盾构机掘进工作面土压力计算方法比较分析
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土压平衡式盾构周围的土压力分析
￣
分方程 ， 并应用 了混合单元离散模型 ， 可以准确地模 拟材料的屈服、 塑性流动、 软化直至大 变形 ； 尤其在
材料的弹塑性分析、 大变形分析 ， 该程序能较好地模 拟地层材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破
坏或塑性流动的力学行为 ， 在岩土工程特别是地下
ｇ ｅ ｈ ｔｔ ｅｃｌｕａｉｎ ｍｅｈ ｄ ｉ ｏ ｒｃ ｆ ｒｃｍｐ ｒｎ ｈ ｕ ｓｔａ ｈ ａｃ ｌｔ ｔｏ ｃ ｒｅ ｔａｔ ｏ ａｉｇ ｔｅ ｏ ｓ ｅ
所以， 有限元 、 有限差分等数值计算方法已在工程技
术领域 占有重要地位 ， 在岩土工程领域 已出现多个 优秀的计算软件 。在现场 的实际监测过程 中， 只能
示测点所在平面。计算中采用非线性莫尔库伦模型。
监测盾构周围土体中有限几个点 的水平 土压力 ， 测
点以外的土压力是未知的， 况且在土体 中的任意 一 点都有六个应 力分量 ， 即 ， ， ， ， ， ； ｒ 但
建模过程和计算方法是正确合理 的。
１ 应力场的数值计算
本文 的计算以上海市轨道交通 ６ 号线滨州路站
一
关键词
城 市轨道交通 ， 盾构 隧道 ， 土压力 ， 拟计算 模
Ｔ ３ ；Ｕ ５ ．３ Ｕ４ ２ ４５４
成山路站盾构隧道为实例 。为 了检验计算的可靠
中圈分类号
性， 还进行了实际监测 。在计算 中采用 Ｆ Ａ ３ Ｌ Ｃ Ｄ软 件对区间的盾构 隧道施工过程进行模 拟计算 ， 模拟
分程序， 采用显式有 限差分 格式来 求解 场的控制微
ｏ ｈ ｒｎ ．ｓ ｅ ａ ｎ ｅｓｄ ｆｓ ｉｌ ｃ ｉｅ ｂ ｓ ｆｔｅ ｆｏ ｔ ｉ ｎｄ ｕ ｄ ｒｉｅ ｏ ｈｅｄ ｍａ ｈｎ ｙ ｕ ｉ ｄ ｇ ｎ
分方程 ， 并应用 了混合单元离散模型 ， 可以准确地模 拟材料的屈服、 塑性流动、 软化直至大 变形 ； 尤其在
材料的弹塑性分析、 大变形分析 ， 该程序能较好地模 拟地层材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破
坏或塑性流动的力学行为 ， 在岩土工程特别是地下
ｇ ｅ ｈ ｔｔ ｅｃｌｕａｉｎ ｍｅｈ ｄ ｉ ｏ ｒｃ ｆ ｒｃｍｐ ｒｎ ｈ ｕ ｓｔａ ｈ ａｃ ｌｔ ｔｏ ｃ ｒｅ ｔａｔ ｏ ａｉｇ ｔｅ ｏ ｓ ｅ
所以， 有限元 、 有限差分等数值计算方法已在工程技
术领域 占有重要地位 ， 在岩土工程领域 已出现多个 优秀的计算软件 。在现场 的实际监测过程 中， 只能
示测点所在平面。计算中采用非线性莫尔库伦模型。
监测盾构周围土体中有限几个点 的水平 土压力 ， 测
点以外的土压力是未知的， 况且在土体 中的任意 一 点都有六个应 力分量 ， 即 ， ， ， ， ， ； ｒ 但
建模过程和计算方法是正确合理 的。
１ 应力场的数值计算
本文 的计算以上海市轨道交通 ６ 号线滨州路站
一
关键词
城 市轨道交通 ， 盾构 隧道 ， 土压力 ， 拟计算 模
Ｔ ３ ；Ｕ ５ ．３ Ｕ４ ２ ４５４
成山路站盾构隧道为实例 。为 了检验计算的可靠
中圈分类号
性， 还进行了实际监测 。在计算 中采用 Ｆ Ａ ３ Ｌ Ｃ Ｄ软 件对区间的盾构 隧道施工过程进行模 拟计算 ， 模拟
分程序， 采用显式有 限差分 格式来 求解 场的控制微
ｏ ｈ ｒｎ ．ｓ ｅ ａ ｎ ｅｓｄ ｆｓ ｉｌ ｃ ｉｅ ｂ ｓ ｆｔｅ ｆｏ ｔ ｉ ｎｄ ｕ ｄ ｒｉｅ ｏ ｈｅｄ ｍａ ｈｎ ｙ ｕ ｉ ｄ ｇ ｎ
盾构施工过程中的土压力分析与防护措施研究
盾构施工过程中的土压力分析与防护措施研究1. 盾构施工过程中的土压力分析在盾构施工过程中，土压力是一个重要的考虑因素，对于施工的安全和效率有着重要的影响。
土压力的分析主要包括土压力的大小、分布规律以及对结构的影响等方面。
首先，土压力的大小与盾构施工过程中的一些因素有关，如盾构机的土压传递系数、盾构机的推进速度、土的物理力学特性等。
通过分析这些因素，可以预估土压力的大小，并根据需要进行调整。
其次，土压力的分布规律是关键。
在盾构施工过程中，土的变形和排土方式会产生不同的土压分布规律。
