土压平衡盾构土压平衡理论分析与计算

摘要：根据土压平衡盾构设计的2种刀盘型式、特点和盾构的土压平衡原理，详细分析并提出土舱各部位土壓力要与开挖面对应部位所需水土压力相平衡，以达到盾构开挖面所需的所有点的平衡。通过计算可知，在同种地质条件下，周边圆弧形刀盘土压平衡压力值要远大于周边直角形刀盘。对土压平衡盾构施工有一定的指导作用。

关键词：土压平衡；土压力；水土压力；主动水土压力；点的平衡 文献标识码：A

中图分类号：U445 文章编号：1009-2374（2017）06-0085-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.043

近年来，盾构法凭借其安全、可靠、快速、经济、环保等优势广泛用于各大城市地铁。土压平衡盾构以其技术、经济上的优越性，在城市地铁盾构法施工中占有绝对的优势地位。但盾构掘进过程中超挖现象时有发生，导致地表及附近建（构）筑物产生安全风险。为了保证地表及建（构）筑物安全，土压平衡盾构水土压力计算已经引起专家与学者的广泛关注，并进行了大量的研究与分析。

何川等进行了土压平衡盾构掘进过程的室内相似模型试验，获得土压平衡盾构掘进对地层影响的一般规律。王洪新等提出土压平衡盾构在掘进时有两种平衡状态：一种是盾构与前方土体接触压力和水土压力的平衡；另一种是出土的平衡。李君等利用盾构模型，从土体应力变化的角度，揭示了随着土拱的形成、发挥和发展过程，开挖面经历了局部失稳和整体失稳这样一个渐进破坏的模式。宋锦虎等提出地表沉降的发展过程与开挖面上方土拱的形成过程具有对应关系，地下水的存在通过降低土拱高度，从而减小了地表的沉降。宫秀滨等对土压力进行了分析，提出土舱压力要介于主动水土压力与静止水土压力之间的选择方法。黎春林通过对土拱高度的讨论，提出一种简化的隧道施工扰动范围判断方法。邹春华等认为由于刀盘挤压作用，土舱压力不等于掘进面土压力，提出基于位移反分析法的盾构掘进面土压力计算方法。张子新等通过对国内外盾构隧道开挖面支护压力6种计算方法的综合比较和分析，提出了适用于黏性土地层的开挖面支护压力计算简化方法。以上学者是基于将盾构开挖面作为一个整体的水土压力计算方法研究或盾构掘进过程中未达到土压平衡已经造成超挖后的沉降分析。按照盾构土压平衡原理，如果盾构土舱内的土压力与前方开挖面的水土压力相平衡，就不会存在超挖，地表不会产生隆起或沉降。土压平衡盾构施工的关键还是精确计算出开挖面的水土压力，并一直保持平衡状态，才能确保地表及附近建（构）筑物安全。

本文根据现今常用的土压平衡盾构2种刀盘型式、特点和朗肯土压力计算公式，详细分析开挖面各部位所需的主动水土压力，同时对盾构土舱内土压力进行分析，提出土舱压力与对应的盾构开挖面每个点都要达到平衡，才能实现真正意义上的土压平衡，才能控制盾构超挖，降低施工安全风险。通过理论计算分析可知，对于盾构土压平衡控制，周边直角形刀盘要优于周边圆弧形刀盘。解决了前人将开挖面作为一个整体进行计算，计算出来的主动水土压力值偏小，导致盾构超挖的问题。

1 土压平衡盾构原理及分析

土压平衡盾构机是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来，进入刀盘后面的土舱，并使土舱内的土压力与开挖面的水土压力相平衡，以减少盾构掘进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降。盾构边掘进切削土体边由螺旋输送机排土，通过掘进速度与排土量的控制，盾构时控制土舱隔板上的土压传感器压力值，实现土压平衡。

为了达到盾构的土压平衡，刀盘切削下来的土体要进行渣土改良，通过添加剂的加入，土舱内土体要达到良好的流塑性、较低的内摩擦角、低渗透率，土舱内土体能够进行有效的土压传递。本文研究土压平衡的设定条件是渣土进行了良好改良，土压能够有效传递，土舱内土压力与开挖面后方（刀盘前方）同一深度的土压力相同，刀盘面板的支撑作用不予考虑，改良后的渣土内摩擦角为0，无凝聚力，无渗透性。螺旋输送机的排土不会影响开挖面的平衡。盾构开挖侧面土压力计算采用朗肯土压力计算公式。盾构掘进过程中，当土舱内土压力小于开挖面的主动水土压力，开挖面及以外的土体将向土舱涌入，造成地表沉降；当土舱内土压力大于开挖面的被动水土压力，刀盘切削土体无法进入土舱，刀盘切削土体将向开挖面以外挤走，造成地表隆起。盾构土压平衡控制实际上是土舱内土压力大于或等于开挖面的主动水土压力，小于或等于开挖面的被动水土压力。盾构施工者为降低盾构施工成本，防止结泥饼等，一般都是将土舱内土压力控制在稍大于开挖面的主动水土压力小于被动水土压力范围内。因此，准确计算开挖面的主动水土压力是土压平衡盾构施工控制的关键。由于被动水土压力大于地层的水土自重应力，本文不予考虑计算。

