土壓平衡盾構

城市地鐵盾構施工土壓力選擇

隨著北京2008年申奧成功，我國的城市地鐵施工必將走向了一個嶄

新的一頁。城市地鐵盾構施工具有快速、安全、對地面建筑物影響小等諸

多優點，已經被越來越多的人們所認可。在城市地鐵盾構施工中，如何設

置合理的土壓，對于控制地表沉降有著至關重要的意義。

一、土壓平衡復合式盾構機三種工況的簡要介紹

土壓平衡復合式盾構有三種工況，即敞開式、半敞開式、土壓平衡三

種掘進模式。地層圍巖條件較好時，螺旋輸送機伸入土倉，螺旋輸送機的

卸料口完全打開，土倉內不保持土壓，維持刀盤、土倉、螺旋輸送機之間

的完全敞開，實現敞開式模式掘進。當圍巖穩定性變壞，工作面有坍塌時

或有坍塌的可能，或地下涌水不能得到有效控制時，縮回螺旋輸送機，關

閉螺旋輸送機的卸料口，壓入壓縮空氣，土倉會被壓力封閉，控制地下水

的涌出，防止坍塌的進一步發生，即可實現半敞開式掘進模式；若水壓力

大或工作面不能達到穩定狀態，則先停止螺旋輸送機的出碴，切削下來的

碴土充滿土倉。與此同時，用螺旋輸送機排土機構，進行與盾構推進量相

應的排土作業，掘進過程中，始終維持開挖土量與排土量的平衡來維持倉

內碴土的土壓力。以土倉內的碴土壓力抗衡工作面的土體壓力和水壓力，

以保持工作面的土體的穩定，防止工作面的坍塌和地下水的涌出，從而使

盾構機在不松動的圍巖中掘進，確保不產生地層損失，實現土壓平衡掘進

模式。

二、掘進土壓力的設定

在選擇掘進土壓力時主要考慮地層土壓，地下水壓（孔隙水壓），預先

考慮的預備壓力。

2.1地層施工土壓

在我國鐵路隧道設計規范中，根據大量的施工經驗，在太沙基土壓力

理論的基礎上，提出以巖體綜合物性指標為基礎的巖體綜合分類法，根據

隧道的埋資深度不同，將隧道分為深埋隧道和淺埋隧道。再根據隧道的具

體情況采用不同的計算方式進行施工土壓計算。

2.1.1深埋隧道與淺埋隧道的確定

深、淺埋隧道的判定原則一般以隧道頂部覆蓋層能否形成“自然拱”