通过数值模拟或实验方法，可以研究土压力在盾构前后的变化情况，以及在不同位置的变化规律，从而为施工过程的优化提供依据。
最后，土压力对结构的影响也需要进行研究。
土压力会对盾构管片和衬砌结构产生力学效应，在设计时需要考虑这些力学效应的影响。
通过力学分析和有限元模拟等方法，可以评估土压力对结构的影响程度，从而指导结构的设计与防护。
2. 盾构施工过程中的土压力防护措施研究为了保证盾构施工的安全和效率，需要采取一系列的土压力防护措施。
这些措施包括土体预处理、土压控制、支护系统设计等方面。
首先，土体预处理是为了降低盾构施工过程中的土压力。
通过预处理土体，如预紧固压实、注浆固结等方法，可以提高土体的稳定性和耐水性，从而减小土压力。
此外，合理选择盾构机的推进速度和土压传递系数，也可以有效控制土压力的大小。
其次，土压控制是重要的防护措施。
在盾构施工过程中，采用合理的土压平衡技术，如挡土墙、拱形支护等，可以减轻土压力对盾构机的影响，保证施工的安全性。
此外，控制排土方式和排土量，也可以有效降低土压力。
最后，支护系统设计是土压力防护的关键。
通过设计合理的盾构衬砌结构和支护系统，可以减少土压力对结构的影响。
结构的材料选择、截面形状、连接方式等都需要考虑土压力的作用，从而保证结构的稳定和安全。
综上所述，盾构施工过程中的土压力分析与防护措施研究是保证施工安全和效率的重要一环。
盾构过程中土压力的计算与控制
盾构过程中土压力的计算与控制土压平衡盾构机工作面土压力及计算在城市市区内进行地铁、上下水管道、电力、通信、输气、共同沟以及地下道路的隧道工程中，具有施工机械化程度高、对周围环境影响小、施工快速等优势的盾构施工技术近年来得到广泛应用。
盾构施工中，开挖面的稳定是通过压力舱的支护压力得以实现的，开挖面支护压力过大会造成地表隆起，而压力过小，容易导致地表沉陷甚至坍塌。
土压平衡盾构机工作面土压力及计算土压平衡式盾构机主要由盾体、刀盘、螺旋输送机、推进装置等构成。
施工过程中，推进液压缸驱动盾构机向前推进，刀盘切削下的泥土充满密封仓和螺旋输送机壳体内的全部空间，形成一定的土压来平衡开挖面土层的水土压力，以此来保持开挖面土层的稳定和防止地表变形，开挖下来的泥土通过螺旋输送机排出盾体。
一、土压力的控制和分类1.控制：土压平衡盾构利用开挖的泥土支撑挖掘面，通过调节盾构推进速度和螺旋机转速和出土量来控制土仓的土压。
使土仓中的土压力与地下水土压力相平衡，以防止开挖崩塌和将地表沉降限制在允许范围内。
2.分类：静止土压力、被动土压力、主动土压力。
（重点）2.1主动土压力：挡土结构物向离开土体的方向移动，致使侧压力逐渐减小至极限平衡状态时的土压力，它是侧压力的最小值。
2.2被动土压力：挡土结构物向土体推移，致使侧压力逐渐增大至被动极限平衡状态时的土压力，它是侧压力的最大值。
土压平衡盾构机工作面土压力及计算2.3 静止土压力：土体在天然状态时或挡土结构物不产生任何移动或转动时，土体作用于结构物的水平压应力二、土压力平衡主动土压力＜土仓压力＜被动土压力•盾尾注浆的分类：三、土压力的计算（重点）根据土力学原理，可以将盾构机的刀盘近似为挡土墙，然后根据挡土墙理论分析掘进工作面的压力分布特性。
如图l 所示，根据土力学理论，天然土体内垂直静止土压力为σz ＝γz （1）（1）式中σz 为垂直静止土压力，γ为土的容重，z 为埋置深度。
而垂直于侧面的法向应力为静止侧压力σx ＝k 0 γz （2）（2）式中σx 为水平静止土压力，k 。
盾构施工土压力确定
（5-2）地层考虑，水平侧向力系数 q 取 1/3～1/2，初步确定采用深埋隧道土压力计算
土压。
地层的水平侧向力为：
σ = 水平侧向力 q×0.41×1.79Sω =（1/3～1/2）×0.41×1.792(1+0.1（6.3-5）)kg/cm2
=0.049～0.074Mpa
由于全风化泥质粉砂岩以及残积土层的透水性差，在考虑地层水压力时 q 取 0.1，
σw 刀盘前=q ×γh=0.1×1×20=0.2 kg/cm2=0.02 Mpa
考虑 0.010～0.020Mpa 的压力值作为调整值来修正施工土压力，即σ调整=0.010～
0.020Mpa。 σ初步设定=σ水平侧向力＋σ水压力＋σ调整 =0.079～0.10 Mpa。 采用此土压力值，盾构穿越该区段的地表
59.7
0.30
55
0.43
220
稍密）
残积土（硬塑、
5-2
1.99 4.23
40.0
17.3
121
0.28
