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摘 要：城市地铁盾构施工具有快速、安全、对地面建筑物影响小等诸多优点，已经被越来越多的人们所认可。在城市地铁盾构施工中，如何设置合理的土压，对于控制地表沉降有着至关重要的意义。
关键词：盾构法施工;掘进土压力;选择
一、掘进土压力的设定
在选择掘进土压力时主要考虑地层土压，地下水压（孔隙水压），预先考虑的预备压力。
（一）地层施工土压
根据隧道的埋资深度不同，将隧道分为深埋隧道和浅埋隧道。再根据隧道的具体情况采用不同的计算方式进行施工土压计算。
1. 深埋隧道与浅埋隧道的确定
深、浅埋隧道的判定原则一般以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。深埋隧道围岩松动压力值是根据施工坍方平均高度（等效荷载高度）确定的。根据经验，深、浅埋隧道分界深度通常为2～2.5倍的施工坍方平均高度，即Hp=（2～2.5）hq
式中：Hp--深、浅埋隧道分界的深度
hq--施工坍方平均高度，hq=0.45×26-Sω
S—围岩类别，如Ⅲ类围岩，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，B每增减1m时的围岩压力增减率。当B<5m时，取i=0.2，B>5m，取i=0.1。
2. 深埋隧道的土压计算
根据隧道围岩分类和隧道结构参数，按照我国现行的《铁路隧道设计规范》中推荐的计算围岩竖直分布松动压力q的计算公式：
q=0.45×26-Sγω
γ—圍岩容重
地层在产生竖向压力的同时，也产生侧向压力，侧向水平松动压力σa由经验公式可得：
σa=Ea × σZ
Ea计算公式见下表
围岩分类 Ⅵ～Ⅴ Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅰ
水平松动压力σa 0 （0～1/6）q （1/6～1/3）q （1/3～1/2）q （1/2～1）q
3. 浅埋隧道的土压计算
（1）静止土压
静止土压为原状的天然土体中，土处于静止的弹性平衡状态，这时的土压力为静止土压力。在任一深度h处，土的铅垂方向的自重应力σz=γh为最大主应力，而水平应力σx=为最小主应力，其间存在如下关系：
σx=k。.σz=k。. γh
式中： k。为侧向土压力系数， k。=υ/1-υ
υ为岩体的泊松比。
计算地面以下深度为z处的地层自重应力σz，等于该处单位面积上土柱的质量。
σz =γ1h1+γ2h2+γ3h3+…+γnhn=Σγihi
式中：
γi——第i层土的天然容重（地下水位以下一般采用浮容重），kN/m3。
h i——第i层土的厚度，m。
n—从地面到深度z处的土层数。
静止侧向土压力系数k。，即土的侧压力系数确定
①经验值： 砂： k。=0.34～0.45。
粘土 k。=0.5～0.7。
②半经验公式，（目前一般在设计中采用雅基公式）
（Jaky）（砂层）
K0= 1-sinφ
Brooker公式（粘性土层）
K0=0.95-sinφ’
式中，K0：静止土压力系数。
φ、φ’为土的有效内摩擦角。
③日本规范 日本《建筑基础结构设计规范》建议，不分土的种类，k均为0.5。
（2）主动土压力与被动土压力
在浅埋隧道的施工过程中，由于施工的扰动，改变了原状的天然土体的静止的弹性平衡状态，从而使刀盘前方土体产生主动或被动土压力。
（3）主动与被动土压力计算：
根据盾构机的特点及盾构机施工的原理，结合我国铁路隧道设计施工的具体经验，施工采用朗金理论计算主动土压力与被动土压力。
当盾构机推力偏小，土体处于向下滑动的极限平衡状态，此时土体内的竖直应力σz相当于大主应力σ1，水平应力σa相当于小主应力σa。水平应力σa为维持刀盘前方的土体不向下滑移需要的最小土压力，即土体的主动土压力。画出土体的应力圆，此时水平轴上σ3处的E点与应力圆在抗剪强度线切点M的连线和竖直线间的夹角β为破裂角。
β=1/2∠ENM=1/2（90-φ）=45°-φ/2
σa=σa =σz tan2（45o-φ/2）-2ctan（45o-φ/2）
式中，σz：深度为z处的地层自重应力，c：土的粘着力，z：地层深度，φ：地层内部摩擦角。
当盾构机的推力偏大，土体处于向上滑动的极限平衡状态。
此时刀盘前方的土压力σp相当于大主应力σ1，而竖向应力σz相当于小主应力σa。画出土体的应力圆，当应力圆与抗剪强度线相切时，刀盘前方的土体被破坏，向前滑移。此时作用在刀盘上的土压力σp即土体的被动土压力。
破裂角β’由图可知：
β’ =1/2∠ENM=1/2（90+φ）=45°+φ/2
σp=σ1 =σz tan2（45o+φ/2）+2ctan（45o+φ/2）
式中，σz：深度为z处的地层自重应力，c：土的粘着力，z：地层深度，φ：地层内部摩擦角
（二）地下水压力计算与控制
