琼州海峡盾构施工难题与饱和土有效应力原理的应用

琼州海峡盾构施工难题与饱和土有效应力原理的应用

1 饱和土有效应力原理解释

饱和土有效应力原理：σ₁ =σ₁′+μ₁。σ₁是饱和土竖直方向总应力；平均水应力μ₁是孔隙水对孔隙面积的作用力在总截面上的平均应力，对土骨架无力的作用，是中和应力；土骨架应力σ₁′是土骨架重力、土骨架所受浮力和孔隙水压力在土骨架截面上的作用力的合力在截面上的平均应力，直接影响土骨架的变形，是有效应力。对于饱和土有效应力可以这样理解：在一个截面上，作用在土骨架上的力都是有效力，作用在孔隙中的力都是中和力，中和应力和有效应力都是在分析截面上的平均应力。

水土侧向压力计算公式：P_总=（k₀（ϒ_sat-ϒ_wm₁）+ ϒ_wm₁）h

水土垂直方向压力计算公式：P_总=（ϒ_sat-ϒ_wm₁）h + ϒ_wm₁h

2 琼州海峡隧道工程面临的重大难题

袁大军教授在2020年5月30日在线直播了《超高水压越江海长大盾构隧道工程安全的基础研究》，提出了琼州海峡隧道工程面临的重大难题：

水压2MPa以上；

盾构直径达17m以上，国际上尚无先例；

300米巨厚砂层，含卵砾石；

隧道长达27.6公里。

现对隧道施工水压提出个人观点，仅供参考。

3、琼州海峡盾构施工水压与土压的分析

3.1 中和应力系数的计算

根据笔者计算出来的中和应力系数的公式，可根据岩土的给水度m（如下表）计算出中和应力系数m₁(如下表)。

岩土的给水度（m）

岩土名称	给水度
砾砂	0.30～0.35
粗砂	0.25～0.30
中砂	0.20～0.25
细砂	0.15～0.20
粉砂	0.10～0.15
亚粘土	0.10～0.15
粘土	0.04～0.07
泥炭	0.02～0.05

中和应力系数（m₁）

岩土名称	中和应力系数
砾砂	0.45～0.5
粗砂	0.4～0.45
中砂	0.34～0.4
细砂	0.28～0.34
粉砂	0.22～0.28
亚粘土	0.22～0.28
粘土	0.12～0.17
泥炭	0.07～0.14

3.2 饱和土有效应力原理下水土压力计算

设琼州海峡盾构上方海水埋深200米，盾构上方粗砂埋深70米，海水容重为10.5kn/m₃,饱和粗砂容重为18 kn/m³。粗砂的中和应力系数m₁取0.45（如下图）。

根据饱和土有效应力原理σ₁ =σ₁′+μ₁计算盾构上方的水土压力。

水应力（中和应力）：μ₁=10.5*200*0.45=945KPa=0.945MPa

土应力（有效应力）：σ₁′=(18-10.5)*70+10.5*200*(1-0.45)=1680 KPa=1.68MPa

总应力：σ₁ =σ₁′+μ₁=0.945+1.68=2.625 MPa

3.3 太沙基有效应力原理下水土压力计算

设琼州海峡盾构上方海水埋深200米，盾构上方粗砂埋深70米，海水容重为10.5kn/m3,饱和粗砂容重为18 kn/m³。

根据太沙基有效应力原理σ =σ′+μ计算盾构上方的水土压力。

孔隙水压力（中和应力）：μ=10.5*200=2100KPa=2.1MPa

土应力（有效应力）：σ′=(18-10.5)*70=525 KPa=0.525MPa

总应力：σ₁ =σ′+μ=2.1+0.525=2.625 MPa

3.4 太沙基有效应力和饱和土有效应力原理的区别分析

根据太沙基有效应力原理和饱和土有效应力原理计算结果可知，琼州海峡隧道上方无变形的总应力是相等的，但水压力和土压力值差别较大。当考虑允许隧道上方土体有变形（既可考虑土拱效应）时，水土总应力值截然不同（如下表）。假设隧道上方土拱效应很强，可以成拱，带压开仓和盾构掘进的平衡压力值将会从太沙基有效应力原理的水压2.1MPa降低至饱和土有效应力原理的水压0.945MPa。饱和土有效应力原理在理论上是正确的，如果采用饱和土有效应力原理进行设计与施工，琼州海峡隧道建设的难度将会有所降低。

4 结论

饱和土有效应力原理理论正确，可解决许多土力学的争论，会对琼州海峡的隧道建设有所帮助。