地層盾構掘進的水土壓力計算方法，并探討了盾構掘進施工中水土壓力的控制措施，有效降低了盾構施工風險。

砂卵石，盾構掘進，水壓力，土壓力

0 引言

成都地鐵采用盾構法施工已經有10年了，隨著盾構掘進里程的增長，成都地鐵富水砂卵石地層[1]盾構掘進技術有所突破，但盾構掘進超方、結泥餅現象還是時有發生，導致地表產生塌陷風險。部分專家和學者認為成都盾構施工一直處于“欠壓”掘進，進而導致塌陷，并且提出掘進過程中盾構土艙壓力越高越不會超方的理念。但盾構掘進土艙壓力高直接導致刀盤卡死、結泥餅，超方更加嚴重，塌陷頻率更大。

本文根據成都砂卵石地層特點和盾構施工特點，總結出富水砂卵石地層水土壓力精確計算方法。希望通過本文，盾構施工者能夠深入理解盾構施工的土壓平衡理念，分不同地層情況精確計算水土壓力，時刻保持盾構土壓平衡掘進，降低超方量，有效提高盾構施工進度。

1 成都主要地質水文情況

成都平原處于我國新華夏系第三沉降帶之川西褶帶的西南緣,分界于龍門山隆褶帶山前江油—灌縣區域性斷裂和龍泉山褶皺帶之間,為一斷陷盆地,成都市區位于斷陷盆地東緣。成都主要為砂卵石地層，卵石粒徑由東向西逐漸增大，卵石強度也逐漸提高，卵石含量為50%～80%，粒徑一般為20 mm～200 mm，個別粒徑超過200 mm，卵石呈次圓形，分選性較差，余為圓礫，主要填充物為細砂、中砂。卵石強度一般為40 MPa～180 MPa，卵石層滲透系數K取25 m/d，為強透水層。

2 成都砂卵石地層盾構掘進情況及難點分析

成都盾構掘進經過近10年的摸索，主要采用土壓平衡盾構，富水砂卵石地層盾構掘進參數(平均值)如表1所示，碴土改良主要采用優質泡沫和刀盤前方、土艙內加水的改良方式，提高碴土的流塑性，以達到土壓平衡掘進模式。為了盡量減少盾構掘進超方，在刀盤扭矩允許的條件下，盡量提高土艙壓力。但由于地層中卵石含量太大，碴土改良無法達到盾構所需的流塑性，土艙壓力又大，從而導致盾構土艙內結泥餅、掘進速度緩慢、刀盤卡死等現象。當出現以上問題時，盾構掘進超方嚴重，危及地表及建(構)筑物安全。為了防止上述情況發生，如何精確計算砂卵石地層盾構所需最小水土壓力來指導盾構掘進顯得尤為重要。

表1 砂卵石地層盾構掘進參數(平均值)

3 富水砂卵石地層盾構掘進水土壓力計算

富水砂卵石地層由于地層中含細顆粒非常少，地層中水的滲透系數大，根據盾構實際情況，土艙壓力采用水土分算的計算方法。

3.1 盾構掘進情況

盾構掘進如圖1所示，盾構在砂卵石地層中掘進，刀具開挖面前方為原狀地層，刀具開挖面后方為經過碴土改良后的具有一定流塑性的碴土，盾構土艙壓力由土艙隔板E處的壓力傳感器感應得出。當盾構掘進達到土壓平衡時，E處的壓力是E處上方的原狀砂卵石地層、土艙內經過碴土改良后的碴土共同作用的地層自重應力的側向力和水壓力的總和。

3.2 土壓力計算分析

根據盾構施工特點和經驗，采用淺埋隧道的朗肯理論計算砂卵石地層的主動土壓力[2]和被動土壓力。

主動土壓力計算公式：

σa=σEtan2(45°-Ф/2)-2ctan(45°-Ф/2)。

被動土壓力計算公式:

σp=σEtan2(45°+Ф/2)+2ctan(45°+Ф/2)。

式中[3]：σa——深度為E處的主動側向土壓力;

σp——深度為E處的被動側向土壓力;

σE——深度為E處的地層自重應力;

c——地層的粘聚力;

Ф——地層內摩擦角。

3.3 水壓力計算分析

盾構掘進過程是實時動態平衡過程(見圖1)，盾構開挖面前方為密實原狀砂卵石地層，開挖面后方為經改良后的碴土，開挖面前方水由于水壓力作用涌入正在改良中的碴土中參與碴土改良，由于砂卵石地層水滲透系數為25 m/d(17 mm/min),此滲透系數涌入的水還不足以達到碴土所需的流動性，因此實際盾構掘進過程中額外需要往刀盤前方和土艙內加水，才能保證碴土改良所需水量。

盾構掘進過程中，開挖面是以掘進速度向前推進的，開挖面前方致密的原狀砂卵石經刀盤攪動[4]和卵石間的碰撞變為開挖面后方較松散的改良碴土，卵石由致密變得松散，由于開挖后碴土體積增大、密度降低，開挖面上的有壓水突然釋放為無壓水，進入開挖面上的改良碴土中，開挖面前方的原狀砂卵石有壓水向開挖面后方碴土滲入參與改良，所以開挖面前方依然是有壓水，開挖面后方是無壓水。因此開挖面前方對開挖面后方的水壓為0。如果砂卵石地層水涌入開挖面的水大于碴土改良所需水量，此時要根據實際情況考慮地層水對土艙的壓力。

