不同土层下泥水盾构施工参数研究计算表格

对不同土体参数盾构施工地表沉降数值分析兰庆男【摘要】以盾构法施工隧道为研究对象,采用Flac3d软件模拟盾构开挖过程,基于摩尔-库伦屈服模型,应用控制变量法分别对不同弹性模量、内摩擦角、粘聚力、膨胀角和泊松比土体进行模拟.结果表明:地表沉降槽近似正态分布曲线,隧道围岩的弹性模量和黏聚力越大,地表沉降越小;泊松比、内摩擦角和膨胀角越大,地表沉降也越大,提出通过减少围岩扰动和提高围岩性质两种控制盾构隧道地表沉降的方法.【期刊名称】《浙江交通职业技术学院学报》【年(卷),期】2018(019)003【总页数】4页(P1-3,7)【关键词】浅埋盾构隧道;地表沉降;控制方法;摩尔-库伦模型【作者】兰庆男【作者单位】石家庄铁道大学土木工程学院 ,石家庄050043【正文语种】中文【中图分类】U456.30 引言地表沉降在盾构施工中难以避免，过大的地表沉降会影响临近建筑物及管线的正常使用。

为了减小这种不良影响，必须对地表沉降进行准确地预测，及时加以控制。

Flac3d软件能较好的模拟地质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三维力学行为，也可用来模拟三维的土体和岩体的力学特性，尤其是达到屈服极限时，能更好的模拟塑性流变特性[1]。

把Flac3d软件和盾构隧道施工过程有机结合起来，模拟盾构隧道施工所引起的地表沉降，可以达到良好的效果，也可为类似工程问题提供经验。

赵耀强等[2]针对北京、杭州、南京和上海4个典型地区，利用Flac3d软件建立盾构始发三维模型，总结出各典型地区盾构始发施工对地表变形的影响规律。

刘继峰等[3]弹塑性力学的Lame公式和Kiersch公式及摩尔-库仑屈服准则，得出适合浅埋隧道地表沉降预测的弹塑性计算式。

朱才辉等[4]针对盾构施工工艺诱发地层沉降规律的影响，提出了间隙参数计算方法及修正等代层模型。

李小青等[5]分析盾构隧道引起的土体应力场、位移场变化，对比分析不同的地层损失、不同的土体本构模型、土体排水和不排水条件下隧道施工引起的地表沉降变形规律，提出了盾构隧道施工引起的地表沉降计算模型。

3.19545°+27°2B1=2+R45°-K0φHBe·у+BH-K0φ·B1·уC1-eφ5.71φ°盾构施工关键参数的计算1）计算依据盾构掘进机选型主要性能参数的计算，根据工程和水文地质情况、盾构机厂商提供的结构和性能参数，参考有关资料进行。

2）计算内容盾构机的主要参数计算主要为土压平衡工况下盾构机推力和扭矩的计算。

⑪在软土中推进时，盾构机所需推力的计算地质参数选取：岩土容重γ=2.0t/m3岩土内摩擦角φ=27°土的粘聚力 C=30Kpa=3.0t/m2覆盖层厚度最大：H max=20.3m；最小H min=10.0m地面上置荷载 Po=2t/m2水平侧压力系数λ=0.62盾构掘进机外径 D=6.39m盾构掘进机总长 L=7.755m盾构掘进机总重 W=300t管片每环的重量 W g=19.29t水平垂直土压之比 K o=1由于隧道沿线的埋深差别不大，最大处为20.3m，最小为10.0m，因此，计算最大埋深处的松动土压和两倍盾构掘进机直径的全土柱高产生的土压，并取其中的较大值作为作用于盾构掘进机上的土压计算：松动高度计算：1×tg27° 0-1×tg27°× 5.71)(20.32.002+ e 20.3( )5.71-1×tg27°× ×1-e 3.05.71×2.0.5.71 (1- )h = =7.08m )(.式中：松动土压P S P S =γh 0=2×7.08=14.16t/m 2两倍盾构掘进机直径的全土柱土压： P q =γh 0式中：h 0=2D=2×6.39=12.78m P q =γh 0=2×12.78=25.56t/m 2 由于P q ＞P S所以，取P q 计算。

2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理傅德明上海市土木工程学会1土压平衡盾构的结构原理进行叙所以图2土Array 1.1.2.有关。

