土仓压力计算

施工中，如果管片顶部的注浆不太密实，地下水可能会沿隧道衬砌外部的空隙形成
过水通道。当盾构长时间停机时，必将形成一定的压力水头。此时的地下水压：σw盾尾后 =q砂浆 ×γhW 式中，q砂浆－根据砂浆的渗透系数和注浆的饱满程度确定的经验数值，一般取q＝0.5～ 1.0；γ－水的容重；hW－补强注浆处与刀盘顶部的高差。 在掘进过程中，一般按刀盘前方的地层水压力进行计算，在盾构停机过程中，按盾尾后
的土体不向下滑移所需的最小土压力，即土体的主动土压力：
σa =σz tan2（45°-φ/2）-2ctan（45°-φ/2） 式中，σz－深度z处的地层自重应力； c－土的粘着力； z－地层深度；
φ－地层内部摩擦角。
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浅埋隧道地层压力计算方法
被动土压力计算：
盾构的推力偏大时，土体处于向上滑动的极限平衡状态。此时，刀盘前方的土
=2.20×6×tan2（45°-30°/2）-2×0.35×tan（45°-30°/2） =0.42 kg/cm2=0.042Mpa σ静止=ｋ０γｚ=0.35×2.2×6=0.424kg/cm2=0.0462Mpa 在中密实卵石土中，计算地层水压力时q 取0.1，
8634mm，采用装配式钢筋砼管片衬砌，衬砌环外径8300mm，内径7500mm，管片宽 度1500mm，管片厚度400mm；管片与地层间的空隙采用同步注浆回填。隧道上覆土 厚度最大约18.5m，最小约5.8m。区间隧道主要穿行于<8-3-2>中密实卵石层、<83-3>密实卵石层。地层地下水主要为第四系孔隙水与基岩裂隙水。 根据地勘报告，区间隧道围岩等级为V级，出场线始发段隧道埋深约5.8米，地下 水位为地下2米。计算施工土压力时，确定隧道埋深以6.0m考虑，围岩以<8-3-2>
数酌情考虑。 盾构因故停机时，由于地层中压力水头差的存在，地下水必然会不断向土仓内流 动，直至将地层中压力水头差消除为止。此时土仓的水压力为：
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地下水压计算方法
σw刀盘前=q ×γh 式中，q－根据土层渗透系数确定的经验数值，砂土q=0.5～1.0，粘性土q=0.1～0.5，风 化岩层q=0～0.5；γ－水的容重； h－地下水位距刀盘顶部的高度。
主动土压力或被动土压力。
盾构推进时，如果土仓内土压力设置偏低，工作面前 方的土体向盾构刀盘方向产生微小的移动或滑动，土
体出现向下滑动趋势，为了抵抗土体的向下滑动趋势，
土体的抗剪力逐渐增大。当土体的侧向应力减小到一 定程度，土体的抗剪强度充分发挥时，土体的侧向土 压力减小到最小值，土体处于极限平衡状态，即主动 极限平衡状态，与此相应的土压力称为主动土压力Ea，
计算水压力时，盾尾后部的水压力与刀盘前方的水压力按取大值考虑。（根据经验，
部的水压力进行计算。）
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施工土压的设置方法
2.3预备压力
由于施工存在许多不可遇见的因素，致使施工土压力小于原状土体中的静止土压力。
按照施工经验，在对沉降要求比较严格的地段计算土压力时，通常在理论计算的基础之
Ｐｗ——— 开挖面水压力，ｋＰａ。 为使开挖面保持稳定，应尽量满足Ｎ＝０。
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土仓压力计算方法
在选择掘进土压力时主要考虑地层土压，地下水压（孔隙水压），预先考虑的预
备压力。 2.1地层土压 在我国铁路隧道设计规范中，根据大量的施工经验，在太沙基土压力理论的基础 上，提出以岩体综合物性指标为基础的岩体综合分类法，根据隧道的埋资深度不同，
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图3 被动极限平衡状态下的土体位移趋势
浅埋隧道地层压力计算方法
主动土压力计算：
根据盾构的特点及盾构施工原理，结合我国铁路隧道设计、施工的具体经验，采用 朗金理论计算主动土压力与被动土压力。 盾构推力偏小时，土体处于向下滑动的极限平衡状态。此时，土体内的竖直应力 σz相当于大主应力σ1，水平应力σa相当于小主应力σ3。水平应力σa为维持刀盘前方
将隧道分为深埋隧道和浅埋隧道。再根据隧道的具体情况采用不同的计算方式进行施
工土压计算。 2.1.1深埋隧道与浅埋隧道的确定 深、浅埋隧道的判定原则一般以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。 （成拱作用使隧道在多裂隙围岩（包括一般土层）中埋置较深时，作用在支护结构上 的围岩压力远远小于其上覆层自重所造成的压力。）
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浅埋隧道地层压力计算方法
2.1.3浅埋隧道地层压力
1、静止土压力
静止土压力为处于静止的弹性平衡状态下的原状天然土体的土压力，也就是没有 受到盾构施工扰动时的土压力。在深度ｚ处，在竖直面的主应力，即静止土压力为 σｚ＝ｋ０γｚ 式中：ｋ０——土的静止侧压力系数;γ——土的容重，ｋＮ／ｍ３；ｚ—— 计算点 深度，ｍ。静止侧压力系数ｋ０的数值可通过室内的或原位的静止侧压力试验测定。 k。=υ/1-υ