70
0.39
300
中密）
6 岩石全风化带 1.95 3.93
37.0
16.7
125
0.25
100
0.33
350
7 粉土（强风化） 1.92 3.16
70.5
30.4
220
4.2 盾构穿越建筑物密集群地段
q—根据围岩级别确定的水平侧压力系数，具体见表 1：
表1
围岩分类
Ⅰ～Ⅱ
水平侧压力系数 q
0
2.2 浅埋隧道的土压计算
水平侧压力系数表
Ⅲ
Ⅳ
1/6
1/6～1/3
Ⅴ 1/3～1/2
盾构机土压力计算
城市地铁盾构施工土压力选择随着北京2008年申奥成功，我国的城市地铁施工必将走向了一个崭新的一页。
城市地铁盾构施工具有快速、安全、对地面建筑物影响小等诸多优点，已经被越来越多的人们所认可。
在城市地铁盾构施工中，如何设置合理的土压，对于控制地表沉降有着至关重要的意义。
一、土压平衡复合式盾构机三种工况的简要介绍土压平衡复合式盾构有三种工况，即敞开式、半敞开式、土压平衡三种掘进模式。
地层围岩条件较好时，螺旋输送机伸入土仓，螺旋输送机的卸料口完全打开，土仓内不保持土压，维持刀盘、土仓、螺旋输送机之间的完全敞开，实现敞开式模式掘进。
当围岩稳定性变坏，工作面有坍塌时或有坍塌的可能，或地下涌水不能得到有效控制时，缩回螺旋输送机，关闭螺旋输送机的卸料口，压入压缩空气，土仓会被压力封闭，控制地下水的涌出，防止坍塌的进一步发生，即可实现半敞开式掘进模式；若水压力大或工作面不能达到稳定状态，则先停止螺旋输送机的出碴，切削下来的碴土充满土仓。
与此同时，用螺旋输送机排土机构，进行与盾构推进量相应的排土作业，掘进过程中，始终维持开挖土量与排土量的平衡来维持仓内碴土的土压力。
以土仓内的碴土压力抗衡工作面的土体压力和水压力，以保持工作面的土体的稳定，防止工作面的坍塌和地下水的涌出，从而使盾构机在不松动的围岩中掘进，确保不产生地层损失，实现土压平衡掘进模式。
二、掘进土压力的设定在选择掘进土压力时主要考虑地层土压，地下水压（孔隙水压），预先考虑的预备压力。
2.1地层施工土压在我国铁路隧道设计规范中，根据大量的施工经验，在太沙基土压力理论的基础上，提出以岩体综合物性指标为基础的岩体综合分类法，根据隧道的埋资深度不同，将隧道分为深埋隧道和浅埋隧道。
再根据隧道的具体情况采用不同的计算方式进行施工土压计算。
2.1.1深埋隧道与浅埋隧道的确定深、浅埋隧道的判定原则一般以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。
深埋隧道围岩松动压力值是根据施工坍方平均高度（等效荷载高度）确定的。
盾构隧道荷载计算方法
盾构隧道荷载计算方法我折腾了好久盾构隧道荷载计算方法，总算找到点门道。
咱先说说土压力这一块的荷载计算吧。
一开始我真是瞎摸索，就知道土压力肯定和土的重量啊，隧道的深度之类的有关系。
我做过这么个尝试，就按照土力学里最基础的公式来算静止土压力，也就是认为土层是静止不动的这么个状态去计算压力。
我就把土的重度，隧道埋深那些数值往里套，感觉挺简单的是不？但实际上，这可差点让我吃了大亏。
后来我才发现这种计算方法太理想化了，像在软土地层里就非常不准确。
再来说说盾构推进过程中的附加荷载。
这个就很复杂啦。
你可以想象盾构机就像个在土里慢慢往前挤的大虫子。
我试过很多方法去估算这个附加荷载。
我有一次按照平均扩散角的方法去计算附加荷载，就是假设盾构机给土层的力量是沿着一个角度扩散开的，就像是把一个东西放在沙堆上，周围的沙子呈现一定角度散开那样。
可是我在考虑土层性质的时候就搞混了，不同的土层刚度不一样，这个扩散角肯定也不一样啊，我当时就简单地用了同一个数值，结果算得那叫一个离谱。
后来我就慢慢总结出来，在计算盾构隧道荷载的时候，一定要搞清楚地层的情况。
比如地层是软土还是岩石土，这个区别可大了。
如果是软土，很可能需要考虑土体受到盾构机挤压后的变形，这个变形又会反过来影响荷载。
如果是岩石土，那可能更多要考虑岩石的节理裂隙那些状况。
关于计算水压力的荷载，这也是我走过弯路的地方。
有水的情况下可不能简单的就用静水压力的公式。
像在有渗透的情况下，水压力就不是单纯的只和水深有关系了。
我之前没考虑到这个，结果就完全不对。
就是说在实际工程中，地下水的流动啊，排水效果啊这些都会影响水压力荷载。
还有就是建筑物附加荷载。
要是盾构隧道周边有建筑物，那就得考虑建筑物的自重给地层增加的压力，以及这个压力会怎么传播到盾构隧道上。