2 土压平衡盾构开挖面的土压平衡分析

土压平衡盾构施工的关键是开挖面前方原状土的水土压力与开挖面后方的渣土的土压力相平衡。目前，土压平衡盾构刀盘有2种型式（周边直角形刀盘和周边圆弧形刀盘），现分别对不同刀盘型式的开挖面进行分析。

2.1 周边直角形刀盘开挖面的土压平衡分析

土压平衡盾构直角刀盘设定刀盘周边没有开口，形成圆柱形的开挖面周边由刀盘的周边钢结构支承，前方开挖面为一平面。设盾构开挖地层为均一地层，根据隧道埋深和朗肯土压力计算公式可以准确计算出开挖面原状土的主动土压力（如图1）。为达到盾构掘进土压平衡，开挖面后方的渣土土压力应大于或等于相应位置的原状土主动水土压力。盾构开挖面顶部位置土舱土压力按等于原状土主动水土压力，开挖面后方渣土的土压力分布如图1。由于土舱内渣土经过改良，与开挖面原状土物理性质指标不同，土舱内渣土的竖直压力与水平压力相等，土舱内土的侧压力除顶部与开挖面原状土水土压力相等外，下部开挖位置都大于相应位置开挖面的主动水土压力。因此，直角刀盘开挖面的土压平衡主要保证开挖面顶部位置土舱土压力与原状土水土压力相等，就可以实现土压平衡。根据开挖顶部原状土水土压力和土舱内土的物理性质，可以计算出土舱隔板压力传感器位置处的土压力，盾构掘进土舱压力按计算土压力控制，就能够达到土压平衡状态。

2.2 周边圆弧形刀盘开挖面的土压平衡分析

土压平衡盾构周边圆弧形刀盘是刀盘周边有开口，周边开挖面为一圆弧面，开挖面正面为一平面（如图2）。设盾构开挖地层为均一地层，根据隧道埋深和朗肯土压力计算公式可以准确计算出开挖面为平面处的主动水土压力，但开挖面为圆弧面的主动水土压力不能采用朗肯土压力计算公式，此圆弧面水土压力实际上是土的竖向水土压力向侧向主动水土压力的渐变过程。盾构开挖面顶部土舱土压力与开挖面顶部的竖向主动水土压力相平衡（如图2），才能达到盾构的土压平衡。开挖面外侧的原状土竖向主动水土压力远大于同位置侧向主动水土压力（内摩擦角越大，相差值越大）。

2.3 开挖面土压平衡分析

刀盘型式不同，导致开挖面形状不同。同种地质条件下，周边圆弧形刀盘的土压平衡需要土压力要大于周边直角形刀盘土压平衡需要的土压力。实际盾构施工中水土压力计算都是采用的朗肯侧向主动土压力计算公式，未考虑周边圆弧形刀盘的竖向水土压力平衡，未达到真正的土压平衡，导致盾构掘进超挖，造成地表沉降。因此，盾构土压平衡必须是开挖面前方原状土水土压力与开挖面后方渣土土压力所有点的平衡。

3 举例计算盾构土压平衡最小土压力

设盾构开挖直径6m，全部处于水位线以上，开挖面顶部至地表距离h1为10m，开挖面及以上为均一地层，原状土容重γ为20kN/m3，土体内摩擦角Φ为40度，凝聚力c为0；土舱内渣土容重γ土舱为22kN/m3，内摩擦角Φ土舱为0，凝聚力c土舱为0；隔板上土压力传感器E处距离开挖面顶部F竖直距离h2为1m，理论计算土压传感器E处需要达到的最小土压力。

3.1 周邊直角形刀盘

因此，当采用直角刀盘理论计算土压传感器E′处需要达到的最小土压力σE′为65.5kPa时，盾构开挖面各位置都达到了真正意义上的土压平衡。

3.2 周边圆弧形刀盘

因此，当采用周边圆弧形刀盘理论计算土压传感器E′处需要达到的最小土压力σE′为222kPa时，盾构开挖面各位置都达到了真正意义上的土压平衡。

通过计算分析可知，在同一地层条件下，为了达到盾构开挖面所有点的土压平衡，周边圆弧形刀盘土舱的土压力要远大于周边直角形刀盘土舱土压力。

4 结语

盾构的土压平衡实际上是开挖面所有点的土压平衡，就不会造成地表的沉降或隆起。在同种地层条件下，为实现土压平衡掘进模式，周边圆弧形刀盘土舱的土压力要大于周边直角形刀盘土舱土压力。对于盾构土压平衡控制，周边直角形刀盘要优于周边圆弧形刀盘。对于不同的刀盘型式要采取不同的水土压力计算方法。

参考文献

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[4] 宋锦虎，缪林昌，胡斌，等.地下水对盾构开挖面上方土拱效应影响的试验研究[J].土木工程学报，2014，47（2）.

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作者简介：王国义（1974-），男，中电建成都建设投资有限公司教授级高级工程师，研究方向：盾构施工技术与管理。

（责任编辑：蒋建华）