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施工土压的设置方法
d、根据隧道所处的地层以及施工状态，确定地层水压力； e、根据不同的施工环境、施工条件及施工经验，考虑0.010～0.020Mpa的压力值作为调
整值来修正施工土压力；
f、根据确定的水平侧向力、地层的水压力以及施工土压力调整值得出初步的盾构施工 土仓压力设定值为：σ初步设定=σ水平侧向力＋σ水压力＋σ调整 式中，σ初步设定－初步确定的盾构土仓土压力；σ水平侧向力－水平侧向力； σ水压力－地层水压力；σ调整－修正施工土压力。 g、根据经验值和半经验公式进一步对初步设定的土压进行验证比较，无误时应用施工 之中；
ω—宽度影响系数，且ω=1+i（B-5）；
B—隧道净宽度，单位以m计；
i—以B=5m为基准，当B<5m时，取i=0.2，当B>5m，取i=0.1；
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深埋隧道地层压力计算方法
对于深埋隧道，一般根据隧道围岩分类和隧道结构参数，按照《铁路隧道设计规范》 的计算公式计算围岩竖直分布松动压力和水平松动压力。 地层的水平侧向力为：σ水平侧向力= k×γ×h
h、根据地表的沉降监测结果，对施工土压力进行及时调整，得出比较合理的施工土压
力值。
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施工土压的设置方法
土压力管理与控制一般给出一个适当的范围。根据施工所处的地段、地层、
施工环境给出一个土压上限值，以及一个土压下限值。地层地质状况良好、稳定 性好，土压力低。地层变化大，沉降要求高等条件下，土压力高。 （上限值）Pmax=地下水压+（静止土压或被动土压）+预备压力 （下限值）Pmin=地下水压+主动土压 在施工中，深埋隧道按照铁路隧道设计规范来考虑施工土压力时，一般得出 的土压力都偏大。如果地层地质状况良好，考虑盾构机外径1～2倍以内的土压力
从而使土体产生向刀盘前方变形的趋势或位移，以达到减小地层沉降的目的。但
由于加大了盾构机的推进压力，增大了盾构机的掘进扭矩、掘进功率，将加大掘 进成本。同时由于土仓内的土压增大，可能对盾构机的铰接密封、盾构机的主轴 承密封甚至刀盘刀具带来负面影响。
计算实例
成都轨道交通17号线一期工程五桐庙停车场出入场线盾构区间隧道开挖直径
压力σp相当于大主应力σ1，而竖向应力σz相当于小主应力σa： σp=σ1 =σz tan2（45°+φ/2）+2ctan（45°+φ/2） 式中， σz－深度z处的地层自重应力；
c－土的粘着力；
z－地层深度； φ－地层内部摩擦角。
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地下水压计算方法
2.2地下水压
地下水位高于隧道顶部时，由于地层孔隙、裂隙的存在，形成侧向地下水压。
上再考虑0.01～0.02Mpa的压力作为预备压力。
2.4 土压平衡盾构施工土压力的设置方法 根据上述对地层土压力、水压力的计算原理分析，在土压平衡盾构的施工过程中， 土仓内的土压力设置方法为： a、根据隧道所处的位置以及隧道的埋深情况，对隧道进行分类，判断出隧道是属于深
埋隧道还是浅埋隧道；
b、根据判断的隧道类型初步计算出地层的竖向压力； c、根据隧道所处的地层以及隧道周边地地表环境状况的复杂程度，计算水平侧向力；
h= 0.45×2S-1ω
式中，S—围岩级别，如Ⅲ级围岩，则S=3； h—围岩压力计算高度； γ—围岩重度； ω—宽度影响系数，且ω=1+i（B-5）；
围岩级别 Ⅰ～Ⅱ Ⅲ Ⅳ
水平侧压力系数 0 ＜0.15 0.15～0.3
Ⅴ
Ⅵ
0.3～0.5
0.5～1.0
B—隧道净宽度，单位以m计；
i—以B=5m为基准，当B<5m时，取i=0.2，当B>5m，取i=0.1； k—根据围岩级别确定的水平侧压力系数，具体见表1：
土体坍塌、地下水流失；
3、为了降低掘进扭矩、推力，提高掘进速度，减少土体对刀具的磨损，土 仓内的土压力应尽可能得低，以使掘进成本最低。
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土仓压力设定原则
开挖面平衡原理见图１。
土压平衡盾构正面推进力可表示为 Ｎ＝Ｐｉ －（Ｐｚ＋Ｐｗ） 式中：Ｐｉ———密封舱土压力，ｋＰａ；
Ｐｚ——— 开挖面侧向静止土压力，ｋＰａ；
υ为岩体的泊松比。
ｋ０也可按经验确定：砂ｋ０＝0.34～0.45；硬粘土、压密砂性土ｋ０＝0.5～0.7；极 软粘土、松散砂性土ｋ０＝0.5～0.7。
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浅埋隧道地层压力计算方法
2、主动土压力与被动土压力
盾构隧道施工过程中，刀盘扰动改变了原状天然土 体的静止弹性平衡状态，从而使刀盘附近的土体产生
土仓压力计算
李嘉骏 2018-01-06
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土仓压力设定原则
土仓压力计算方法
土仓压力选择
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土仓压力设定原则
土压平衡盾构是通过密闭土舱内切削泥土的压力与开挖面水土压力的平衡