為原則。深埋隧道圍巖松動壓力值是根據施工坍方平均高度（等效荷載高

度）確定的。根據經驗，深、淺埋隧道分界深度通常為2～2.5倍的施工

坍方平均高度，即

Hp=（2～2.5）hq

式中：Hp--深、淺埋隧道分界的深度

hq--施工坍方平均高度，hq=0.45×26-Sω

S—圍巖類別，如Ⅲ類圍巖，則S=3

ω—寬度影響系數，且ω=1+i（B-5）

B—隧道凈寬度，單位以m計。

i—以B=5m為基準，B每增減1m時的圍巖壓力增減率。當

B<5m時，取i=0.2，B>5m,取i=0.1。

2.1.2深埋隧道的土壓計算

在深埋隧道中，按照太沙基土壓力理論計算公式以及日本村山理論，

可以較為準確的計算出盾構前方的松動土壓力。但在實際施工工程之中，

可以根據隧道圍巖分類和隧道結構參數，按照我國現行的《鐵路隧道設計

規范》中推薦的計算圍巖豎直分布松動壓力q的計算公式：

q=0.45×26-Sγω

γ—圍巖容重

地層在產生豎向壓力的同時，也產生側向壓力，側向水平松動壓力σ

a

由經驗公式可得：

σ

a

=E

a

×σ

Z

E

a

計算公式見下表

圍巖分類Ⅵ～ⅤⅣⅢⅡⅠ

水平松動壓力σ

a0

（0～1/6）

q

（1/6～1/3）

q

（1/3～1/2）

q

（1/2～1）q

2.1.3淺埋隧道的土壓計算

2.1.3.1靜止土壓

靜止土壓為原狀的天然土體中，土處于靜止的彈性平衡狀態，這時的

土壓力為靜止土壓力。在任一深度h處，土的鉛垂方向的自重應力σ

z

=γ

h為最大主應力，而水平應力σ

x

=為最小主應力（如圖所示），其間存在如

下關系：

σx=k0γh

σz=γh

E0

H

h

H

σ

x

=k

。

.σ

z

=k

。

.γh

式中:k

。

為側向土壓力系數,k

。

=υ/1-υ

υ為巖體的泊松比。

計算地面以下深度為z處的地層自重應力σ

z

，等于該處單位面積上

土柱的質量。如下圖所示：

γ3×h3

土的自重應力分布

地下水位

γ2×h2

+0.000

γ1×h1

rn×hn

γ1

γ3

γn

γ2

σ

z

=γ

1

h

1

+γ

2

h

2

+γ

3

h

3

+…+γ

n

h

n

=Σγ

i

h

i

式中：

γ

i——

第i層土的天然容重（地下水位以下一般采用浮容重），kN/m3。

h

i——

第i層土的厚度，m。

n—從地面到深度z處的土層數。

靜止側向土壓力系數k

。

，即土的側壓力系數確定

（1）經驗值：砂：k

。

=0.34～0.45。

粘土k

。

=0.5～0.7。

（2）半經驗公式，（目前一般在設計中采用雅基公式）

（Jaky）（砂層）

K

0

=1-sinφ

Brooker公式（粘性土層）

K

0

=0.95-sinφ’

式中，K

0

：靜止土壓力系數。

φ、φ’為土的有效內摩擦角。

（3）日本規范日本《建筑基礎結構設計規范》建議，不分土的種

類，k均為0.5。

2.1.3.2主動土壓力與被動土壓力

在淺埋隧道的施工過程中，由于施工的擾動，改變了原狀的天然土體

的靜止的彈性平衡狀態，從而使刀盤前方土體產生主動或被動土壓力。

在盾構機推進時，由于推力（土壓力）設置偏低，工作面前方的土體

向盾構機刀盤方向發生一個微小的移動或滑動，土體出現向下滑動的趨勢

或，為了抗拒土體向下滑動的趨勢的產生，土體中的抗剪力逐漸增大。當

土體中的側向應力減小到一定的程度，使土體中的抗剪強度得到充分發揮，

此時土體中的側向土壓力減小到最小值，土體處于極限平衡狀態，即主動

極限平衡狀態。與此相應的土壓力稱為主動土壓力Ea。如下圖所示：

滑

動

面

滑

動

面

滑

動

方

向

R

在盾構機推進時，由于推力（土壓力）設置偏高，刀盤對土體的側向

應力逐漸增大，刀盤前部的土體出現向上滑動的趨勢，為了抗拒土體向上

滑動的趨勢的產生，土體中的抗剪力逐漸增大。土體處于另一極限平衡狀

態，即被動極限平衡狀態。與此相應的土壓力稱為被動土壓力Ep。如下

圖所示：

滑

動

面

滑

動

方

向

R

滑

動

面

3.1.3.

