盾构刀盘上方地层无变形的平衡压力理论计算_王国义.pdf

DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315002盾构刀盘上方地层无变形的平衡压力理论计算收稿日期:2023 01 30作者简介:王国义(1974 )，男，工程硕士，正高级工程师，从事盾构施工技术与管理工作王国义(中电建成都建设投资有限公司，四川 成都610212)摘要:在原论文盾构开挖面无变形平衡压力计算的基础上，以现今常用的周边圆弧形刀盘开挖面上方地层不变形为前提，推导出盾构掘进动态条件下刀盘开挖面任一点平衡压力值与平衡压力范围，并提出主动平衡压力与被动平衡压力的概念，确定了盾构掘进上方地层不变形周边圆弧形刀盘盾构土舱压力的取值。给出了圆弧形开挖面主动平衡压力与被动平衡压力的计算方法。最后，得出周边圆弧形刀盘盾构平衡压力主要取决于开挖面拱顶上方原状土自重应力的结论。关键词:平衡压力;圆弧形刀盘;地层不变形;平衡压力值;主动平衡压力;被动平衡压力中图分类号:TU432文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0006 050引言近年来，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。无论是土压平衡盾构还是泥水平衡盾构在下穿繁华街道和重要建(构)筑物时如何确保地表和建(构)筑物的安全一直是大家讨论的重点。确保盾构施工安全的首要条件是土压平衡盾构土舱压力和泥水平衡盾构泥水舱压力的准确选取。为了保证地表及建(构)筑物安全，盾构平衡压力的选取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。专家、学者对盾构平衡压力的研究方向主要集中在考虑土拱效应的极限平衡状态1 4 或者土舱压力与盾构刀盘开口率、螺旋输送机输送速度等参数的影响关系5 8 等方面。现今盾构压力平衡的普遍认知是土舱内的压力与前方的水土压力相平衡，土舱压力选取介于静止侧向土压力与朗肯主动土压力之间。甚至有的专家提出泥水盾构泥水平衡压力选取原则是在水头压力的基础上增加 20 kPa。大多数专家与学者都是依据实际地表监测情况来判断所选取的平衡压力是否正确。对于上海软土地层有的专家根据实际地表监测情况提出平衡压力选取是在静止侧向土压力基础上再加上一定的压力值9。以上专家与学者提出的平衡压力选取存在矛盾。同时对于盾构施工影响的地表及建(构)筑物沉降为 0 mm 和盾构开挖面无变形的平衡压力理论计算基本没有研究。这就需要对地表及建(构)筑物沉降为 0 mm 的盾构平衡压力进行理论深入研究，找到正确的平衡压力理论计算公式，来解决以前平衡压力选取存在的矛盾。为便于介绍，假设盾构上方除地层土体自重应力外无额外的附加应力;盾构切削渣土经过充分改良，同一深度下刀盘前方切削下的渣土与土舱内渣土无压力差。作者原论文盾构平衡压力理论计算与应力技术10 是通过立体几何公式计算了周边圆弧形刀盘开挖面的各个点的理论平衡压力，提出了开挖面无变形的平衡压力值，但盾构掘进平衡的目的是要保证开挖面附近上方地层不发生变形。基于岩土在各个方向呈相同各向异性的前提下，推导出了盾构开挖面上方地层不变形的平衡压力值和范围，并提出了主动平衡压力和被动平衡压力的概念，最终确定了周边圆弧形刀盘盾构开挖面上方地层不发生变形的平衡压力是土体自重应力的结论。1盾构平衡压力的定义土压平衡盾构是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘，将开挖面土体切削下来，经改良进入刀盘后面的土舱，土舱内传递到开挖面的渣土压力与开挖面原状土的水土压力相平衡，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出渣，通过出渣量的控制，时时控制盾构土舱隔板上的土压传感器压力值与理论计算值相等，实现压力平衡。泥水平衡盾构与土压平衡盾构类似，只是压力平衡的介质是泥浆压力与开挖面原状土的水土压力相平衡。