基于砂性土拱效应的盾构掘进土压力研究

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摘要：以杭州地铁1号线砂性土地质盾构掘进为背景，并借鉴日本在砂性土地质条件的施工经验，采用简化计算法、有限元模拟分析法及现场实测分法对盾构掘进土仓压力及土拱效应进行对比研究，提出了在不同覆土厚度下的盾构土仓压力设定公式。实际证明合理的土压力控制，有利于提高盾构掘进速度、降低大刀盘扭矩、降低盾构总推力，降低盾构对地层的扰动等。

关键词：土仓压力；土拱效应；有限元模拟；盾构掘进

中图分类号：U455文献标识码： A

一、 研究背景

本次以我公司在杭州砂性土地质盾构掘进为研究背景，选取2个杭州盾构区间，对砂性土地区盾构掘进土压力进行研究

工程概况

表4.1

项目名称 区间长度（m） 隧道上方覆土厚度（m） 开挖面地质条件 盾构机类型

杭州地铁1号线工程建华站~红普路站盾构区间 左线1103.046

右线1100.774 9.78~15.2 粉砂夹砂质粉土

淤泥质粉质粘土 Φ6340土压平衡盾构机

杭州地铁1号线工程红普路站~七堡车辆段出入段线盾构区间 285.362 2.8~8.85

砂质粉土夹粉砂

粉砂夹砂质粉土

Φ6340土压平衡盾构机

二、研究方法

杭州盾构主要在砂质粉土夹粉砂及粉砂夹砂质粉土中进行施工，土质中密~密实，实测标贯击数最高达31击。根据刀盘中在砂层中掘进一般盾构推力较大，如果土仓压力设定过高的话，将增大盾构机的扭矩及推力，给盾构掘进造成较高的管理难度。

（1）地层沉降曲线符合Peck的沉降槽理论，形状近似于概率论中正态分布。地层沉降随着隧道埋深增大，地沉沉降量逐渐增大。隧道轴线位置土体沉降量随着隧道埋深的增加，沉降趋势逐渐增大，砂性土“拱效应”越发明显。

（2）当隧道覆土厚度H除以隧道直径D，即H/D＜1时，松动土压力随埋深增长较快，隧道上部土体拱效应不明显。当1≤H/D＜2时，松动土压力增长缓和并出现减小的趋势，土体拱效应开始产生作用，当H/D＞2时，松动土压力比初始值有很大减少，并趋于平缓，土体拱效应趋于稳定。

（3）不同超挖间隙、不同隧道覆土厚度和不同直径时的地表沉降曲线都符合Peck的沉降槽理论。地表点沉降量随着超挖间隙及隧道直径的增大而增大，随着隧道覆土厚度的增大而减少。

（4）隧道上部土体的竖向土压力当H/D＜2时迅速减小，水平应力迅速增大，土体正通过摩擦抵抗把土压力传递到了隧道的两侧，土拱效应开始形成。当H/D≥2时，土体竖向应力和水平应力趋于平缓，此时土体“拱效应”已经比较明显。

2、 现场实测数据分析

监测内容主要包括地表土体沉降、管片钢筋内力以及管片与土体界面压力。根据地质情况和监测方案，取3个典型断面进行隧道的受力和变形分析，典型断面如表7.1所示。

表7.1监测典型断面

断面

编号 管片环号 测点在管片上的分布类型 断面位置描述

1 K25+455 A 红普路站-七堡出入段线H/D=1全断面砂层处

2 K24+681 A 建华站-红普路站区间H/D=1.5全断面砂层处

3 K25+515 B 建华站-红普路站区间H/D=2全断面砂层处

3、结果分析

（1）地表土体沉降

1）S45断面

图7.4 断面S45地表土体沉降

地表土体沉降如图7.4所示，图中测点的位置见图7.1。当盾构机远离测点时，断面S45基本不发生沉降；盾构机逐渐推进，单距断面20m时，由于土仓压力值实测值小于松动土压力，S45处开始发生较大沉降。随着土仓压力的增加断面S45处土层开始少量隆起。同步注浆过程中断面土层发生少量隆起，盾尾过后，由于浆液发生收缩，土层开始产生沉降并最终趋于稳定。盾构施工对S45断面沉降的影响范围大致为前后50m。S45位于隧道正上方，发生沉降最大。

S45断面位于出洞段土层，盾构土仓压力平衡正在建立与适应中，因此在S45断面前沉降略微偏大，但盾构掘进速度，同步注浆量，掌子面土压力等控制较好，后期沉降基本上控制在8mm内。

2）S95断面

断面S95地表土体沉降如图7.5所示，图中测点的位置见图7.1。当盾构机远离测点时，断面S95基本不发生沉降；盾构机逐渐推进，距断面40m时土层开始缓慢的隆起。随着施工的逐步进行，开挖面靠近并穿越S95断面时，土层开始发生少量沉降； 同步注浆后断面开始少量隆起，最后浆液收缩断面土层发生沉降并最后趋于稳定，盾构施工对S95断面沉降的影响范围大致为前后50m。S95位于隧道正上方，发生沉降最大。