2.1.3.3主動與被動土壓力計算：

根據盾構機的特點及盾構機施工的原理，結合我國鐵路隧道設計施工

的具體經驗，施工采用朗金理論計算主動土壓力與被動土壓力。

當盾構機推力偏小，土體處于向下滑動的極限平衡狀態，具體如下圖

所示：

此時土體內的豎直應力σ

z

相當于大主應力σ

1

，水平應力σ

a

相當于小

主應力σ

a

。水平應力σ

a

為維持刀盤前方的土體不向下滑移需要的最小土

壓力，即土體的主動土壓力。畫出土體的應力圓，此時水平軸上σ

3

處的E

ω

Ea

β

=

4

5

°

-

ω

/

2

a

b

rHka

rHka-

Ea

點與應力圓在抗剪強度線切點M的連線和豎直線間的夾角β為破裂角。由

圖可知：

αE

ω

M‘

σ3=σaN

σ1=γZ

α

βEM

E

τ'

β=1/2∠ENM=1/2（90-φ）=45°-φ/2

σ

a

=σ

a

=σ

z

tan2（45o-φ/2）-2ctan（45o-φ/2）

式中，σ

z

：深度為z處的地層自重應力，c：土的粘著力，z：地層

深度，φ：地層內部摩擦角

當盾構機的推力偏大，土體處于向上滑動的極限平衡狀態，具體如下

圖所示：

rHkp+2c√kp

2c√kp

rHkp

β

=

4

5

°

+

ω

/

2

EP

R

EP

此時刀盤前方的土壓力σ

p

相當于大主應力σ

1

，而豎向應力σ

z

相當于

小主應力σ

a

。畫出土體的應力圓，當應力圓與抗剪強度線相切時，刀盤前

方的土體被破壞，向前滑移。此時作用在刀盤上的土壓力σ

p

即土體的被

動土壓力。

σ3=γZ

ω

EN

z

M

β'E

X'E

σ1=σp

α

破裂角β’由圖可知：

β’=1/2∠ENM=1/2（90+φ）=45°+φ/2

σ

p

=σ

1

=σ

z

tan2（45o+φ/2）+2ctan（45o+φ/2）

式中，σ

z

：深度為z處的地層自重應力，c：土的粘著力，z：地層深

度，φ：地層內部摩擦角

2.2地下水壓力計算與控制

當地下水位高于隧道頂部，由于地層中孔隙的存在，從而形成側向地

下水壓。地下水壓力的大小與水力梯度、滲透系數、滲透速度以及滲透時

間有關。在計算水壓力時，由于地下水在流經土體時，受到土體的阻力，

引起水頭損失。作用在刀盤上的水壓力一般小于該地層處的理論水頭壓力。

在掘進過程中，由于刀盤并非完全開口，而是中間有70～80％的支

擋結構，隨著刀盤的不斷往前推進，土倉內的壓力介于原始的土壓力值附

近。加上水在土中的微細孔中流動時的阻力。故在掘進時地層中的水壓力

可以根據地層的滲透系數進行酌情考慮。

當盾構機因故停機時，由于地層中壓力水頭差的存在，地下水必然會

不斷的向土倉內流動，直至將地層中壓力水頭差消除為止。此時的水壓力

為：

σ

w

=q×γh

q－-根據土的滲透系數確定的一個經驗數值。砂土中q＝0.8～1.0，

粘性土中q＝0.3～0.5。

γ－水的容重

h－地下水位距離刀盤頂部的高度。

在實際施工中，由于管片頂部的注漿可能會不密實，故地下水可能會

沿著隧道襯砌外部的空隙形成過水通道，當盾構長時間停機時，必將形成

一定的壓力水頭。

―σ

w1

=q

砂漿

×γh

W

q

砂漿

－-根據砂漿的滲透系數和注漿的飽滿程度確定的一個經驗數

值，一般取q＝0.8～1.0。

γ－水的容重

h

W

－補強注漿處和刀盤頂部的的高差。

在計算水壓力時，刀盤后部的水壓力與刀盤前方的水壓力取大值進

行考慮。