当达到平衡压力时，地表及周边建(构)筑物沉降为 0 或接近于 0。11常用土压平衡盾构机主机设计选取现今常用的海瑞克 6 250 mm 土压平衡盾构S365 进行研究，此盾构用于成都，刀盘设计见图 1，刀盘为周边圆弧形刀盘，采用滚刀加刮刀的刀具布置，滚刀最大开挖直径 6 280 mm，盾体直径采用前大后小的设计。12常用盾构刀盘开挖面的分析随着盾构的掘进，刀盘滚刀切削土体形成开挖面和开挖成型面(见图 2)。开挖面和开挖成型面分为三部分:区是开挖成型后形成的 6 280 mm 的圆柱体内表面;区是刀盘周边滚刀开挖形成的由 5 315 mm 至 6 280 mm 渐变的圆弧体内表面;区是 5 315 mm 圆形成的垂直于刀盘中心线的圆面。刀盘开挖面主要由区(掘进方向长约 200 mm)、区和区构成。要保证刀盘开挖面原状土无变形，主要是研究这三个区域内所有6第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug2023点的平衡压力。掘进方向区区区A图 1海瑞克S365 土压平衡盾构图图 2盾构刀盘滚刀切削的开挖面和开挖成型面图13盾构平衡压力的分析作者原论文主要是讨论开挖面不发生变形的平衡压力，但盾构掘进平衡的主要目的是要保证开挖面上方地层不发生变形，即盾构土舱压力保持在计算出来的平衡压力，确保盾构开挖面上方地层不沉降、不隆起。基于岩土骨架在各个方向呈相同各向异性的前提下，分析盾构平衡压力值。按照理论土力学中主动土压力、被动土压力的概念，可将小于盾构平衡压力导致地层开始沉降的临界压力值定义为主动平衡压力 0a，将大于盾构平衡压力导致地层开始隆起的临界压力值定义为被动平衡压力0p，盾构平衡压力应处于 0a0p之间。2盾构平衡压力的计算为便于计算，假设原状土内无自由水，刀盘开挖面至地表原状土为均一地层，容重为，地表至开挖面任一点的高度为 h，原状土静止侧压力系数为 k0，刀盘开挖面任一点的平衡压力为，开挖面任意一点通过此点平行于刀盘中心线的向前直线与通过此点竖向切线的顺时针方向夹角为，通过此点刀盘横截面的水平向右直线与通过此点横向切线的顺时针方向夹角为。刀盘开挖面的范围是 0180，0360。现取微小土单元从简到繁分析刀盘开挖面各个点的平衡压力。21=0，=0如图 3 所示，当 =0，=0时，开挖面的平衡压力与自重应力相平衡，平衡压力低于自重应力将向下沉降，高于自重应力将向上隆起。图 3=0，=0平衡压力示意图0a0phh平衡压力计算公式见式(1):=0a=0p=h(1)22=90或 =90当平衡压力等于静止侧向土压力，开挖面不变形，不会产生沉降;当平衡压力低于静止侧向土压力时，开挖面将水平变形，微小土单元将向下沉降;当平衡压力高于静止土压力，开挖面将水平向外变形，当平衡压力的侧向压力高于自重应力时，微小土单元将向上隆起(见图 4)。图 4=90或=90平衡压力示意图0a0phh主动平衡压力计算公式见式(2):0a=k0h(2)被动平衡压力计算公式见式(3):0p=hk0(3)当 =90或 =90时，平衡压力 k0hhk0。23=180，=0或 180如图 5 所示，主动平衡压力是开挖面外土单元自重应力的侧压力的侧压力，被动平衡压力是平衡压力的侧压力的侧压力与自重应力相等。图 5=180，=0或 180平衡压力示意图0a0phh主动平衡压力计算公式见式(4):0a=k20h(4)被动平衡压力计算公式见式(5):0p=hk20(5)当 =180，=0或 180时，平衡压力 k20hhk20。240 90并且 0 90，此工况下的主动平衡压力作者10 已经详细推导并计算出结果，主要是通过自重应力与前、后、左、右 4 个面的侧压力的合力并求出微小单元体开挖面面积，进而推导出开挖面 AFGH 的平衡压力(见图 6)，这里不再赘述，通过图 6 也可推导出CAG。设 LAD=LAB=LBC=LCD=l，静止土压力系数为 k0，CAG=。由于DAH=，BAF=;且是微小单元土体，可简化为 LAH=LFG，LAF=LHG，SHIG=SABF，SAHD=SFGJ。LBF=LCJ=LIG=ltan。