土压盾构土仓压力设定与控制.ppt

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1、土压平衡盾构土仓压力设定与控制中铁一局城轨公司杨永强2012年7月·西安提纲1前言2土压力概念3土压力计算方法与分析4土仓压力设定与控制5结论与思考1前言1.1土压平衡盾构的施工机理盾壳支承着围岩并保护着刀盘旋转，在推进油缸作用下，刀盘旋转切削开挖面土体，刀盘上被切割、破碎的碴土，经过刀盘上的开口进入密闭的土仓，利用端部伸入土仓下部的螺旋输送机排土；通过控制螺旋输送机转速或盾构推进速度，达到土仓内土压力与开挖面地层土压力动态平衡。核心：开挖面稳定机理，即土仓内土压力抵抗开挖面地层水土压力使开挖面稳定。1.2土仓压力设定问题设定合适的土仓压力确保开挖面

2、的稳定，关系到盾构施工效率和工程环境安全。开挖面地层稳定性较好时，土仓压力过大时会引起刀盘扭矩和推力增大、推进速度下降，存在盾构掘进效率降低、设备能耗和损耗加大等问题；开挖面地层稳定性较差时，土仓压力不足则会发生开挖面的涌水或坍塌，造成地层水土流失过多，导致地层沉降难以控制等问题。1.3开挖面稳定和土仓压力设定相关理论开挖面稳定是通过保持盾构刀盘支承的压力仓内泥土压力来获得。盾构推进时，其前端刀盘旋转切削地层土体进入土仓。当土体充满土仓时，其被动土压与开挖面上的土、水压基本相同，开挖面实现平衡。土仓压力设定，有采用开挖面地层的主动土压力、静止土压力或

3、松弛土压力的方法等。作为上限值，以尽量控制地表面的沉降为目的而使用静止土压力；作为下限值，可以允许产生少量的地表沉降，但可确保开挖面的稳定为目的而使用主动土压力。土仓压力是利用开挖下来的碴土充满土仓来建立的，通过使开挖的碴土量与排出的碴土量相平衡的方法来保持。必须使开挖土体充满土仓，并使排土量与开挖土量相平衡。由于围岩的土量或碴土容重会有一定的变化，另外，由于添加剂的种类、添加量或排土方式等因素的影响，碴土的容重也会发生变化，所以要恰当地掌握排土量是比较困难的。仅单独根据排土量的管理来控制开挖面坍塌或地基沉降是困难的，最好是根据土仓压力管理和开挖土量

4、管理同时进行。1.4研究土仓压力的意义实际工程实践中土仓压力设定采用经验数据的现象较多，往往会出现土仓压力设定时或大或小的偏差，不利于施工控制。因此，掌握土仓压力设定和控制方法，对盾构施工具有一定的指导意义。2土压力概念2.1土中一点的应力状态三个法向应力分量：σx、σy、σz六个剪应力分量：τxy=τyx、τyz=τzy、τzx=τxz2.2土压力及类型由于土体自重、土上荷载或结构物的侧向挤压作用，挡土结构物所承受的来自墙后填土的侧向压力。墙体位移条件是影响土压力的最主要的因素。墙体位移的方向和相对位移量决定所产生的土压力的性质和土压力的大小。(a

5、)静止土压力(b)主动土压力(c)被动土压力（Earthpressureatrest)（Activeearthpressure)（Passiveearthpressure)Ea＜E0＜＜Ep2.3土压力与墙身位移的关系（右图）2.4墙体位移对土压力的影响土压力的类型取决于：墙体是否发生位移以及位移的方向；墙后土体所处的应力状态。挡土墙所受土压力的大小并不是一个常数，而是随位移量的变化而变化。2.5静止土压力可按土体处于侧限条件下的弹性平衡状态计算。2.6朗肯土压力理论基本条件：墙背光滑；墙背垂直、刚性；填土表面水平、半无限、均匀。假设：墙后各点均处于

6、极限平衡状态2.7主动土压力2.8被动土压力3土压力计算方法与分析3.1建立计算模型隧道上方地面水平、地层均匀，土体自重应力q。假定盾构土仓内充满碴土，土压力按线性分布。3.2土压力类型分析盾构土仓隔板支挡着土仓内的土体，土仓内土体产生的侧向力作用在土仓隔板上，可将土仓隔板看作挡土结构；盾构刀盘有一定的开口率，土仓内的土体与刀盘前方的土体连通，土仓内土体支挡着刀盘前方土体，开挖面前方土体产生的侧向力作用在土仓内土体上，同时土仓内土体产生的侧压力也反作用在开挖面前方土体上，可将土仓内土体看作挡土结构。这样一来，近似符合土力学相关理论的假定条件，可按土力

7、学相关理论进行分析3.2.1盾构推进状态土压力类型分析（1）盾构推进的某一瞬时，土仓内充满碴土，当土仓内土体推挤前方土体时，开挖面前方的土体对土仓内土体产生被动土压力；当土仓内土体相对前方土体静止不动即位移为零时，开挖面土体处于弹性平衡状态，此时开挖面前方的土体对土仓内土体产生静止土压力；当土仓内土体在开挖面前方土体推力作用下向土仓隔板方向移动时，开挖面前方土体对土仓内土体产生主动土压力。（2）盾构推进的某一瞬时，土仓内充满碴土，盾构机向前产生了一定的位移，盾构土仓隔板对土仓内土体产生推挤，土仓内的土体对土仓隔板产生的土压力为被动土压力。3.2.2盾

8、构停机状态土压力类型分析（1）盾构停机时，土仓内充满碴土，土仓内土体不再向前推挤，土仓内土体相对前方土体静止