2.3預備壓力

由于施工存在許多不可遇見的因素，致使施工土壓力小于原狀土體中

的靜止土壓力。按照施工經驗，在對沉降要求比較嚴格的地段計算土壓力

時，通常在理論計算的基礎之上再考慮10～20kg/m2（0.1～

0.2kgf/cm2）的壓力作為預備壓力。

三、施工實例

廣州地鐵二號線【越～三區間隧道】盾構工程位于廣州市越秀區和白

云區，該工程全長3926.034米。隧道上覆土厚度最大約28米，最小約

9米。

隧道通過的地層軟硬不均、復合交互、變化頻繁。區間隧道穿越地層

大部分是中風化巖〈8〉、強風化巖〈7〉和微風化巖〈9〉，其次為全風化

巖〈6〉和殘積土層〈5-2〉。整個區間隧道的地下水位較高，高出隧道頂

部8～27米。該工程穿越鐵路車站軌道，對地表沉陷控制要求特別嚴格。

以下為前一段時間工地土壓力理論計算值與實際土壓值和掘進產生的

沉降對應值。

序

號

掘進模

式

開挖地層

隧道

埋深

地下水

位深度

理論土壓力計算依據

實際土

壓力

沉降值

1

土壓平

衡

5-2＃地層（Ⅱ類圍巖）26m23m

2.6-3.6ba

r

深埋隧道2.6bar

1.1m

m

2

土壓平

衡

6＃地層（Ⅲ類圍

巖）

25m22m2bar深埋隧道2bar

-5.5m

m

3

土壓平

衡

6＃地層（Ⅲ類圍

巖）

四、幾點體會

通過以上分析可知，由于刀盤對土體的推力不同，在土倉內產生的土

壓力不同，土體中的側向土壓力的方向與大小也在不斷的發生著變化。被

動土壓力和主動土壓力是側向土壓力的最大和最小的極限值。而靜止土壓

力介于兩者之間，即Ep>Eo>Ea。當盾構機刀盤前方的土壓力大于Ep，

土體被向盾構機移動，地面隆起。當盾構機刀盤前方的土壓力小于Ea時，

土體向下滑動，可能引起地層和地面的沉降。如下圖：

土

壓

力

位移

EP

E0Ea

土體向刀盤滑移

土體向上向前滑移

地面沉陷

地面隆起

土壓力管理與控制一般給出一個適當的范圍。根據施工所處的地段、

地層、施工環境給出一個土壓上限值，以及一個土壓下限值。地層地質狀

況良好、穩定性好，土壓力低。地層變化大，沉降要求高等條件下，土壓

力高。

（上限值）Pmax=地下水壓+（靜止土壓或被動土壓）+預備壓力

（下限值）Pmin=地下水壓+主動土壓

在施工中，深埋隧道按照鐵路隧道設計規范來考慮施工土壓力時，一

般得出的土壓力都偏大。如果地層地質狀況良好，考慮盾構機外徑1～2

倍以內的土壓力較為合適。

在淺埋隧道施工時，為了使工作面前方的土體保持穩定的狀態，不致

因盾構掘進發生變形或產生移位的趨勢，應以靜止土壓力為主要依據。

當隧道埋深不大或圍巖極不穩定時時，可以用朗金理論計算主、被動

土壓力，從而來確定盾構施工的土壓力值。

按照朗金理論計算的主動土壓是考慮開挖面的穩定由土體本身強度來

維持，是基于允許開挖面有一定的變形或移動，所以對于自穩性較差的地

層、軟弱或變形系數較大、容易失水的地層，以此理論考慮主動土壓是偏

小的，也是比較危險的。從施工來看，如果推進土壓力小于主動土壓力，

當隧道埋深不大時，巖體會向下移動或坍塌。從而導致地表沉陷，形成一

個塌陷區域。如圖所示：

未擾動土體

滑動巖體

圍巖壓力

滑動面

在沉降要求較為嚴格的部位，盡量使盾構機的推進壓力大于靜止土壓

力，從而使土體產生向刀盤前方變形的趨勢或位移，以達到減小地層沉降

的目的。但由于加大了盾構機的推進壓力，增大了盾構機的掘進扭距、掘

進功率，將加大掘進成本。同時由于土倉內的土壓增大，可能對盾構機的

鉸接密封、盾構機的主軸承密封甚至刀盤刀具帶來負面影響。