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【摘 要】 土压平衡盾构施工中，设置合理的施工土压对控制地表沉降有非常重要的意义。本文通过广州轨道交通四号线大学城专线【仑头～大学城站盾构区间】盾构隧道的掘进实践，介绍了广州地铁施工中对土压平衡盾构施工土压力的设置方法。
【关键词】 土压平衡；盾构；施工土压力
【Abstract】 For the EPB shield construction， it is significantly important to control the ground surface settlement by using a reasonable earth pressure. This paper based on EPB shield tunnel from Luntou to University Town in Guangzhou Metro Line 4， analyzed how to determine the earth pressure in excavation chamber of EPB shield.
【Key Words】 Earth pressure balance， Shield， Earth pressure in excavation chamber
1 概况
土压平衡盾构工法具有对地面、地下环境影响小、掘进速度快、地表沉降小等特点。土压平衡盾构施工中，合理设置施工土压力对控制地表沉降有非常重要的意义。
土压平衡盾构施工过程中，施工土压力的设定遵循以下原则：
（1）土仓内的土压力应可以维持刀盘前方的围岩稳定，不导致因土压力偏低造成土体坍塌、地下水流失；
（2）土仓内的土压力应尽可能低，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，最大限度地降低掘进成本。
因此，对盾构土仓内的土压力值的确定，就显得十分重要。
2 施工准备工作
地层土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《地下铁道》和日本盾构法隧道规范关于计算土压力的有关内容确定，当隧道埋深H≧2D（D为盾构隧道外径）时，为深埋，上方土压力按太沙基公式进行计算；当隧道埋深H﹤2D时，为浅埋，上方土压力按上覆全土柱重量计算。维护工作面稳定时，土压力按朗金主动土压力计算。
不同土压力计算方法比较如图1所示。
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。
2.2浅埋隧道的土压力计算
2.2.1主动土压力与被动土压力
盾构施工工程中，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。
盾构掘进时，如果土仓内土压力设置偏低，工作面前方的土体向盾构刀盘方向产生微小的移动或滑动，土体出现向下滑动趋势，为了抵抗土体的向下滑动趋势，土体的抗剪力逐渐增大。当土体的侧向应力减小到一定程度，土体的抗剪强度充分发挥时，土体的侧向土压力减小的最小值，土体处于极限平衡状态，即主动极限平衡状态，与此相应的土压力称为主动土压力Ea，如图2所示。
盾构推进时，如果土仓内土压力设置偏高，刀盘对土体的侧向应力逐渐增大，刀盘前部的土体出现向上滑动趋势，为了抵抗土体的向上滑动趋势，土体的抗剪力逐渐增大，土体处于另一种极限平衡状态，即被动极限平衡状态，与此相应的土压力称为被动土压力Ep，如图3所示。
2.2.2主动土压力与被动土压力计算
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。
2.3地下水压力计算
地下水位高于隧道顶部时，由于地层空隙、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、管片背后砂浆的凝结时间、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，从而产生水头损失，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。
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最大值考虑。根据施工经验，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确定方法
根据上述对地层土压力、水压力的计算原理分析，通过实际施工中的经验总结得出，土压平衡盾构施工过程中土仓内的土压力设置方法如下：
（1）根据隧道所处位置及隧道埋深情况，对隧道进行分类，判断出隧道是属于深埋还是浅埋；
（2）根据判断的隧道类型初步计算出地层的竖向压力；
（3）根据隧道所处地层以及隧道周边的地表环境状况的复杂程度，计算水平侧压力；