我只记得大概的方法，就是要根据建筑物基础的类型，比如是桩基础还是筏板基础，再根据它们和隧道的相对位置啊之类的去计算。
但是这里面具体的系数和计算方法在不同规范或者实际工程里还可能有变化，这个我还不是特别确定，不过我觉得多看实际工程案例的计算书肯定能搞明白。
土压平衡盾构机土压力计算汇总课件
土压平衡盾构机土压力计算汇总课件
目录
• 土压平衡盾构机概述 • 土压力计算基本理论 • 土压平衡盾构机土压力计算 • 土压平衡盾构机土压力控制 • 土压平衡盾构机土压力计算实例
01
土压平衡盾构机概述
定义与特点
定义
土压平衡盾构机是一种隧道掘进设备 ，通过盾构机的切削和推进作用，实 现隧道挖掘和衬砌。
根据地质勘察资料和施工经验，预先 设定切口水压和排土压力的参考值， 并在推进过程中根据实际情况进行调 整。
实时反馈控制
通过传感器监测盾构机切口水压和排 土压力，以及地表沉降和隆起等参数 ，实时反馈到控制系统，对切口水压 和排土压力进行调整。
土压力控制技术
压力传感器技术
在盾构机刀盘、切口水压和排土 压力处安装压力传感器，实时监 测土压变化，为控制系统提供反
被动土压力影响因素
与土的容重、土的厚度、土的摩擦角和内摩擦角等因素有关。
静止土压力计算
静止土压力计算公式
P_s = γ * h * tan(φ)
静止土压力作用位置
在盾构机下方的土体中产生静止土压力，用于平衡下方土体的重量 。
静止土压力影响因素
与土的容重、土的厚度、土的内摩擦角等因素有关。
04
土压平衡盾构机土压力控制
土压力控制原理
土压力平衡
土压平衡盾构机通过控制切口水压和螺旋输送器的排土压力，使开挖面土压与盾 构周围土压保持平衡，以减少地表沉降和隆起。
土压力分布
土压力在盾构机推进过程中是动态变化的，根据地质条件、推进速度和切削刀具 状态等因素，合理调整切口水压和排土压力，确保土压力的稳定。
土压力控制策略
预设值控制
特点
土压平衡盾构机具有对地层适应性较 强、施工效率高、对周围环境影响较 小等优点，广泛应用于地铁、铁路、 公路等隧道工程建设。
目录
• 土压平衡盾构机概述 • 土压力计算基本理论 • 土压平衡盾构机土压力计算 • 土压平衡盾构机土压力控制 • 土压平衡盾构机土压力计算实例
01
土压平衡盾构机概述
定义与特点
定义
土压平衡盾构机是一种隧道掘进设备 ，通过盾构机的切削和推进作用，实 现隧道挖掘和衬砌。
根据地质勘察资料和施工经验，预先 设定切口水压和排土压力的参考值， 并在推进过程中根据实际情况进行调 整。
实时反馈控制
通过传感器监测盾构机切口水压和排 土压力，以及地表沉降和隆起等参数 ，实时反馈到控制系统，对切口水压 和排土压力进行调整。
土压力控制技术
压力传感器技术
在盾构机刀盘、切口水压和排土 压力处安装压力传感器，实时监 测土压变化，为控制系统提供反
被动土压力影响因素
与土的容重、土的厚度、土的摩擦角和内摩擦角等因素有关。
静止土压力计算
静止土压力计算公式
P_s = γ * h * tan(φ)
静止土压力作用位置
在盾构机下方的土体中产生静止土压力，用于平衡下方土体的重量 。
静止土压力影响因素
与土的容重、土的厚度、土的内摩擦角等因素有关。
04
土压平衡盾构机土压力控制
土压力控制原理
土压力平衡
土压平衡盾构机通过控制切口水压和螺旋输送器的排土压力，使开挖面土压与盾 构周围土压保持平衡，以减少地表沉降和隆起。
土压力分布
土压力在盾构机推进过程中是动态变化的，根据地质条件、推进速度和切削刀具 状态等因素，合理调整切口水压和排土压力，确保土压力的稳定。
土压力控制策略
预设值控制
特点
土压平衡盾构机具有对地层适应性较 强、施工效率高、对周围环境影响较 小等优点，广泛应用于地铁、铁路、 公路等隧道工程建设。
土压平衡盾构土压平衡理论分析与计算
条件 是 渣 土进 行 了 良好 改 良，土 压 能够 有 效传 递 ，土舱 内土压 力 与开 挖 面后 方 （ 刀 盘前 方 ）同一深 度 的 土压 力 相 同 ，刀盘 面 板 的支 撑作 用 不 予考 虑 ，改 良后 的渣 土 内
高度 的 讨 论 ，提 出一 种 简化 的隧 道施 工 扰 动 范 围判 断方
２ ０ １ ７ 年 第Ｏ ６ 期
（ 总 第 ３ ９ ３ 期 ）
・ 黎 南 妻 ｇ 热 末
（ Ｃ ｕ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｎ ｔ Ｏ ｙ Ｎ ． ０ Ｏ ６ ． ２ ０ １ ７ ３ ９ ３）