3）S175断面

图7.6 断面S170地表土体沉降

图7.5 断面S95地表土体沉降

断面S170地表土体沉降如图7.6所示，盾构机在断面40m以内的时候，沉降量及隆起量均比较少，此时仓压力位于松动土压力和主动土压力之间。可认为此时覆土厚度较深，砂土成拱效应较为可靠。盾构过后土体后期沉降量也比较少，砂土地层中随着覆土厚度的增加，盾构沉降控制越有利。

4）总结

纵观图7.4~7.6，可以看出，不同监测断面在盾构机经过过程中沉降变化不尽相同。盾构覆土厚度、掌子面土压力、出土量、纠偏措施、同步注浆、地层情况等因素都会对沉降有影响，但总的来看，4个断面的沉降量都较小。

建华站盾构进洞时，监测断面横向沉降槽曲线如图7.7所示，3个沉降槽曲线形态近似呈高斯分布（高斯拟合线见图7.8）。由于S95位于H/D=1.5处，S170位于H/D=2.5处，因此砂土地层中随着覆土厚度的增加，对盾构沉降控制较为有利。

图7.7 三断面成槽曲线

图7.8 三断面成槽曲线高斯拟合

（2）管片钢筋内力

断面2管片内弧钢筋和外弧钢筋受力如图7.9和7.10所示。此断面钢筋随时间变化波动同样较小。由于壁后注浆和管片周围土体的不均匀性，导致管片左右两侧拱腰的内外弧钢筋受力有所差异。

图7.9 断面2管片内弧钢筋受力

图7.10 断面2管片外弧钢筋受力

断面2管片内弧钢筋和外弧钢筋受力如图7.11和7.12所示。图7.11断面2管片内弧钢筋受力

图7.12 断面2管片外弧钢筋受力

断面3管片内弧钢筋和外弧钢筋受力如图7.13和7.14所示。总体而言，钢筋受力随时间缓慢增大，但变化并不大。

图7.13 断面3管片内弧钢筋受力

图7.14 断面3管片外弧钢筋受力

（3）管片与土体界面压力

如图7.15~7.17所示断面1~断面3的管片与土体界面压力随着埋深逐渐增大。由于同步注浆及二次注浆对管片周边进行加固，管片与土体界面土压力随时间变化不明显，砂性土拱效应在地基加固下变得更加牢靠，因此及时同步注浆及二次注浆能增加增加砂性土的拱效应，提高目标土层的抗变形及沉降能力。

图7.15 断面1管片与土体界面压力

图7.16 断面2管片与土体界面压力

图7.17 断面3管片与土体界面压力

三、 结论

（1）当隧道覆土厚度H除以隧道直径D，即H/D＜1时砂性土成拱效应不明显，盾构掘进过程中土压力控制取静止土压力。当1＜H/D＜1.5时，砂性土拱效应开始形成，此时盾构土仓压力可在主动土压力和静止土压力之间进行取值。当H/D＞1.5是，砂性土拱效应比较明显，此时土仓压力可取松动土压力。

（2）地层沉降曲线符合Peck的沉降槽理论，形状近似于概率论中正态分布。地层沉降随着隧道埋深增大，地沉沉降量逐渐增大。隧道轴线位置土体沉降量随着隧道埋深的增加，沉降趋势逐渐增大，砂性土“拱效应”越发明显。

（3），即H/D＜1时，松动土压力随埋深增长较快，隧道上部土体拱效应不明显。当1≤H/D＜2时，松动土压力增长缓和并出现减小的趋势，土体拱效应开始产生作用，当H/D＞2时，松动土压力比初始值有很大减少，并趋于平缓，土体拱效应趋于稳定。

（4）不同超挖间隙、不同隧道覆土厚度和不同直径时的地表沉降曲线都符合Peck的沉降槽理论。地表点沉降量随着超挖间隙及隧道直径的增大而增大，随着隧道覆土厚度的增大而减少。

（5）隧道上部土体的竖向土压力当H/D＜2时迅速减小，水平应力迅速增大，土体正通过摩擦抵抗把土压力传递到了隧道的两侧，土拱效应开始形成。当H/D≥2时，土体竖向应力和水平应力趋于平缓，此时土体“拱效应”已经比较明显。

（6）在砂性土地质条件中，覆土厚度越厚对控制沉降越有利，浅覆土推进对地表沉降控制不利；

（7）同步注浆及二次注浆能对管片上方土拱进行加固，提高目标土层的抗变形及沉降能力。

参考文献：

【1】.程展林,吴忠明,徐言勇;砂基中泥浆盾构法隧道施工开挖面稳定性试验研究[J];长江科学院院报;2001年05期.

【2】.周峻;杨子松;彭芳乐;上坡条件下盾构开挖面极限支护压力研究[J];地下空间与工程学报;2011年05期

【3】. 孔祥鹏;白云;徐冬洪;泥水盾构开挖面泥膜的弹性模量[J];地下空间与工程学报;2012年02期