（4）根据隧道所处地层及施工状态，确定地层水压力；
（5）根据不同的施工环境、施工条件及施工经验，考虑0.010Mpa～20Mpa压力值作为调整值来修正施工土压力；
（6）根據确定的水平侧向力、地层水压力及施工土压力调整值得出初步的盾构施工土仓压力设定值，即：
（7）根据经验值和半经验公式进一步对初步设定的土压进行验证比较，无误时应用了施工之中；
（8）根据地表沉降监测结果，及时调整施工土压力，得出比较合理的施工土压力值。 4 工程实例
4.1工程概况
广州轨道交通四号线大学城专线【仑头～大学城盾构区间】土建工程，北起仑头后底岗盾构始发井，经仑头村穿越仑头海至官洲岛，通过官洲站后经官洲村、官洲河等地，至大学城结束，区间隧道为单孔双线隧道，总长为2826.5m，其中盾构法区间隧道为2301.3m，盾构隧道采用C50预制钢筋混凝土管片，管片内径为5400mm，外径为6000mm，厚度为300mm，宽度为1500mm。管片与地层间的空隙采用同步注漿（水泥砂浆）回填。
隧道上覆土厚度最厚约27m，最小约7m。区间隧道穿越地层大部分是<7Z>混合岩强风化带、<8Z>混合岩中等风化带和<9Z>混合岩微风化带，其次为<6Z>混合层全风化带和<5Z-2>混合岩硬塑状残积土，其中各地层第比例及长度见表2和图4。地层地下水主要为第四系空隙水与基岩裂隙水，地下水位为地表以下1～2m。
4.2盾构穿越房屋密集的仑头村
自SYCK16+500～SYCK16+775，盾构进入建筑物密集的仑头村。在此区段隧道穿过的地层主要为<7Z>混合岩强风化带，只有2处的隧道底部有<8Z>混合岩中风化带，隧道顶部覆盖层厚度在24-27m之间，地下水位距离地表1m左右。
盾构在此地段地层施工时，为确保地表建筑物安全，根据地层状况，确定根据占隧道施工影响范围数量较多的不利地层考虑土压力。隧道埋深以24m考虑，围岩以<7Z>混合岩强风化带考虑，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。
从监测结果可以看出，地表最大沉降量为-4.9mm，远远小于规定的-30mm；同时，在掘进过程中，局部有隆起现行，隆起最大量为8.3mm，这说明在地质条件相对较好的地层中，采用深埋隧道土压力计算土压，土压力选择偏大，趋于保守。
4.3盾构穿越官洲岛果园
根据现场施工调查，盾构在YDK17+380～YDK17+570段，隧道上方为官洲岛果园，在此区段隧道穿过的地层主要为<5Z-1>混合岩可塑状残积土和<5Z-2>混合岩硬塑状残积土，隧道顶部覆盖层厚度在8～12m之间，属于浅埋，地下水位距离地表1m左右。
为保证盾构通过此段地层时的施工安全，计算施工土压力时，确定隧道埋深以10m考虑，围岩以<5Z-2>混合岩硬塑状残积土考虑，采用浅埋隧道土压力计算方法计算土压。
施工过程中，通过对地表实测，最大隆起量为6.5mm，最大沉降量为-4.9mm，均控制在规范范围内，这就说明，施工过程采用浅埋隧道土压力计算方法计算土压力是合理的。
5 结束语
盾构在施工过程中，由于刀盘对土体的推力不同，造成土仓的土压力不同，土体的侧向土压力的方向和大小也在不断的发生变化。隧道施工中，为了使工作面前方的土体保持稳定，不致因盾构掘进发生变形或产生移位趋势，在沉降要求较为严格的区段，应尽量使盾构的推进压力大于静止土压力，以达到减小地层沉降的目的。对于自稳性较差的地层、减弱或变形系数较大、容易失水的地层，一般以静止土压力为主要依据。
参考文献：
[1]中华人民共和国铁道部.铁路隧道设计规范.北京：中国铁道出版社，1999
[2]陈希哲.土力学地基基础.北京：清华大学出版社，1998
[3]梁钟琪.土力学及路基.北京：中国铁道出版社，1993
[4]关宝树.隧道及地下工程.成都：西南交通大学出版社，2000
[5]中铁十三局集团有限公司，仑大盾构区间隧道实施性施工组织设计
作者简介：刘文庆，男，毕业学校：吉林建筑工程学院；毕业时间：1999-07；所学专业：公路与城市道路；职称：工程师；现任职务：副经理；专业技术领域或研究方向：地下工程
【关键词】 土压平衡；盾构；施工土压力
【Abstract】 For the EPB shield construction， it is significantly important to control the ground surface settlement by using a reasonable earth pressure. This paper based on EPB shield tunnel from Luntou to University Town in Guangzhou Metro Line 4， analyzed how to determine the earth pressure in excavation chamber of EPB shield.