LDH=LCI=LJG=ltan。7第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月王国义:盾构刀盘上方地层无变形的平衡压力理论计算图 6090并且 090，平衡压力示意图F左F合F后FBF右F上F前DHACIJGLCG=LCJ=LJG=ltan+ltan=l(tan+tan)。LAC=L2AB+L2BC=2l。=tan1LCGLAC=tan12(tan+tan)2。为简化计算，也可通过 A 点水平切线的微小单元体进行计算主动平衡压力(如图 7 所示)与被动平衡压力。设四边形 BCFE 面积为 S，LAD=LAB=LBC=LCD=l，EAB=CDF=。图 7090并且 090，A 点主动平衡简化示意图F上F前CDABEFF右F后F合A1)主动平衡压力计算公式见式(6)。F前=F后F上=hl2F右=k0hl2tanS=l2cos0aS=F2上+F2右0al2cos=hl21+k20tan20a=hcos 1+k20tan2(6)2)被动平衡压力计算公式见式(7)。当处于被动平衡压力时，可简化为通过 A 点水平切线的微小单元体，单位长度的开挖面被动平衡压力分解为向上与向右的分解应力，向上与向右应力面积上的作用力形成向上的作用力与自重应力的作用力相平衡(见图 8)。如果开挖面的应力大于被动平衡压力，微小土单元将向上隆起。图 8090并且 090，A 点被动平衡简化示意图CDABEF0p 右A0p0p 上设 LAD=LAE=l，EAB=CDF=。0p上=0pcosF上=0p上l2cos=0pl2cos20p右=0psinF右=0p右l2sin=0pl2sin2F上+k0F右=hl20pl2cos2+k00pl2sin2=hl20pcos2+k00psin2=h0p(cos2+k0sin2)=h0p=hcos2+k0sin2(7)当 0 90并且 0 90，主动平衡压力、被动平衡压力分别与式(6)，式(7)相同。2590 180并且 90 180，此工况下的主动平衡压力与被动平衡压力的推导与2 4 节中相同，这里不再赘述(见图 9，图 10)。图 990180并且 90180，A 点主动平衡简化示意图CDABEFF右AF合F前F后F下图 1090180并且 90180，A 点被动平衡简化示意图CDABEFA0p 下0p 右0p=tan12(tan+tan)2。主动平衡压力计算公式见式(8):0a=hk0cosk20+tan2(8)被动平衡压力计算公式见式(9):0p=h(k0cos2+sin2)k0(9)当 90 180并且 90 180，主动平衡压力与被动平衡压力与式(8)，式(9)相同。180 360条件下的平衡压力与 0 180的平衡压力相同。3盾构平衡压力的举例计算设 k0=0 5，以10为差值，计算盾构刀盘开挖面内所有点土的主动平衡压力、被动平衡压力与自重应力的比值(见表 1，表 2)。8第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑表 1主动平衡压力与自重应力比值计算汇总表010203040506070809010011012013014015016017018001 000 990 980 940 900 830 740 640 540 50100 990 980 950 910 860 800 720 630 540 50200 980 950 920 880 830 770 700 620 540 50300 940 910 880 840 790 740 670 600 540 50400 900 860 830 790 750 700 650 590 530 50500 830 800 770 740 700 670 630 580 530 50600 740 720 700 670 650 630 600 560 530 50700 640 630 620 600 590 580 560 540 520 50800 540 540 540 540 530 530 530 520 510