考虑刀土摩擦的砂土盾构隧道开挖面支护压力计算方法

确定盾构隧道开挖面极限支护压力是隧道工程中的核心问题之一。现有研究一般忽略盾构刀盘与主动极限状态时开挖面前方失稳土体间的摩擦效应，导致计算结果偏保守。为了解决此问题，首先，基于梯形楔形体模型，考虑盾构开挖掌子面与前方被切削土体之间的竖向摩擦力、楔形体与上方土柱之间因相对错动引起的横向摩擦力以及隧道埋深对极限支护压力的影响，推导了砂土地层盾构开挖面的极限支护压力计算公式；其次，通过与其他理论方法及试验结果进行对比，验证了本文方法的合理性；最后，讨论了刀土摩擦力在不同工况下对盾构开挖面极限支护压力的影响规律。研究结果表明：在其他参数不变时，开挖面极限支护压力随着刀土外摩擦角增大而逐渐减小，与刀土外摩擦角近似呈线性关系；刀盘土体间摩擦力对维持盾构开挖面稳定具有有利影响，对开挖面极限支护压力的影响不可忽略；适当增大刀盘与前方土体间的外摩擦角可有效增加开挖面的极限稳定性；刀土摩擦力对浅埋情况的盾构隧道开挖面极限支护压力的影响要明显比深埋情况的影响大，在选择盾构掘进刀具时应重点考虑埋深的影响。