【Key Words】 Earth pressure balance， Shield， Earth pressure in excavation chamber
1 概况
土压平衡盾构工法具有对地面、地下环境影响小、掘进速度快、地表沉降小等特点。土压平衡盾构施工中，合理设置施工土压力对控制地表沉降有非常重要的意义。
土压平衡盾构施工过程中，施工土压力的设定遵循以下原则：
（1）土仓内的土压力应可以维持刀盘前方的围岩稳定，不导致因土压力偏低造成土体坍塌、地下水流失；
（2）土仓内的土压力应尽可能低，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，最大限度地降低掘进成本。
因此，对盾构土仓内的土压力值的确定，就显得十分重要。
2 施工准备工作
地层土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《地下铁道》和日本盾构法隧道规范关于计算土压力的有关内容确定，当隧道埋深H≧2D（D为盾构隧道外径）时，为深埋，上方土压力按太沙基公式进行计算；当隧道埋深H﹤2D时，为浅埋，上方土压力按上覆全土柱重量计算。维护工作面稳定时，土压力按朗金主动土压力计算。
不同土压力计算方法比较如图1所示。
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。
2.2浅埋隧道的土压力计算
2.2.1主动土压力与被动土压力
盾构施工工程中，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。
盾构掘进时，如果土仓内土压力设置偏低，工作面前方的土体向盾构刀盘方向产生微小的移动或滑动，土体出现向下滑动趋势，为了抵抗土体的向下滑动趋势，土体的抗剪力逐渐增大。当土体的侧向应力减小到一定程度，土体的抗剪强度充分发挥时，土体的侧向土压力减小的最小值，土体处于极限平衡状态，即主动极限平衡状态，与此相应的土压力称为主动土压力Ea，如图2所示。
盾构推进时，如果土仓内土压力设置偏高，刀盘对土体的侧向应力逐渐增大，刀盘前部的土体出现向上滑动趋势，为了抵抗土体的向上滑动趋势，土体的抗剪力逐渐增大，土体处于另一种极限平衡状态，即被动极限平衡状态，与此相应的土压力称为被动土压力Ep，如图3所示。
2.2.2主动土压力与被动土压力计算
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。
2.3地下水压力计算
地下水位高于隧道顶部时，由于地层空隙、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、管片背后砂浆的凝结时间、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，从而产生水头损失，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。
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最大值考虑。根据施工经验，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确定方法
根据上述对地层土压力、水压力的计算原理分析，通过实际施工中的经验总结得出，土压平衡盾构施工过程中土仓内的土压力设置方法如下：
（1）根据隧道所处位置及隧道埋深情况，对隧道进行分类，判断出隧道是属于深埋还是浅埋；
（2）根据判断的隧道类型初步计算出地层的竖向压力；
（3）根据隧道所处地层以及隧道周边的地表环境状况的复杂程度，计算水平侧压力；
（4）根据隧道所处地层及施工状态，确定地层水压力；
（5）根据不同的施工环境、施工条件及施工经验，考虑0.010Mpa～20Mpa压力值作为调整值来修正施工土压力；