．
土压平衡盾构 土压 平衡理论 分析与 计算
王 国义
（ 中电建成都建设 投 资有 限公 司，四川 成都 ６ １ ０ ２ １ ２）
保 证地 表 及 建 （ 构 ）筑物 安 全 ，土压 平 衡 盾构 水 土压 力 计算 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 。
１ 土 压平 衡盾 构原理 及分析
土 压平 衡 盾构 机 是利 用 安装 在 盾 构最 前 面 的全 断面 型 试 验 ， 获 得 土 压 平 衡 盾 构 掘 进 对 地 层 影 响 的 一 般 规 切 削 刀 盘 ，将 正 面 土体 切 削 下 来 ，进 入 刀 盘 后 面 的土 律 。王 洪 新等 提 出土压 平 衡 盾构 在 掘 进 时有 两 种平 衡 状 舱 ，并使 土舱 内的 土压 力 与开 挖 面 的水土 压 力相 平衡 ，
法 。邹春 华等 认 为 由于 刀盘 挤 压 作 用 ，土 舱压 力 不等 于
掘 进 面 土压 力 ，提 出基 于位 移 反 分 析法 的盾构 掘 进面 土 摩 擦 角为 ０ ，无凝 聚力 ，无 渗透 性 。螺旋输 送机 的排土 不 压 力 计算 方 法 。 张子 新 等通 过 对 国 内外 盾 构隧 道 开挖 面 会 影 响 开挖 面 的平 衡 。盾 构 开挖 侧面 土 压力 计 算采 用 朗 支 护压 力６ 种 计算 方法 的综 合 比较 和分 析 ，提 出 了适 用于 肯土 压 力计 算 公 式 。盾构 掘进 过 程 中 ，当土 舱 内土 压 力 黏 性 土地 层 的开挖 面 支 护压 力 计 算 简化 方 法 。 以上学 者 小 于开 挖面 的主动 水 土压 力 ，开 挖 面及 以外 的土体 将 向
盾构施工中相关计算
盾构施工中相关计算土仓压力的计算出土量的计算每环注浆量的计算注浆速度的计算对土压平衡式盾构而言，一个重要的因素就是要使密封仓的土压力和开挖面的水土压力保持动态平衡。
如果密封仓的土压力大于开挖面的水土压力，地表将发生隆起;反之，如果密封仓的土压力小于开挖面的水土压力，地表将发生沉陷，通过最近的学习和资料的收集，对现有的地仓压力计算作一下结合。
已便结合以后施工提供数据，将理论与实践结合，得到适合地区的土仓压力计算模型。
1.土仓压力设定的原则在盾构施工过程中，掘进时土压力设定的通用原则:在选择掘进土压力时主要考虑地层土压力、地下水压力(孔隙水压力)，并考虑预备压力;土仓的土压力可以维持刀盘前方的围岩稳定，不致于因土压偏低造成土体坍塌、地下水流失;为了降低掘进扭矩、推力，提高掘进速度，减少土体对刀具的磨损，土仓的土压力应尽可能得低，以使掘进成本最低。
总体而言，土仓压力控制如下图所示：土压平衡盾构正面推进力可表示为：()i z w N P P P =-+式中： i P — 密封舱土压力，kPa;z P — 开挖面侧向静止土压力，kPa; w P — 开挖面水压力，kPao为使开挖面保持稳定，理论上应尽量满足0N =。
2.土仓压力计算通常在设定土仓压力时主要考虑地层土压力、地下水压以及预先考虑的预备压力。
地层土压力的计算：地层土压力的计算是最为复杂，采用不同的计算模型就会有不同的结果，根据高等土力学中的知识，可以选择以下三种计算方法：静止土压力在静止的弹性平衡状态下天然土体的土压力，在深度z 处，其竖直面的应力，即静止土压力为：0z k z σγ=式中： γ— 土的有效重度，3/kN m ；z — 埋深，m ；0k — 土的静止侧压力系数静止侧压力系数0k 的数值可通过室的或原位的静止侧压力试验测定，在施工岩土勘察报告中均会给出。
0k 也可按经验确定:砂0.34-0.45;硬粘土、压密砂性土0.5-0.7;极软粘土、松散砂性土0.5--0.7。
盾构机掘进工作面土压力计算方法比较分析
2 基于弹性力学理论的土压力计算方法
比较准确估计掘进工作面的土压力，对于合 理设置盾构机密封舱土压力有着重要的影响． 如 图 1 所示，盾构在掘进隧道经常穿越不同的土层， 其上敷土层的物理力学性质也不尽相同，并且常 常遇到地下水的存在，又将土层分为饱和土层和 非饱和土层，使得掘进工作面的土压力计算比较 复杂． 将天然状态下的土体近似为弹性变形体，基 于弹性力学理论得到的任意埋深条件下的垂直土 压力为
（ 3）
式中 ρw 为浸润面以下土体的湿密度，ρd 为浸润