1.1.2.1(1)(2)①面板：土质条件②③盾尾密封：特别重要的是对于地下水压、壁后注浆压应具有良好的密封性，为了提高止水性能，止水带的设置层数不能太少。

④土压计：为测量土舱内的泥土压力，必须选用精度高、耐久性好的优质产品，并设置在适当的位置上。

⑤千斤顶安全锁：在开挖面土压力作用下，盾构始终受到正面土压作用，为了在管片组装等推进停止过程中盾构机不发生后退，液压系统应设置销定装置。

(3)掘削面稳定测量为了判断开挖面的稳定性，可在盾构上装设土压、排土量、刀盘扭矩、盾构千斤顶推力等计测仪器和开挖面坍塌探测仪等。

通过实测数据的分析，判断掘削面的稳定状况。

(4)添加材注入装置土压平衡式盾构上的加材注入装置由添加材注入泵、设置在刀盘和土舱内等处的添加材注入口等组成。

注入位置、注入口径、注入口数量应根据土质、盾构直径、机械构造进行选择。

因注入口被土砂堵塞时，修理、清扫等都很困难，故应采用防堵结构。

添加材注入装置必须能跟踪刀盘扭矩的变动，及时改变注入材料在地层中的渗透，排出碴土的状态，土舱内的泥土压等参数，即调节注入压和注入量。

(5)搅拌装置搅拌装置必须在刀盘的开挖部位，取土部位有效地使土砂进行相对运动，防止发生共转、粘附、沉积等现象。

搅拌装置有以下几种，可单独使用，也可组合使用。

①刀盘(刀头、轮辐、中间梁)。

②刀盘背面的搅拌翼。

③调协在螺旋排土器芯轴上的搅拌翼。

④设置在隔壁上的固定翼。

⑤独立驱动搅拌翼。

(6)①②③④⑤的设备。

1.2细-2cm/s)，1.2.1(1)刀盘:设计原是图3刀盘和液压驱动,图4螺旋输送机(2)排土机构:由螺旋碴土输土机、排土控制器及泥土输出设备构成。

(3)土体搅拌机构1.2.2运行管理这里只介绍掘土量和排土量的运行管理，其目的是确保掘削面稳定。

避免地层沉降过大给邻近构造物带来的不良影响。

上软下硬段盾构掘进参数总结此处选择下行线在上软下硬段掘进中二种地层形式进行分析，一种为掌子面在砂砾石与泥质粉砂岩中的比例介于2:1~1:1之间的地层中，另一种为掌子面在砂砾石与泥质粉砂岩中的比例为小于1:1地层中。

1盾构推力总推力是评价土压平衡盾构工作性能的重要指标，在掘进过程中一般是动态变化的，不同地层条件下会表现出不同的变化规律。

图3-1 盾构推力变化情况盾构推力统计情况通过对前200环主要地层的盾构总推力统计分析可以看出：随着砾砂层比例的减少和泥质粉砂岩比例的增加，总推力呈现很明显的上升的趋势，且从50环开始，总推力都在16000KN附近波动，且波动较小；从150环开始，总推力都在18000KN附近波动，且波动较小。

2刀盘扭矩土压平衡盾构的刀盘扭矩是保证盾构正常推进的关键参数之一。

图3-2 刀盘扭矩统计盾构刀盘扭矩在掘进过程中也是动态变化的，通过对前200环的统计分析结果可以看出：与总推力变化规律相似，随着砾砂层比例的减少和泥质粉砂岩比例的增加，刀盘扭矩也呈现很明显的上升的趋势，从50环至120环盾构所处地层变化不大，此时的刀盘扭矩在3000 KN﹒m附近浮动且较为稳定。

从121环至200环的刀盘扭矩在3000 KN﹒m附近浮动但变化值比较大。

比较两种地层中刀盘扭矩数据的标准差可知，前50环的离散性较大。

3土仓压力土仓压力，是土压平衡盾构原理应用的重要参数体现，其大小直接影响到掌子面前方土压是否能够平衡，土体发生何种破坏。

它是控制地层损失、减小地层变形的主要手段。

（1）理论土压力计算选取下行线47环管片附近的地层作为计算的对象。

该段掘进区域内的地层主要有细砂、圆粒、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。

地下水位表面距隧道顶部距离约为6.2m左右。

首先根据中子区间的线路纵断面图以及地质勘查报告可确定该里程处的土层分布以及其地层参数，见表1。

表1 地层计算参数表地层厚度H（m）隧道直径D（m）侧压力系数K内摩擦角（°）重度（N/m³）杂填土 1.9 6.28 19400 粉质粘土 5.7 6.28 20 19400 细砂8 6.28 0.33 36 9300 圆砾 2.7 6.28 0.36 40 10000 强风化泥质粉砂岩1 6.28 12000 中分化泥质粉砂岩0.5 6.28 12500图3-3 下行线47环附近地层剖面图上覆土重理论计算简图见图4-4，计算公式如下：z h （1） x K h（2） 其中z σ为竖向应力；x σ为水平应力；K 为土体侧压力系数，/(1)K ；ν为岩土泊松比；γ为土体重度；H 为上覆土层厚度。