（6）根據确定的水平侧向力、地层水压力及施工土压力调整值得出初步的盾构施工土仓压力设定值，即：
（7）根据经验值和半经验公式进一步对初步设定的土压进行验证比较，无误时应用了施工之中；
（8）根据地表沉降监测结果，及时调整施工土压力，得出比较合理的施工土压力值。 4 工程实例
4.1工程概况
广州轨道交通四号线大学城专线【仑头～大学城盾构区间】土建工程，北起仑头后底岗盾构始发井，经仑头村穿越仑头海至官洲岛，通过官洲站后经官洲村、官洲河等地，至大学城结束，区间隧道为单孔双线隧道，总长为2826.5m，其中盾构法区间隧道为2301.3m，盾构隧道采用C50预制钢筋混凝土管片，管片内径为5400mm，外径为6000mm，厚度为300mm，宽度为1500mm。管片与地层间的空隙采用同步注漿（水泥砂浆）回填。
隧道上覆土厚度最厚约27m，最小约7m。区间隧道穿越地层大部分是<7Z>混合岩强风化带、<8Z>混合岩中等风化带和<9Z>混合岩微风化带，其次为<6Z>混合层全风化带和<5Z-2>混合岩硬塑状残积土，其中各地层第比例及长度见表2和图4。地层地下水主要为第四系空隙水与基岩裂隙水，地下水位为地表以下1～2m。
4.2盾构穿越房屋密集的仑头村
自SYCK16+500～SYCK16+775，盾构进入建筑物密集的仑头村。在此区段隧道穿过的地层主要为<7Z>混合岩强风化带，只有2处的隧道底部有<8Z>混合岩中风化带，隧道顶部覆盖层厚度在24-27m之间，地下水位距离地表1m左右。
盾构在此地段地层施工时，为确保地表建筑物安全，根据地层状况，确定根据占隧道施工影响范围数量较多的不利地层考虑土压力。隧道埋深以24m考虑，围岩以<7Z>混合岩强风化带考虑，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。
从监测结果可以看出，地表最大沉降量为-4.9mm，远远小于规定的-30mm；同时，在掘进过程中，局部有隆起现行，隆起最大量为8.3mm，这说明在地质条件相对较好的地层中，采用深埋隧道土压力计算土压，土压力选择偏大，趋于保守。
4.3盾构穿越官洲岛果园
根据现场施工调查，盾构在YDK17+380～YDK17+570段，隧道上方为官洲岛果园，在此区段隧道穿过的地层主要为<5Z-1>混合岩可塑状残积土和<5Z-2>混合岩硬塑状残积土，隧道顶部覆盖层厚度在8～12m之间，属于浅埋，地下水位距离地表1m左右。
为保证盾构通过此段地层时的施工安全，计算施工土压力时，确定隧道埋深以10m考虑，围岩以<5Z-2>混合岩硬塑状残积土考虑，采用浅埋隧道土压力计算方法计算土压。
施工过程中，通过对地表实测，最大隆起量为6.5mm，最大沉降量为-4.9mm，均控制在规范范围内，这就说明，施工过程采用浅埋隧道土压力计算方法计算土压力是合理的。
5 结束语
盾构在施工过程中，由于刀盘对土体的推力不同，造成土仓的土压力不同，土体的侧向土压力的方向和大小也在不断的发生变化。隧道施工中，为了使工作面前方的土体保持稳定，不致因盾构掘进发生变形或产生移位趋势，在沉降要求较为严格的区段，应尽量使盾构的推进压力大于静止土压力，以达到减小地层沉降的目的。对于自稳性较差的地层、减弱或变形系数较大、容易失水的地层，一般以静止土压力为主要依据。
参考文献：
[1]中华人民共和国铁道部.铁路隧道设计规范.北京：中国铁道出版社，1999
[2]陈希哲.土力学地基基础.北京：清华大学出版社，1998
[3]梁钟琪.土力学及路基.北京：中国铁道出版社，1993
[4]关宝树.隧道及地下工程.成都：西南交通大学出版社，2000
[5]中铁十三局集团有限公司，仑大盾构区间隧道实施性施工组织设计
作者简介：刘文庆，男，毕业学校：吉林建筑工程学院；毕业时间：1999-07；所学专业：公路与城市道路；职称：工程师；现任职务：副经理；专业技术领域或研究方向：地下工程