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1、第二章三、开挖面稳定计算泥 水加压式盾构由于是依靠泥水来达到开挖面稳定，以流体输送土砂为特色，并且开挖面经常充满受到水 压和比重等控制的泥水，所以必须考虑在密闭加压状态下，由泥水产生的开挖面稳定。泥水加压盾构施工 时，开挖面是垂直直立着的土壁，刀盘不断对其切削，不断出现新的开挖面。此外，泥水是循环的流体， 具有流动的动态 性质。在这些方面，它和地下连续墙的保护面处于静态的泥水状况是不一样的。一般泥水 盾构工法是将泥壁（泥浆护壁薄膜）作为媒体，由泥水压力来平衡土体压 力，对泥水不作任何调整是很难适 用的（优良的泥壁是在一分钟内生成厚度达1mm左右）。然而在刀盘切削时，当泥壁尚未形成以前，泥水仍
2、然会不断地渗透到土体中，这种渗透壁较原有土体良好。这种渗透壁不一定非良好的泥壁不可，因此不使用具有良好的泥壁形成性的膨润土事例也很多。根据 孔隙的大小、土体的形状等，有时粒子大的粘土更为适当。从经济角度来看，使用现有土体的粘土成份几 乎完全是有利的。泥水也取决于粘土的种类，在溶胶状态下充填开挖面后被循环。可以想象增加压力，一部分在静止的 状态下按原样成为半固体，另一部分变成凝胶状。若一旦施加搅拌、振动等，就会再次发生可塑变化，回 到溶胶状，具有触变性。这种现象不仅是膨润土，在高岭土粘土等中也已被确认，同时也认识到半固化的 凝胶将增加强度。根据震凝现象，轻轻给予剌激，即也可以认为由轻轻加压容易产
3、生凝胶化。但是即便在 没有凝胶化前，也可以认为受到加压的密闭溶胶和它自身半固化的凝胶是相同的性状，可以想象在这样的 环境中开挖面是很难坍塌的。泥水是流动体，也许还必须从流变学上来进行探讨，并加以修正。关于液体正在用流动和粘性法则等 进行研究，但是对于开挖面的维护要把粘性作为主体，将粘土悬浮液作为泥水的重要性状，简单地说就是 糊状的软琼胶物。当加压后，一定要考虑在流动状态下对开挖面产生的影响。上述开挖面的稳定，按理说是动态的现象，被认为一定要作为流变的现象来解决，在现阶段还没有作 为泥水加压盾构工法范畴来加以解决。因此即使是作为作用在开挖面上的土压和水压的想法也还是有差异， 由于没有一个统一的衡
4、量标准，所以将村山氏公式、太沙基公式和在藤井氏公式上添加加压部分的公式来 分别列出。泥水加压盾构对开挖面的稳定是由于：（1）良好的泥水在受到加压后所产生的流体力学和土力学上的力；（2）大刀盘产生的机械推压等力。由于这些受力情况是随土质、地下水情况以及特性的不同而有很大差异，所以就经常采用泥水加压盾 构施工的几种地层的稳定作一论述。1粘性土层粘性土层的渗透系数极小。粉砂土、粘土和胶体的微小土粒都是经过电化学结合后形成硬凝胶状，不 用说是泥水的渗透，即使是清水的渗透也是不可想象。水土压力合算时，加在其壁面上的力可以根据三角 形状的土块塌方的推定来考察，也可以作为溶胶状泥水（也有凝胶状时期）和凝胶状
5、土体的压力问题来考虑。设Pa（土压）和Pf（泥水压）达到平衡，见图1145*+4/2 Ax 图ii则 Pa=Pf Pa-Pf=0壹对_温丑+猝_展成=0其临界高度为：（4 -击）i） =由此，可得到稳定的安全系数为：在粘性土层场合，当使用清水时，尽管y f=1（=Y W）时，开挖面保持稳定的事例亦不少。式中：*Y 一土体的单位体积重量H一高度（深度）Su一土体的不排水抗剪强度Y f一泥水的单位体积重量q一上载荷重2砂质土层（1）干砂这种场合，没有粘聚力，而与内摩擦角有关。对于渗透壁，从地层土压和泥水压力的平衡来考虑，则%=!炉以（土压）.=!门为（泥水压）式中：取稳定安全系数为1,则Pa=Pf
6、稳定安全系数松弛的干砂很少，但 =28左右的砂土很多，在计算上多数是留有较大的稳定安全系数。砂的场合 受到其单位体积重量、内摩擦角以及泥水的单位体积重量的左右。(2)含水砂、砾石层在实际运用中，这是最难对付的一种土层，也是最需要使用泥水加压盾构的土层。根据颗粒级配和含 水量，不进行稳定计算的事例也有很多。在开挖面用泥水进行加压，并将该值(通常是0.02MPa相当于2m 的液面上升高度)列入计算。有时对松弛的砂，增大加压值，但在实际运用中，太大的压力会促使对开挖面 的强制渗透，反而对稳定不利，因此必须注意。户口=护尸血十行4 = !七3+2 沪令 Pa=Pf.加压部分式中：Y 一土的单位体积重量