面以上土体的干密度，w 为土体的含水量，单位
为% ．
3 基于土力学理论土压力方法
在土体自重作用下，土体中的所有垂直面和 水平面都是主应力面． 根据土力学理论，天然土体
内垂直静止土压力为
∑ pv =
γi hi
（ 4）
式中 γ 为土的容重． 对比式（ 1） 和（ 4） ，可以发现，
4 粉质壤土 21. 8 17. 1 20. 74 10. 94 19. 3 0. 30
表 4 不同计算方法土压力计算结果对比
埋深 / m 弹性力学解 / kPa 土力学解 / kPa 叠加原理解 / kPa
10
81. 318
88. 542
113. 042
15
135. 463
135. 802
186. 273
计算土压力和水压力，然后二者线性迭加，其中土
的容重按浮容 重计算． 土水压力迭加表达式如下
ph = pe + pw
（ 7）
增刊 1
上官子昌，等： 盾构机掘进工作面土压力计算方法比较分析
·113·
表 2 土体的强度指标值
土层
粘聚力（ kpa） 摩擦角最大值（ 度）
比较准确估计掘进工作面的土压力，对于合 理设置盾构机密封舱土压力有着重要的影响． 如 图 1 所示，盾构在掘进隧道经常穿越不同的土层， 其上敷土层的物理力学性质也不尽相同，并且常 常遇到地下水的存在，又将土层分为饱和土层和 非饱和土层，使得掘进工作面的土压力计算比较 复杂． 将天然状态下的土体近似为弹性变形体，基 于弹性力学理论得到的任意埋深条件下的垂直土 压力为
（ 3）
式中 ρw 为浸润面以下土体的湿密度，ρd 为浸润
面以上土体的干密度，w 为土体的含水量，单位
为% ．
3 基于土力学理论土压力方法
在土体自重作用下，土体中的所有垂直面和 水平面都是主应力面． 根据土力学理论，天然土体
内垂直静止土压力为
∑ pv =
γi hi
（ 4）
式中 γ 为土的容重． 对比式（ 1） 和（ 4） ，可以发现，
4 粉质壤土 21. 8 17. 1 20. 74 10. 94 19. 3 0. 30
表 4 不同计算方法土压力计算结果对比
埋深 / m 弹性力学解 / kPa 土力学解 / kPa 叠加原理解 / kPa
10
81. 318
88. 542
113. 042
15
135. 463
135. 802
186. 273
计算土压力和水压力，然后二者线性迭加，其中土
的容重按浮容 重计算． 土水压力迭加表达式如下
ph = pe + pw
（ 7）
增刊 1
上官子昌，等： 盾构机掘进工作面土压力计算方法比较分析
·113·
表 2 土体的强度指标值
土层
粘聚力（ kpa） 摩擦角最大值（ 度）
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1引言
在盾构机掘进隧道工程中，掘进工作面土压 力的大小直接影响着地表的变形，如果该值过小， 将会引起地表的沉降，严重时导致地表建筑物的 倾斜甚至坍塌； 相反，如果该值过大，将会引起地 表的隆起，使得地面产生裂缝，同样会引起建筑物 的破损． 因此，对掘进工作面土压力的准确计算问
基金项目： 国家重点基础研究发展规划项 目 （ 2007CB714006 ） ， 国家自然科学基金资助项目（ No． 90815023） ．
基于弹性力学和土力学理论所得到的垂直土压力 相同，而基于土力学理论的垂直于刀盘的法向应
力为静止侧向土压力
ph = kopv
（ 5）
式中 ko 为土的静止侧压力系数，对于砂土可取经
验值 0. 34 ～ 0. 45，黏性土 0. 50 ～ 0. 70，或者按照
半经验公式计算
ko = 1 － sinφ
（ 6）
20
189. 608
183. 063
259. 504
25
234. 051
253. 002
345. 560
图 2 土压力和水压力计算模型
式中 pe 为土压力，pw 为水压力． 土压力可以表示
为
[ ∑ ∑ ] ph = ko
j=m
i=n
γdj hj +
γfi hk
（ 8）
j =1
i =1
式中 m 为浸润面以上土层的数目，n 为浸润面以
·112·
哈尔滨工业大学学报
第 43 卷