当地下水位高于隧道顶部，由于地层中孔隙的存在，从而形成侧向地下水压。地下水压力的大小与水力梯度、渗透系数、渗透速度以及渗透时间有关。在计算水压力时，由于地下水在流经土体时，受到土体的阻力，引起水头损失。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。 σw=q ×γh
q--根据土的渗透系数确定的一个经验数值。砂土中q=0.8～1.0，粘性土中q=0.3～0.5。
γ-水的容重
h-地下水位距离刀盘顶部的高度。
在实际施工中，由于管片顶部的注浆可能会不密实，故地下水可能会沿着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。
―σw1=q砂浆 ×γhW
q砂浆--根据砂浆的渗透系数和注浆的饱满程度确定的一个经验数值，一般取q=0.8～1.0。
γ-水的容重
hW-补强注浆处和刀盘顶部的的高差。
在計算水压力时，刀盘后部的水压力与刀盘前方的水压力取大值进行考虑。
二、施工实例
厦门地铁一号线【园～杏区间隧道】盾构工程位于厦门市集美区园博苑，该工程全长664.282米。隧道上覆土厚度最大约13.8米，最小约9.6米。
区间隧道穿越地层大部分是可塑残积砂质黏性土、硬塑残积砂质黏性土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩，局部为中等风化、微风化花岗岩残余体（孤石）。整个区间隧道的地下水位较高。该工程穿越城市主干道和桥梁匝道，对地表沉陷控制要求特别严格。
以下为前一段时间工地土压力理论计算值与实际土压值和掘进产生的沉降对应值。
序号 掘进模式 开挖地层 隧道埋深 地下水位深度 理论土压力 计算依据 实际土压力 沉降值
1 土压平衡 可塑残积砂质黏性土 11m 2m 1.1-1.2bar 浅埋隧道 1.2bar 2.4mm
2 土压平衡 全风化花岗岩 12.5m 2m 1.3-1.4bar 深埋隧道 1.5bar -3.3mm
3 土压平衡 散体状强风化花岗岩 12.5m 2m 1.3-1.4bar 深埋隧道 1.5bar -4.0mm
三、几点体会
通过以上分析可知，由于刀盘对土体的推力不同，在土仓内产生的土压力不同，土体中的侧向土压力的方向与大小也在不断的发生着变化。被动土压力和主动土压力是侧向土压力的最大和最小的极限值。而静止土压力介于两者之间，即Ep>Eo> Ea。当盾构机刀盘前方的土压力大于Ep，土体被向盾构机移动，地面隆起。当盾构机刀盘前方的土压力小于Ea时，土体向下滑动，可能引起地层和地面的沉降。
关键词：盾构法施工;掘进土压力;选择
一、掘进土压力的设定
在选择掘进土压力时主要考虑地层土压，地下水压（孔隙水压），预先考虑的预备压力。
（一）地层施工土压
根据隧道的埋资深度不同，将隧道分为深埋隧道和浅埋隧道。再根据隧道的具体情况采用不同的计算方式进行施工土压计算。
1. 深埋隧道与浅埋隧道的确定
深、浅埋隧道的判定原则一般以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。深埋隧道围岩松动压力值是根据施工坍方平均高度（等效荷载高度）确定的。根据经验，深、浅埋隧道分界深度通常为2～2.5倍的施工坍方平均高度，即Hp=（2～2.5）hq
式中：Hp--深、浅埋隧道分界的深度
hq--施工坍方平均高度，hq=0.45×26-Sω
S—围岩类别，如Ⅲ类围岩，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，B每增减1m时的围岩压力增减率。当B<5m时，取i=0.2，B>5m，取i=0.1。
2. 深埋隧道的土压计算
根据隧道围岩分类和隧道结构参数，按照我国现行的《铁路隧道设计规范》中推荐的计算围岩竖直分布松动压力q的计算公式：
q=0.45×26-Sγω
γ—圍岩容重
地层在产生竖向压力的同时，也产生侧向压力，侧向水平松动压力σa由经验公式可得：
σa=Ea × σZ
Ea计算公式见下表
围岩分类 Ⅵ～Ⅴ Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅰ
水平松动压力σa 0 （0～1/6）q （1/6～1/3）q （1/3～1/2）q （1/2～1）q
3. 浅埋隧道的土压计算
（1）静止土压
静止土压为原状的天然土体中，土处于静止的弹性平衡状态，这时的土压力为静止土压力。在任一深度h处，土的铅垂方向的自重应力σz=γh为最大主应力，而水平应力σx=为最小主应力，其间存在如下关系：
σx=k。.σz=k。. γh
式中： k。为侧向土压力系数， k。=υ/1-υ
υ为岩体的泊松比。
计算地面以下深度为z处的地层自重应力σz，等于该处单位面积上土柱的质量。
σz =γ1h1+γ2h2+γ3h3+…+γnhn=Σγihi
式中：
