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土压平衡盾构施工土压力的确定

叶康慨王延民
摘要通过对地层土压力、水压力的计算原理分析，给出了土压平衡盾构施工土压力的设置方法，
并结合现场施工对设置方法进行验证。实践表明，该方法是合理的。
关键词土压平衡盾构施工土压力

1概述

土压平衡盾构工法以对地面、地下环境影响小、掘进速度快、地表沉降小等特点，
越来越多地应用于城市地铁施工领域。土压平衡盾构施工中，合理设置施工土压对控制
地表沉降有非常重要的意义。
目前，施工土压力的设定一般遵循以下原则：
a.土仓内的土压力应可以维持刀盘前方的围岩稳定，不致因土压偏低造成土体坍
塌、地下水流失。
b.土仓内的土压应尽可能低，以降低掘进扭矩和推力，提高掘进速度，降低土体对
刀具的磨损，以最大限度地降低掘进成本。

2地层压力计算原理

地层压力的计算原理有多种，目前我国铁路隧道设计规范是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。根据隧道的埋置深度不同，
将隧道分为深埋隧道和浅埋隧
道，然后根据隧道的具体情况，采
用不同的计算方式进行地层土压计算[1]。
2.1深埋隧道的土压计算
对于深埋隧道，一般根据隧道围岩分类和隧道结构参数，按照《铁路隧道设计规范》
的计算公式计算围岩竖直分布松动压力和水平松动压力。
地层的水平侧向力为
s
σ水平侧向力=q×0.41×1.79ω
式中：
s—围岩级别，如Ⅲ级围岩，则s=3；
ω—宽度影响系数，且ω=1+i(B−5)；
B—隧道净宽度，单位以m计；
i—以B=5m为基准，当B<5m时，取i=2.0，当B>5m，取i=1.0；
q—根据围岩级别确定的水平侧压力系数，具体见表1。

表1水平侧压力系数表
围岩分类Ⅰ～ⅡⅢⅣⅤⅥ
水平侧压力系数q01/61/6～1/31/3～1/21/2～1
2.2浅埋隧道的土压计算
盾构隧道施工过程中，刀盘扰动改变了原状天然土体的静止弹性平衡状态，从而使
刀盘附近的土体产生主动土压力或被动土压力。
根据盾构的特点及盾构施工原理，结合我国铁路隧道设计、施工的具体经验，
采用朗金理论计算主动土压力与被动土压力。
盾构推力偏小时，土体处于向下
滑动的极限平衡状态(如图1)。此时，原地面线沉降后地面线

土体内的竖直应力σz相当于大主应力

σ1，水平应力σa相当于小主应力σ3。
滑
水平应力σ为维持刀盘前方的土体不动向
a面方面
动动
向下滑移所需的最小土压力，即土体滑滑
的主动土压力：

2oo
σa=σztan(45−ϕ/2)−2ctan(45−ϕ/2)
式中，

σz－深度z处的地层自重应力；
c－土的粘着力；图1主动极限平衡状态下的土体位移
z－地层深度；
ϕ－地层内部摩擦角。
地面线
受施工影响后地面线原
盾构的推力偏大时，土体处于向上
滑动的极限平衡状态(如图2)。此时，

滑
刀盘前方的土压力σp相当于大主应力向
动方
面面
动
σ1，而竖向应力σz相当于小主应力σa。动
滑滑
2oo
σp=σ1=σztan(45+ϕ/2)+2ctan(45+ϕ/2)
式中符号意义同前。Ep
2.3地下水压力计算

地下水位高于隧道顶部时，由于地图2被动极限平衡状态下的土体位移
层孔隙、裂隙的存在，形成侧向地下水压。地下水压力的大小与水力梯度、地层渗
透系数、管片背后的砂浆凝结时间、渗透系数及渗透时间有关。由于地下水流经土
体时受到土体的阻力产生水头损失，因此作用在刀盘上的水压力一般小于该地层处
的理论水头压力。
掘进过程中，随着刀盘的不断向前推进，土仓内的压力处于原始土压力值附近，
考虑水在土中流动时的阻力，掘进时地层中的水压力可以根据地层的渗透系数酌情
考虑。
盾构因故停机时，由于地层中压力水头差的存在，地下水必然会不断向土仓内
流动，直至将地层中压力水头差消除为止。此时土仓的水压力为：

σ刀盘前=q×γh
式中，q－根据土层渗透系数确定的经验数值，砂土q=0.5～1.0，粘性土q=0.1～
0.5，风化岩层q=0～0.5；γ－水的容重；h－地下水位距刀盘顶部的高度。
施工中，如果管片顶部的注浆不太密实，地下水可能会沿隧道衬砌外部的空隙
形成过水通道。当盾构长时间停机时，必将形成一定的压力水头。此时的地下水压：

σw盾尾后=q砂浆×γhw

式中，q砂浆－根据砂浆的渗透系数和注浆的饱满程度确定的经验数值，一般取q＝

0.5～1.0；γ－水的容重；hw－补强注浆处与刀盘顶部的高差。
计算水压力时，盾尾后部的水压力与刀盘前方的水压力按取大值考虑。（根据
笔者的经验，在掘进过程中，一般按刀盘前方的地层水压力进行计算，在盾构停机
过程中，按盾尾后部的水压力进行计算。）
3土压平衡盾构施工土压力的设置方法
根据上述对地层土压力、水压力的计算原理分析，笔者总结出在土压平衡盾构
的施工过程