CN103556999B - 一种富水软弱地层盾构掘进土压确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于盾构隧道工程技术领域的一种富水软弱地层盾构掘进土压确定方法，包括试验段得出盾构掘进土压、根据盾构掘进土压反算η值、由η确定最佳掘进土压。具体方法为：盾构掘进过程前设定土压力、掘进速度、坍落度、同步注浆注入量、二次注浆量；盾构掘进过程中，微调土压使刀盘前方8～10环地表监测点隆起2～3mm，记录此时盾构掘进土压和隧道中心点上覆土中砂性土和粘性土土层分布情况及隧道埋深、地下水情况。结合盾构掘进土压P₀和隧道中心点上覆土性质，反算P₀=K₀(γ′H+q)+ηγ_wH_w中η值，确定本地区砂性土和粘性土所占比例与η关系，计算本区间最佳盾构土压。本发明的优点是：能较为准确的计算盾构掘进土压，减小因土压设定不当造成的沉降，利于地表沉降控制。

Description

一种富水软弱地层盾构掘进土压确定方法

技术领域

本发明属于盾构隧道工程技术领域，特别涉及一种富水软弱地层盾构掘进土压确定方法。

背景技术

随着我国经济的高速发展，城市人口迅速增加，车辆增多，我国各大城市都面临着“乘车难”和“行路难”的问题，发展城市公共交通、缓解交通拥挤、是当前我国各大城市迫切需要解决的问题，地铁因运量大、速度快、无污染，已成为现代化大都市的重要交通工具。盾构法修建地铁隧道因其安全性较好、效率较高，已成为地下隧道施工的重要方法之一。当盾构在富水软弱地层中掘进时，因隧道中心点上覆土含有砂性土和粘性土，地层经扰动后会发生沉降且不易控制，地表长期沉降危害将会更大。如盾构上方有建筑物时沉降过大将危及建筑物安全，致使建筑物开裂甚至倾斜、倒塌，造成负面社会影响和巨大的经济损失。现有技术运用水土分算和水土合算所算土压与盾构掘进土压偏差较大，水土合算所得土压较盾构掘进土压小，水土分算所得土压较盾构掘进土压大。而实际工程实践中土仓压力经常采用经验法，往往会出现土仓压力设定时偏大或偏小，如盾构掘进过程中土压设定偏小，刀盘前方地表将产生较大沉降；土压设定偏高时，刀盘前方将产生隆起，加剧地层扰动。如简单以试验段得出盾构土压，则在不同区间都要开展试验段研究，费时费力。如何确定富水软弱地层中盾构最佳土压，是一个亟待解决的工程难题。本发明试图在水土分算及水土合算的基础上，为富水软弱地层中土压确定提供一种计算方法，尽可能减小盾构掘进中因土压设定不当导致的地层扰动，有利于施工期间沉降控制。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种富水软弱地层盾构掘进土压确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）试验段得出盾构掘进土压

a)盾构掘进过程前，设定土压力为2.0～2.6bar，掘进速度2～3cm/min，同步注浆为惰性浆液，坍落度为24～26cm之间，注入量为4m³，二次注水泥、水玻璃双液浆，注浆量控制值为1.2m³；

b)盾构掘进过程中，监测刀盘前方8～10环地表点隆沉情况，调整土压使监测点隆起2～3mm，记录此时盾构掘进土压和隧道中心点上覆土中砂性土和粘性土土层分布情况及隧道埋深、地下水情况。

（2）根据盾构掘进土压反算η值

结合本地区盾构试验段中盾构掘进土压与隧道中心点上覆土中砂性土和粘性土所占比例及隧道埋深，在水土分算的基础上引入调整系数η，由式P₀=K₀(γ′H+q)+ηγ_wH_w反算出η值，其中P₀为盾构掘进土压；K₀为静止侧压力系数；γ'为土的有效重度；H为隧道中心处深度；q为地面超载；γ_w为水重度；H_w为水位面到隧道中心处距离；η为调整系数。

（3）由η确定最佳掘进土压

本地区其他标段盾构掘进前，参考试验段中土层性质与η关系，由本标段砂性土和粘性土所占比例计算本标段η，然后由公式P₀=K₀(γ′H+q)+ηγ_wH_w计算本区间最佳盾构土压。

所述步骤（3）中土层性质与η关系为：当砂性土占隧道中心点上覆土比例为0～10%时0.6<η<0.65，当砂性土占隧道中心点上覆土比例为10%～20%时0.65<η<0.7，当砂性土占隧道中心点上覆土比例为20%～30%时0.7<η<0.8，当砂性土占隧道中心点上覆土比例为30%～40%时0.8<η<0.9。