性的研究工作［2］． Chambon 提出了稳定系数来评 判开挖面稳定性的方法［3］． Anagnostou 提出了土 压平衡盾构机掘进工作面稳定性条件和计算模 型［4］． 胡新朋利用 ANSYS 建立了三维有限元模 型，对质构极进过程进行了模拟，对土仓压力高 低与地表隆沉之间的关系作了定性分析，依据土 仓压力偏高或偏低对工程的实际影响和危害，提 出了在富水软土地层土仓压力设里的原则［5］． 黄 正荣通过数值模拟分析了支护压力与开挖面变形 及稳定系数的关系，研究了地下水位和土层参数 对开挖面极限支护压力的影响，给出了合理的开 挖面支护压力，并结合某工程实例进行了分析，得 出了一些有用的结论［6］ ． －［7］ 由于掘进工作面的 稳定性对于隧道开挖安全性有着十分重要的影 响，因此，国内外许多研究者进行了大量的研究工 作，取得了可喜的研究进展［8］ ． －［11］ 但是，掘进工 作面土压力不同计算方法之间的相同点和差异的 研究进行的对比研究的较少，并且对其理论基础 分析不透彻． 本文的目的在于建立三种计算方法 的理论基础和分析三种计算方法的相同点和不同 之处，讨论各种方法的适用范围，研究合理确定掘 进工作面土压力的计算问题．
1. 0
35
较细的砂砾和沙的混合体
3ห้องสมุดไป่ตู้ 0
28
细沙粒
－
32
粗沙粒
－
34
级配良好的沙粒
－
33
低塑性泥沙
2. 0
28
中 － 高塑性泥沙
3. 0
25
低塑性粘土
6. 0
24
中塑性粘土
8. 0
20
高塑性粘土
10. 0
17
有机淤泥或粘土
7. 0
20
种模型得到的掘进机刀盘上的土压力分布．
表 3 土层的物理力学参数
Comparison analysis for computing earth pressure acted on excavation face in shield tunneling
SHANGGUAN Zi-chang1，2 ， LI Shou-ju3 ， SUN Wei4 ， LUAN Mao-tian1 ， KANG Chen-gang3
1840
0. 3 － 0. 45
密实含角砾淤泥质砂土
1940
0. 2 － 0. 4
硬质粘土
1730
0. 2 － 0. 5
软质粘土
1170 － 1490
0. 15 － 0. 25
表 1 给出了常见土层的干密度和泊松比，对
于含水土层，当已知土体的干密度和含水量时，可
以按下式计算其湿密度
ρw = （ 1 + w） ρd
计算土压力和水压力，然后二者线性迭加，其中土
的容重按浮容 重计算． 土水压力迭加表达式如下
ph = pe + pw
（ 7）
增刊 1
上官子昌，等： 盾构机掘进工作面土压力计算方法比较分析
·113·
表 2 土体的强度指标值
土层
粘聚力（ kpa） 摩擦角最大值（ 度）
沙砾
－－
34
无细沙的沙性砂砾
－
35
粘性良好的沙性砂砾
（ 1． School of Civil and Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China； 2． Institute of Civil Engineering Dalian Fishery University，Dalian 116024，China； 3． State Key Laboratory
含水量 干容重 湿容重 浮容重
土层编号
/% /kN /m3 kN /m3 kN /m3 摩擦角 泊松比
1 砂壤土 20. 1 15. 3 18. 48 8. 68 27. 1 0. 35 2 粉砂 23. 9 15. 1 18. 61 8. 81 29. 8 0. 30 3 中砂 19. 2 16. 8 20. 11 10. 311 31. 9 0. 35
2 基于弹性力学理论的土压力计算方法
比较准确估计掘进工作面的土压力，对于合 理设置盾构机密封舱土压力有着重要的影响． 如 图 1 所示，盾构在掘进隧道经常穿越不同的土层， 其上敷土层的物理力学性质也不尽相同，并且常 常遇到地下水的存在，又将土层分为饱和土层和 非饱和土层，使得掘进工作面的土压力计算比较 复杂． 将天然状态下的土体近似为弹性变形体，基 于弹性力学理论得到的任意埋深条件下的垂直土 压力为
4 粉质壤土 21. 8 17. 1 20. 74 10. 94 19. 3 0. 30
表 4 不同计算方法土压力计算结果对比
埋深 / m 弹性力学解 / kPa 土力学解 / kPa 叠加原理解 / kPa
10
81. 318
88. 542
113. 042
15
135. 463
135. 802
186. 273
式中 φ 为土的有效内摩擦角，表 2 给出了土体的
