广州地铁14号线土压平衡盾构掘进土压设置研究

张友功

(中交二航局工程装备分公司，湖北武汉　430014)

广州地铁14号线土压平衡盾构掘进土压设置研究

张友功

(中交二航局工程装备分公司，湖北武汉430014)

摘要:结合广州地铁14号线的工程概况，论述了土压平衡盾构掘进施工中密封仓土压设定方法，探讨了不同土层松散系数经验值，并提出了土仓压力设置原则，确保了土压盾构掘进的施工质量。

关键词:土压盾构，土仓压力，土层松散系数

随着我国城市轨道交通蓬勃发展，沿海经济较为发达地区地铁线路日益增多。采用盾构法施工新建地铁隧道时，不可避免的将会遇到下穿既有地下结构或是穿越密集地面建筑群的问题［1］，地面沉降控制显得尤为重要［2］。对于土压盾构，掘进时土仓压力是导致地面隆起或塌陷的主要因素［3-5］，总结盾构周围土压计算方法合理设定土仓压力能够有效的降低刀具磨损、减少换刀次数、适应工期要求及防范工程风险，进行土压盾构掘进参数控制研究有重要工程意义和使用价值。

1　工程概况

广州地铁14号线土建一标位于广州市从化区，土压盾构穿越的地层主要有粘土层、砂层、强风化砂砾岩、中风化及微风化粉砂岩和砂砾岩。钻探揭露的地下水位埋深变化较小，水位埋深为1.45 m～13.00 m，平均埋深为5.45 m。本区间隧道断面可分为全断面岩层、上软下硬、全断面砂土层三种类型，地质条件复杂。盾构机从明挖段盾构井始发，下穿街北高速后沿从化大道前行，下穿流溪河、姓钟围房屋群，地面建筑物集群对沉降控制要求较高。

2　密封仓土压设定方法

基于朗金土压力理论，盾构掘进时的主动土压力、被动土压力和静止土压力的平衡模式如图1所示。

土压盾构掘进时，刀盘前方土体发生扰动产生主动土压力或被动土压力。土侧压力减小较快土体具有整体下滑趋势时，土体抗剪强度充分发挥，侧向土压力降低到较小水平，土体进入极限平衡状态，此时对应的土压力为主动土压力Pa:

其中，σz为深度z处土层自重应力; z为土层深度; c，φ均为抗剪强度参数。

图1　盾构掘进土压平衡模式

其中，符号意义同式( 1)，静止弹性平衡状态下原状天然土体土压计算如下:

其中，γ为土体容重; k为土侧压力系数，k = v/( 1－v)，v为土体泊松比，盾构实际施工中土仓压力一般采用修正后的静止土压力，即:

其中，Pt为土仓压力设定值; P'为参照经验修正的土压力值。同时，土仓压力设定值还应满足σw+ Pa＜Pt＜σw+ PP，式中水压力取刀盘后部水压σw和σm二者大值。

其中，q为根据不同土层渗透系数确定经验值，砂土中q =0.8～1.0，粘土中q =0.3～0.5;γ为水的容重; h为地下水位距刀盘顶部高度; q砂浆=0.8～1.0; hw为补强注浆处和刀盘顶部高差。

若土仓内压力较大时，刀盘施加的侧向压力较大，前方土体可能有向上滑动趋势。此时，处于极限平衡状态的土体内部主要作用土压力为被动土压力PP:

3　不同土层松散系数经验值

土压盾构掘进时，出渣量是反映土仓压力是否平衡的一项关键指标，也是判定地层损失量是否过大进而控制地面沉降量的重要指标。盾构螺旋机输送渣土简图如图2所示。

图2　土仓螺旋机出渣简图

图2中D为开挖面直径; V为千斤顶推动速度;开挖时间为T时，单位时间内螺旋机出土量可表示为:

实际计算时一般以一环管片作为单位出土量衡量标准，即VT = L'，L'为管片长度。单位出土量与土质有关，土质决定了不同土层松散系数不同进而导致了出渣量差异。土的松散系数分为最初松散系数K1和最终松散系数K2，计算公式如下:

其中，V1为土在自然状态下的体积; V2为开挖土体在松散状态下的体积; V3为土体回填压实后的体积。因此，最初松散系数一般用于计算挖方而最终松散系数用于计算填方量。对于土压平衡盾构，理论最大出土量Qmax和理论最小出土量Qmin，其计算公式见式( 10)，式( 11)。

其中，最初松散系数K1和最终松散系数K2参见表1，表中根据土的普氏分类将土划分为Ⅷ类。

表1　土体挖方和填方松散系数经验值

4　土仓压力设置原则

土仓压力设定及调整原则见图3。

图3　土仓压力设定及调整原则

总结以上盾构掘进刀盘前方土压计算方法及出渣量控制经验系数，盾构实际推进过程中，主要参照如下三种操作控制原则:

1)控制出渣量的土压检测控制模式。通过实际出渣量与理论计算出渣量对比，通过改变螺旋输送机传送速度控制出渣量来保证开挖面稳定。此时，盾构掘进参照事先给定的推进速度。

2)控制土仓进土量的土压平衡控制。通过检测土仓内土压，控制盾构推进液压缸的推进速度，控制进土量来保证土仓内外压力平衡。此时，螺旋机输送渣土转速按事先设定值保持不变。

3)根据土压监测，对液压缸推进速度和螺旋机输送渣土转速进行协同控制，来保证土压平衡。

参考文献:

［1］张凤祥.盾构隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］张扬，林本海，牛九格.地铁盾构隧道施工对既有老式建筑的影响分析［J］.广东土木与建筑，2015( 4) :80-81.

［3］邓彬，顾小芳.上软下硬地层盾构技术研究［J］.现代隧道技术，2012，49( 2) :59-64.

［4］叶康慨，王延民.土压平衡盾构施工土压力的确定［J］.隧道建设，2003( 2) :5-7.

［5］张凤祥，傅德明，杨国祥，等.盾构隧道施工手册［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

作者简介:张友功(1987-)，男，高级工程师

收稿日期:2015-11-21

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0174-03

中图分类号:U455.43

文献标识码:A