第七节 关键参数的计算1．地质力学参数选取MCZ3-HG-063A 7-7-1，作为该标段盾32.5m ，盾构机壳体计算38.75m ，地下稳定水位2.5m 。

地质要素表 表7-7-1隧道基本上在<4－1>、<5Z-2>和<6Z-2>地层中穿过，为相对的隔水地层。

按上述条件对选用盾构的推力、扭矩校核计算如下：2.盾构机的总推力校核计算：土压平衡式盾构机的掘进总推力F ，由盾构与地层之间的摩擦阻力F 1、刀盘正面推进阻力F 2、盾尾内部与管片之间的摩擦阻力F 3组成，即按公式F=( F 1+F 2+F 3).K c式中：K c ——安全系数， 2.1 盾构地层之间的摩擦阻力F1计算可按公式 F1= *D*L*CC —凝聚力，单位kN/m 2 ，查表7-7-1，取C= 30.6kN/m2L—盾壳长度，9.150mD—盾体外径，D=6.25m得： F1=π*D*L*⋅C=3.14159⨯6.25⨯9.15⨯30.6＝ 5498 kN2.2 水土压力计算D——盾构壳体计算外径，取6.25m；L——盾构壳体长度，9.15m；pe1——盾构顶部的垂直土压。

按全覆土柱计算，为校核计算安全，采用岩土的天然密度ρ值计算。

qfe1——盾构机拱顶受的水平土压；qfe1＝λ×pe1pe2——盾构底部的垂直土压。

按全覆土柱计算，为校核计算安全，采用岩土的天然密度ρ值计算。

qfe2——盾构底部的水平土压。

qfe2＝λ×pe2qfw1——盾构顶部的水压qfw2——盾构底部的水压λ——侧压系数，取0.37；计算qfe1 qfe2qfw1qfw2pe1＝12×1.95×9.8＋13×1.88×9.8＋（32.5-12-13）×1.91×9.8 ＝609.2kN/m2pe2＝609.2 ＋6.25×1.91×9.8＝726.2 kN/m2qfe1＝0.37×609.2＝225.4 kN/m2qfe2＝0.37×726.2＝268.7 kN/m2qfW1＝(32.5-2.5) ×9.8＝294 kN/m2qfW2＝294+6.25×9.8=355.3 kN/m22.3 盾构机前方的推进阻力F 2作用于盾构外周和正面的水压和土压见图7-7-2所示。

盾构机的关键参数计算方法1.1.1.1盾构机总推力计算根据隧道工程条件，盾构主要参数计算按盾构在最大土压和水压位置进行计算。

根据招标文件和地质堪察报告按盾顶埋深22m，地下水位埋深按2m，盾构穿越地层按粉质粘土地层进行核定。

1、计算参数管片内径：Φ5500mm管片外径：Φ6200mm管片厚度：350mm管片宽度：1500mm覆土厚度：20m水头压力：200kPa土容重：粘土γ＝19.1kN/m3,粉土γ＝19.9kN/m3土的侧压力系数：0.5盾构机重量：331.7t盾构机盾壳长度：9.55m管片外径：Φg=6200mm盾构尾部的外径为：Φ6390mm盾体直径为：D 0＝6410mm钢与土的摩擦系数μ1＝0.3车轮与钢轨之间的摩擦系数μ2＝0.2每一先行刀的容许负荷pr＝150kN后配套系统G1＝160t最大推力F：42,000kN额定扭矩：5316 kNm脱困扭矩：6934 kNm2、盾构荷载计算松动圈土压，见图2.1.6-1。

按覆土厚度H0=22m计算,H1=1m,H2=12m.H3=9m①Pe1=（γ-10）H2+（γ-10）H3 +γ*H1=219.3kPa ②Pe2=Pe1-64.5=153.8kPa③④ ⑤⑥ ⑦ ⑧ ⑨图2.1.6-1 荷载计算简图3、盾构机总推力计算盾构的总推进力必须大于各种推进阻力的总和，否则盾构无法向前推进。

包括盾构外围与土的摩擦力、盾构推进阻力（正面阻力）、由先行刀挤压阻力、管片与盾尾的密封阻力、后方台车的牵引阻力。

1.1.1.2盾壳与土体的摩擦力(1)、盾构外围与土的摩擦力)4()(221101011w q p q p LD w Lp D F e e e e w ++++=+=πμπμkN 6.11047）331742.1481048.1533.21955.9*41.6*14.3(3.0＝=++++kPa p q e e 1045.0*208*11===λkPa Pe q e 2.1485.0*2195.0*45.6*12*)145.6*)10((2=+=+-=λγkPaL D G p g 02.62)0.8*45.6/(10*320*/0===11e e q qf =22e e q qf =kpa qf w 2101=kpa qf w 2752=(2)、盾构推进阻力（正面阻力）kNqf qf qf qf D F w e w e 1383922752108.1533.219*40881.41*14.32*42211202=+++=+++π＝(3)、由先行刀挤压产生的阻力kN n p F r 2700150*18*3=== (4)、管片与盾尾的密封阻力kN W M F S C 8.1418.92.51.55.5)5.5-6.22.6(41416.323.04=⨯⨯⨯⨯⨯⨯÷⨯⨯=⨯=MC -管件与钢板刷之间的摩擦阻力，取0.3 WS-压在盾尾内部2环管片的自重 (5)、后方台车的牵引阻力kN G F 3201600*2.0*＝125==μ 所需最大推力kN F F F F F F 4.280483208.1412700138396.1104754321max =++++=++++=安全系数5.14.28048/42000/＝max ==F F α 根据分项计算推力的安全系数达到1.5，可以满足掘进的需要。