7、Y厂水的单位体积重量wKa一根据有效应力的主动土压系数4片加压后，公式中仅女一项是对泥水有利的，当然盾构掘进机位置越浅越能有效地作用。3开挖面稳定计算(1)计算式-1(村山氏公式)作为一个作用在开挖面上的主动土压力的估算法，考虑到在开挖面上端部的松弛土压，并将开挖面前面 的滑动面假定为对数螺线，则有村山氏等学者的二维法。开挖面上端部的竖直土压q在塑性平衡状态下，由于土拱作用而减少到松弛土压的值。因此太沙基松 弛土压公式适用于盾构推进前方，其值可按下列公式计算见图12：图12队球一朝)式中：Y 一土的单位体积重量(t/m3)C一土的内聚力(t/m2) 一土的内摩擦角(度)B一图12中ab长度(m
8、)a 试验常数=1.8K一土压系数=1.0r一从原点到滑动面距离=r0exp(0 tan? )(m)rD/ sin(n /4+q /2)exp (n /4-q /2)tanq -sinq (m)作用在下回开挖面上的全部土压力Pd，是与和它竖直的土压力qB、用滑动线围住的部分土块重量W 作用于滑动面上的反力和阻力有关，可以0点作力矩平衡的公式来求出。|&=卜圆儿十q妇勺一号手2 tan #l、l、l ：分别表示从0点至P , W, a点的距离(m) p w aD由以上公式求P ,随后将点a左右移动，求出最大的P。作用在开挖面全断面的主动土压P=2P D/3, DDD或者从安全方面考虑，可按P=P
9、dD来推算(D：盾构直径)。关于地下水位以下的土层，则用水中土的单位体积重量进行计算，分开水压部分后再相加。村山氏等根据许多试验，提出修正式能基本求出滑动面的对数螺线以及上部松动土压，但是因为计算 复杂，而且它和上式计算结果的差值是包含在因施工技术以及土质波动等引起的误差范围内，因此，认为 用上述简单的公式已足够满足要求。(2)计算或-2(村山氏公式的应用)在这里介绍无内聚力的滞水砂层的场合，把二维性试验及施工时的塌方状况作为参考的推算式。本推算法的基本理论是村山氏等的开挖稳定式和太沙基式的松动土压，作为阻力是用泥水压力插入， 以下叙述的开挖面平衡有：作为塌方力由开挖面前方的滑动土块重量和它上
10、部的松动土压；作为阻力由泥 水过剩压力(在顶部的泥水压和地下水压的差压)，并作为有关以上三个力的滑动中心点的力矩平衡，见图 13。实际开挖面是三维立体形，但考虑安全问题用二维作解析。图13图13中，开挖面前方的滑动面形状为对数螺线，若认为在盾构顶端高度形成竖直方向、在下端部形成 水平(n /4+中/2)角，那么滑动面形状基本上可由盾构直径(D)和土的内摩擦角(q 中？决定。滑动土块上 方的松动领域也是考虑Ktter-Massau的塑性理论。一方面作为阻力的过剩压力，如考虑其水平成分的合力， 就可无视泥水自身的抗剪力。根据以上的假定，对数螺线形状的各力矩可以由以下公式求出： 开挖面前面滑动对数螺
11、线Y =y exp(0 .tanq )Y =D/ sin(n /4+q /2)exp (n /4-q /2)tanq -sinq o 松动幅B=y cosq -cos(n /4+q /2)*exp (n /4-q /2)*tan 5(1 + 9 tan-开挖面前面滑动力矩W l = 3 tan? cos(n /4+ /2)+sin(n /4+ /2) Xexp3(n /4- /2)tan? -4sin -wlwl是 0ac,A bcd的中心点右转弯力矩，在前方取x,下方取y,就可通过以下公式得到 w/l/=y/6 (ax2-cx2)ay+(bx-cx)(2bx+cx)(dy-by) 在滑动土块上方作用的松动土压b =_1 - 一*工 寸 询 0+尹 H 弓矩(一* tin 0)2 Jl t.=Ltl Ip11上I 由松动土压产生的力矩r- 由泥水压力产生的阻力力矩(顶部的过剩泥水压力=八Pf)M = (D2/2+Dl)A Pf+(D3/3+D2 l/2)(y f-y w) 平衡式(Fs：安全系数)式中Y 土的单位体积重量(t/m3)c 土的内聚力(t/m2) 土的内摩擦角(度)B图B中的ab长度(m)a试验常数=1.8K 土压系数=1.0
