富水砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)水土壓力計算分析

王 國 義

(中電建成都建設(shè)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(gòu)水土壓力計算分析

王 國 義

(中電建成都建設(shè)投資有限公司，四川 成都 610212)

根據(jù)成都地區(qū)的地質(zhì)條件和盾構(gòu)施工特點，闡述了富水砂卵石地層盾構(gòu)掘進的水土壓力計算方法，并探討了盾構(gòu)掘進施工中水土壓力的控制措施，有效降低了盾構(gòu)施工風(fēng)險。

砂卵石，盾構(gòu)掘進，水壓力，土壓力

0 引言

成都地鐵采用盾構(gòu)法施工已經(jīng)有10年了，隨著盾構(gòu)掘進里程的增長，成都地鐵富水砂卵石地層[1]盾構(gòu)掘進技術(shù)有所突破，但盾構(gòu)掘進超方、結(jié)泥餅現(xiàn)象還是時有發(fā)生，導(dǎo)致地表產(chǎn)生塌陷風(fēng)險。部分專家和學(xué)者認為成都盾構(gòu)施工一直處于“欠壓”掘進，進而導(dǎo)致塌陷，并且提出掘進過程中盾構(gòu)土艙壓力越高越不會超方的理念。但盾構(gòu)掘進土艙壓力高直接導(dǎo)致刀盤卡死、結(jié)泥餅，超方更加嚴重，塌陷頻率更大。

本文根據(jù)成都砂卵石地層特點和盾構(gòu)施工特點，總結(jié)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(gòu)施工者能夠深入理解盾構(gòu)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(gòu)土壓平衡掘進，降低超方量，有效提高盾構(gòu)施工進度。

1 成都主要地質(zhì)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(qū)域性斷裂和龍泉山褶皺帶之間,為一斷陷盆地,成都市區(qū)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(shù)K取25 m/d，為強透水層。

2 成都砂卵石地層盾構(gòu)掘進情況及難點分析

成都盾構(gòu)掘進經(jīng)過近10年的摸索，主要采用土壓平衡盾構(gòu)，富水砂卵石地層盾構(gòu)掘進參數(shù)(平均值)如表1所示，碴土改良主要采用優(yōu)質(zhì)泡沫和刀盤前方、土艙內(nèi)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(gòu)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(gòu)所需的流塑性，土艙壓力又大，從而導(dǎo)致盾構(gòu)土艙內(nèi)結(jié)泥餅、掘進速度緩慢、刀盤卡死等現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)以上問題時，盾構(gòu)掘進超方嚴重，危及地表及建(構(gòu))筑物安全。為了防止上述情況發(fā)生，如何精確計算砂卵石地層盾構(gòu)所需最小水土壓力來指導(dǎo)盾構(gòu)掘進顯得尤為重要。

表1 砂卵石地層盾構(gòu)掘進參數(shù)(平均值)

3 富水砂卵石地層盾構(gòu)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(shù)大，根據(jù)盾構(gòu)實際情況，土艙壓力采用水土分算的計算方法。

3.1 盾構(gòu)掘進情況

盾構(gòu)掘進如圖1所示，盾構(gòu)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(jīng)過碴土改良后的具有一定流塑性的碴土，盾構(gòu)土艙壓力由土艙隔板E處的壓力傳感器感應(yīng)得出。當(dāng)盾構(gòu)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(nèi)經(jīng)過碴土改良后的碴土共同作用的地層自重應(yīng)力的側(cè)向力和水壓力的總和。

3.2 土壓力計算分析

根據(jù)盾構(gòu)施工特點和經(jīng)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(cè)向土壓力;

σp——深度為E處的被動側(cè)向土壓力;

σE——深度為E處的地層自重應(yīng)力;

c——地層的粘聚力;

Ф——地層內(nèi)摩擦角。

3.3 水壓力計算分析

盾構(gòu)掘進過程是實時動態(tài)平衡過程(見圖1)，盾構(gòu)開挖面前方為密實原狀砂卵石地層，開挖面后方為經(jīng)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(shù)為25 m/d(17 mm/min),此滲透系數(shù)涌入的水還不足以達到碴土所需的流動性，因此實際盾構(gòu)掘進過程中額外需要往刀盤前方和土艙內(nèi)加水，才能保證碴土改良所需水量。

盾構(gòu)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(jīng)刀盤攪動[4]和卵石間的碰撞變?yōu)殚_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?yún)⑴c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(jù)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(jīng)過改良后的碴土內(nèi)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(nèi)的涌水。當(dāng)然在盾構(gòu)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(nèi)，松散碴土帶內(nèi)水達到飽和，并處于靜止平衡狀態(tài)，地層水壓全部作用在土艙內(nèi)的碴土上，此時盾構(gòu)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(dāng)?shù)貙訚B透水量小于盾構(gòu)掘進碴土改良所需水量時，舉例說明盾構(gòu)土壓平衡掘進時水土壓力計算，設(shè)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(jīng)改良的碴土浮重密度為2 000 kg/m3，內(nèi)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(nèi)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(dāng)盾構(gòu)掘進E處水土壓力低于0.078 MPa時，原狀地層將向土艙內(nèi)滑動，造成地表沉降；當(dāng)盾構(gòu)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(gòu)工作壓力一般設(shè)計不超過0.3 MPa，因此砂卵石地層中盾構(gòu)掘進只會導(dǎo)致地表沉降，不會導(dǎo)致地表隆起。

4 盾構(gòu)掘進水土壓力控制

從以上水土壓力計算可知，盾構(gòu)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(gòu)就是在土壓平衡狀態(tài)[6]下掘進，開挖面前方的原狀地層就會保持平衡狀態(tài)，既不會向土艙內(nèi)滑動也不會向地表滑動。主動水土壓力值是盾構(gòu)土壓平衡掘進保持的最小壓力值。為了降低盾構(gòu)土艙結(jié)泥餅、刀盤卡死等問題產(chǎn)生，盾構(gòu)施工者可以按主動水土壓力來進行盾構(gòu)掘進。當(dāng)然，由于盾構(gòu)掘進中地層存在許多不可遇見的因素，如地層內(nèi)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(dǎo)致盾構(gòu)掘進實際平衡的水土壓力小于盾構(gòu)理論計算的水土壓力。按照盾構(gòu)施工經(jīng)驗，實際盾構(gòu)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(chǔ)上再考慮0.02 MPa～0.03 MPa的壓力作為預(yù)備壓力，這樣才能確保盾構(gòu)掘進一直處于土壓平衡掘進模式，避免掘進超方。

根據(jù)地勘提供的砂卵石地層參數(shù)和盾構(gòu)掘進隧道埋深等情況，分段計算出盾構(gòu)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(dǎo)盾構(gòu)土壓平衡掘進。

5 結(jié)語

成都地鐵富水砂卵石地層根據(jù)地質(zhì)參數(shù)，可以精確計算盾構(gòu)掘進所需的主動水土壓力，有效指導(dǎo)盾構(gòu)施工，大大降低了盾構(gòu)結(jié)泥餅和刀盤卡死的幾率，同時提高了盾構(gòu)施工進度，降低了盾構(gòu)施工成本，加快了地鐵建設(shè)。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(gòu)。

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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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