发明的有益效果：本方法运用理论计算公式，通过一个试验段研究，结合盾构隧道中心点上覆土层分布及地下水位情况，能较为准确的计算盾构掘进土压，减小因土压设定不当对地层造成的扰动，有利于地表沉降控制。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，凡基于本发明的内容所实现的技术都属于本发明的范围。

某富水软弱地层盾构区间隧道拱顶埋深为13m，隧道中心点H=16.1m，地下水埋深1.5m，本区间采用一台Φ6340小松土压平衡盾构机，采用预制钢筋混凝土管片，管片宽度为1.2m，外径6.2m，内径5.5m，错缝拼装。其地层情况从上往下至拱底位置依次为：①₁杂填土、③₁粘土、③₂粉质粘土、④₁粉土、④₂粉质粘土、④₃粉砂，隧道主要穿过④₂粉质粘土及④₃粉砂土层。此时粘性土所占比例为73.4%，砂性土所占比例为23.6%，杂填土所占比例为3%。

表1地质参数表

先设定土压力为2.4bar，掘进速度2～3cm/min，同步注浆为惰性浆液，浆液坍落度为24～26cm之间，同步注浆量为4m³。试验段研究表明，盾构刀盘前方8～10环地表点隆起4～5mm，最终地表沉降为16～20mm，沉降控制较差，刀盘前方土压力设定过大。此后降低土压力为2.0bar，监测刀盘前方地表点沉降，地表点微隆起2～3mm，最终地表沉降为8～10mm，沉降控制较好，故确定最佳盾构掘进土压P₀=2.0bar。根据土层性质及公式P₀=K₀(γ′H+q)+ηγ_wH_w反算出η值。计算过程如下：

求侧向压力系数：

$K_0=\frac{(0.45*5+0.48*2+0.50*2.8+0.45*1.8+0.54*5.2+0.42*3.8)}{16.1}=0.48$

求隧道中心点上覆土重：

∑γ'H=(0.5*19.3+1*19.9+1*9.9+2.8*9.4+1.8*9.1+5.2*9.0+3.8*9.4)=164.67kPa

取q=20KPa，

$\mathrm{\&eta;}=\frac{P_0-K_0({\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}H+q)}{{\mathrm{\&gamma;}}_w{H}_w}=\frac{200\mathrm{kPa}-0.48*(164.67+20)\mathrm{kPa}}{10*14.6\mathrm{kPa}}=0.76$

通过计算，近似按照试验段所算隧道中心点上覆土中砂性土和粘性土所占比例与η关系，其他标段可根据粘性土和砂性土所占比例计算η，当砂性土占隧道中心点上覆土比例为0～10%时0.6<η<0.65，当砂性土占隧道中心点上覆土比例为10%～20%时0.65<η<0.7，当砂性土占隧道中心点上覆土比例为20%～30%时0.7<η<0.8，当砂性土占隧道中心点上覆土比例为30%～40%时0.8<η<0.9。进而由公式P₀=K₀(γ′H+q)+ηγ_wH_w计算盾构土压，实际施工中微调土压使刀盘前方8～10环地表点隆起2～3mm即可。

Claims (1)

1.一种富水软弱地层盾构掘进土压确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)试验段得出盾构掘进土压

a)盾构掘进过程前，设定土压力为2.0～2.6bar，掘进速度2～3cm/min，同步注浆为惰性浆液，坍落度为24～26cm之间，注入量为4m³，二次注水泥、水玻璃双液浆，注浆量控制值为1.2m³；

b)盾构掘进过程中，监测刀盘前方8～10环地表点隆沉情况，调整土压使监测点隆起2～3mm，记录此时盾构掘进土压和隧道中心点上覆土中砂性土和粘性土土层分布情况及隧道埋深、地下水情况；

(2)根据盾构掘进土压反算η值

结合本地区盾构试验段中盾构掘进土压与隧道中心点上覆土中砂性土和粘性土所占比例及隧道埋深，在水土分算的基础上引入调整系数η，由式P₀＝K₀(γ′H+q)+ηγ_wH_w反算出η值，其中P₀为盾构掘进土压；K₀为静止侧压力系数；γ′为土的有效重度；H为隧道中心处深度；q为地面超载；γ_w为水重度；H_w为水位面到隧道中心处距离；η为调整系数；

(3)由η确定最佳掘进土压

本地区其他标段盾构掘进前，参考试验段中砂性土占隧道中心点上覆土比例与η关系，当砂性土占隧道中心点上覆土比例为0～10％时0.6<η<0.65，当砂性土占隧道中心点上覆土比例为10％～20％时0.65<η<0.7，当砂性土占隧道中心点上覆土比例为20％～30％时0.7<η<0.8，当砂性土占隧道中心点上覆土比例为30％～40％时0.8<η<0.9；由本标段砂性土和粘性土所占比例计算本标段η，然后由公式P₀＝K₀(γ′H+q)+ηγ_wH_w计算本区间最佳盾构掘进土压。