强度指标值．
4 土水压力叠加计算方
图 1 土压力计算的基本模型
∑ pv = ρi ghi
（ 1）
式中 ρ 为土体的密度，g 为重力加速度，h 为
如图 2 所示，将土体分为饱和区和非饱和区，
也就是地下水位以上的土层只计算土压力，其中
土的容重按干容重计算； 而地下水位以下的分别
下土层的数目，γd 为土体的干容重，γf 为土体的
浮容重．
γf = γw － γwa
（ 9）
式中 γw 为土体的湿容重，γwa为水的容重． 水压力
可以表示为
pw = ρghw
（ 10）
式中 hw 为土体内浸润线以下埋深．
5 数值算例
如图 1 所示，某盾构掘进的隧道位于饱和土 层中，盾构直径 6. 28m，4 种土层物理力学参数如 表 3 所示，其中，h1 = 5m，h2 = 5，h3 = 10，h4 = 10m， 地下水水位 5m，分别采用以上提出三种计算方法 模拟得到的掘进工作面的土压力如表 4 所示； 图 3，4 和 5 分别给出了盾构机中心埋深 20m 时，三
埋深，pv 为垂直土压力，i 为土层编号． 根据弹性 力学理论其水平土压力，也就是在由于盾构机刀
盘的土压力为
ph
=1
μi －μ
i
p
v
（ 2）
式中 ph 为水平土压力，μ 为土体的泊松比．
表 1 常见土层的干密度和泊松比
土层
干密度（ kg / m3 ）
泊松比
松散均质砂土
1470
0. 2 － 0. 4
密质均质砂土
图 3 刀盘土压力分布（ 模型 1）
（ 1． 大连理工大学 土木水利学院，大连 116024； 2． 大连海洋大学 土木工程学院，大连 116024； 3． 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，大连 116024； 4． 大连理工大学 机械工程学院，大连 116024）
摘 要： 合理确定掘进工作面的土压力对于准确设定土压平衡盾构机密封舱的土压力以及有效控制隧道掘 进过程中地表变形是十分重要的． 基于弹性力学理论、土力学原理和迭加原理，分别建立了掘进工作面土压 力三种计算模型． 结合某工程实例，分析了三种计算方法的异同点． 研究表明，基于弹性力学理论和土力学原 理所得到的解基本相近； 而采用土压力与水压力分开计算然后叠加方法所得到的解在极限条件下比前两种 方法大 50% ． 关键词： 土压力； 土力学； 弹性力学； 叠加原理； 盾构机 文章编号： 0367 － 6234（ 2011） 增刊 1 － 0111 － 04
Abstract： It is very important to determine earth pressure acted on excavation face in shield tunneling for evaluating earth pressure in the head chamber of shield and controlling ground surface deformation in shield tunneling． Based on the elastic mechanics and soil mechanics principles，the computing models for determining earth pressure are proposed to simulate earth pressure acted on excavation face in shield tunneling． The similar and different points of three models are discussed by combining some practical engineering case． The investigation results show that the solution of the superposition principle is larger about 50% than the solutions of both elastic mechanics and soil mechanics principles． Key words： earth pressure； earth mechanics； elastic mechanics； superposition principle； shield machine