綜上所述，原狀地層水壓不用考慮，但開挖面后方經過改良后的碴土內的水壓要按改良的碴土含水深度計算水壓。此種水壓計算未考慮刀盤外徑開挖面和盾體周圍水向土艙內的涌水。當然在盾構停機時，由于開挖面沒有向前推進[5]，開挖面的水不斷涌入土艙內，松散碴土帶內水達到飽和，并處于靜止平衡狀態，地層水壓全部作用在土艙內的碴土上，此時盾構靜止平衡水土壓力中水壓按含水層深度計算。

3.4 水土壓力舉例計算

當地層滲透水量小于盾構掘進碴土改良所需水量時，舉例說明盾構土壓平衡掘進時水土壓力計算，設E處為土壓傳感器位置，距離開挖面頂部距離為1 m；頂部開挖面至地表(原狀地層)為砂卵石地層，深度為10 m；開挖頂面至地層水位線深度為6 m；經改良的碴土浮重密度為2 000 kg/m3，內摩擦角Ф=0°；原狀地層土體浮重密度為2 200 kg/m3，原狀地層內摩擦角Ф=40°，水的密度為1 000 kg/m3，粘聚力c=0。

計算土壓力為：

主動土壓力：

σa=σEtan2(45°-Ф/2)-2ctan(45°-Ф/2)=(10×2 200×10)×tan2(45°-40°/2)+(10×2 000×1)×tan2(45°- 0/2)=0.068 MPa。

被動土壓力：

σp=σEtan2(45°+Ф/2)+2ctan(45°+Ф/2)=(10×2 200×10)×tan2(45°+40°/2)+(10×2 000×1)×tan2(45°+0/2)=1.03 MPa。

計算水壓力為：

σ水=10×1 000×1=0.01 MPa。

主動水土壓力：

σa水=σa+σ水=0.078 MPa。

被動水土壓力：

σp水=σp+σ水=1.04 MPa。

由計算可知，如果不考慮其他因素，當盾構掘進E處水土壓力低于0.078 MPa時，原狀地層將向土艙內滑動，造成地表沉降；當盾構掘進E處土壓力高于1.04 MPa時，原狀地層將向地表滑動，造成地表隆起。盾構工作壓力一般設計不超過0.3 MPa，因此砂卵石地層中盾構掘進只會導致地表沉降，不會導致地表隆起。

4 盾構掘進水土壓力控制

從以上水土壓力計算可知，盾構掘進過程中土艙壓力值只要控制在計算的主動水土壓力值和被動水土壓力值之間，盾構就是在土壓平衡狀態[6]下掘進，開挖面前方的原狀地層就會保持平衡狀態，既不會向土艙內滑動也不會向地表滑動。主動水土壓力值是盾構土壓平衡掘進保持的最小壓力值。為了降低盾構土艙結泥餅、刀盤卡死等問題產生，盾構施工者可以按主動水土壓力來進行盾構掘進。當然，由于盾構掘進中地層存在許多不可遇見的因素，如地層內摩擦角變小、碴土改良材料泡沫存在一定氣體致使土艙壓力升高等，導致盾構掘進實際平衡的水土壓力小于盾構理論計算的水土壓力。按照盾構施工經驗，實際盾構土壓平衡掘進壓力值的選取要在理論計算主動水土壓力值的基礎上再考慮0.02 MPa～0.03 MPa的壓力作為預備壓力，這樣才能確保盾構掘進一直處于土壓平衡掘進模式，避免掘進超方。

根據地勘提供的砂卵石地層參數和盾構掘進隧道埋深等情況，分段計算出盾構土壓平衡掘進土艙壓力控制值并按值掘進保壓，可以有效控制地表沉降，指導盾構土壓平衡掘進。

5 結語

成都地鐵富水砂卵石地層根據地質參數，可以精確計算盾構掘進所需的主動水土壓力，有效指導盾構施工，大大降低了盾構結泥餅和刀盤卡死的幾率，同時提高了盾構施工進度，降低了盾構施工成本，加快了地鐵建設。此種水土壓力計算方法適用于需要額外加水進行改良的砂卵石地層土壓平衡盾構。

[1] 王泰典，劉世桐，陳麗華，等.礫巖地層濱海公路隧道選線與規劃案例探討[J].隧道建設，2007(sup)：294-298.

[2] 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，2003,23(2)：47-51.

[3] 宮秀濱，徐永杰，韓靜玉.隧道盾構法施工土壓力的計算與選擇[J].筑路機械與施工機械化，2007,24(11)：46-48.

[4] 劉秀爭，王國義.成都地鐵1號線盾構2標盾構機設備配置及施工風險淺析[A].2007第三屆上海國際隧道工程研討會文集[C].上海：同濟大學出版社，2007：296-302.

[5] 晏啟祥，耿 萍，何 川.地鐵砂卵石地層采用加泥式土壓平衡盾構機的設備配置及頂推力計算[J].隧道建設，2007,27(6)：19-21.

[6] 竺維彬，鞠世健.試論復合地層盾構施工的理論體系[J].現代隧道技術，2007(sup):1-6.

On calculation of balance shield’s water-earth pressure in rich water pebble stratum

Wang Guoyi

(PowerChinaChengduConstructionInvestmentGroupCo.,Ltd,Chengdu610212,China)

According to the geological conditions and shield construction features of Chengdu, the paper illustrates the water-soil pressure calculation method of shield jack of rich water pebble stratum, and explores the controlling measures for the water-soil pressure in the shield jack construction, so as to lower the shield construction risks.

pebble, shield jack, water pressure, earth pressure

1009-6825(2016)28-0067-02

2016-07-14

王國義(1974- )，男，教授級高級工程師

TU432

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