γi——第i层土的天然容重（地下水位以下一般采用浮容重），kN/m3。
h i——第i层土的厚度，m。
n—从地面到深度z处的土层数。
静止侧向土压力系数k。，即土的侧压力系数确定
①经验值： 砂： k。=0.34～0.45。
粘土 k。=0.5～0.7。
②半经验公式，（目前一般在设计中采用雅基公式）
（Jaky）（砂层）
K0= 1-sinφ
Brooker公式（粘性土层）
K0=0.95-sinφ’
式中，K0：静止土压力系数。
φ、φ’为土的有效内摩擦角。
③日本规范 日本《建筑基础结构设计规范》建议，不分土的种类，k均为0.5。
（2）主动土压力与被动土压力
在浅埋隧道的施工过程中，由于施工的扰动，改变了原状的天然土体的静止的弹性平衡状态，从而使刀盘前方土体产生主动或被动土压力。
（3）主动与被动土压力计算：
根据盾构机的特点及盾构机施工的原理，结合我国铁路隧道设计施工的具体经验，施工采用朗金理论计算主动土压力与被动土压力。
当盾构机推力偏小，土体处于向下滑动的极限平衡状态，此时土体内的竖直应力σz相当于大主应力σ1，水平应力σa相当于小主应力σa。水平应力σa为维持刀盘前方的土体不向下滑移需要的最小土压力，即土体的主动土压力。画出土体的应力圆，此时水平轴上σ3处的E点与应力圆在抗剪强度线切点M的连线和竖直线间的夹角β为破裂角。
β=1/2∠ENM=1/2（90-φ）=45°-φ/2
σa=σa =σz tan2（45o-φ/2）-2ctan（45o-φ/2）
式中，σz：深度为z处的地层自重应力，c：土的粘着力，z：地层深度，φ：地层内部摩擦角。
当盾构机的推力偏大，土体处于向上滑动的极限平衡状态。
此时刀盘前方的土压力σp相当于大主应力σ1，而竖向应力σz相当于小主应力σa。画出土体的应力圆，当应力圆与抗剪强度线相切时，刀盘前方的土体被破坏，向前滑移。此时作用在刀盘上的土压力σp即土体的被动土压力。
破裂角β’由图可知：
β’ =1/2∠ENM=1/2（90+φ）=45°+φ/2
σp=σ1 =σz tan2（45o+φ/2）+2ctan（45o+φ/2）
式中，σz：深度为z处的地层自重应力，c：土的粘着力，z：地层深度，φ：地层内部摩擦角
（二）地下水压力计算与控制
当地下水位高于隧道顶部，由于地层中孔隙的存在，从而形成侧向地下水压。地下水压力的大小与水力梯度、渗透系数、渗透速度以及渗透时间有关。在计算水压力时，由于地下水在流经土体时，受到土体的阻力，引起水头损失。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。 σw=q ×γh
q--根据土的渗透系数确定的一个经验数值。砂土中q=0.8～1.0，粘性土中q=0.3～0.5。
γ-水的容重
h-地下水位距离刀盘顶部的高度。
在实际施工中，由于管片顶部的注浆可能会不密实，故地下水可能会沿着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。
―σw1=q砂浆 ×γhW
q砂浆--根据砂浆的渗透系数和注浆的饱满程度确定的一个经验数值，一般取q=0.8～1.0。
γ-水的容重
hW-补强注浆处和刀盘顶部的的高差。
在計算水压力时，刀盘后部的水压力与刀盘前方的水压力取大值进行考虑。
二、施工实例
厦门地铁一号线【园～杏区间隧道】盾构工程位于厦门市集美区园博苑，该工程全长664.282米。隧道上覆土厚度最大约13.8米，最小约9.6米。
区间隧道穿越地层大部分是可塑残积砂质黏性土、硬塑残积砂质黏性土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩，局部为中等风化、微风化花岗岩残余体（孤石）。整个区间隧道的地下水位较高。该工程穿越城市主干道和桥梁匝道，对地表沉陷控制要求特别严格。
以下为前一段时间工地土压力理论计算值与实际土压值和掘进产生的沉降对应值。
序号 掘进模式 开挖地层 隧道埋深 地下水位深度 理论土压力 计算依据 实际土压力 沉降值
1 土压平衡 可塑残积砂质黏性土 11m 2m 1.1-1.2bar 浅埋隧道 1.2bar 2.4mm
2 土压平衡 全风化花岗岩 12.5m 2m 1.3-1.4bar 深埋隧道 1.5bar -3.3mm
3 土压平衡 散体状强风化花岗岩 12.5m 2m 1.3-1.4bar 深埋隧道 1.5bar -4.0mm
三、几点体会
通过以上分析可知，由于刀盘对土体的推力不同，在土仓内产生的土压力不同，土体中的侧向土压力的方向与大小也在不断的发生着变化。被动土压力和主动土压力是侧向土压力的最大和最小的极限值。而静止土压力介于两者之间，即Ep>Eo> Ea。当盾构机刀盘前方的土压力大于Ep，土体被向盾构机移动，地面隆起。当盾构机刀盘前方的土压力小于Ea时，土体向下滑动，可能引起地层和地面的沉降。