一种针对浅覆土工况下地面出入式盾构开挖引起的土体变形计算方法

摘要

本发明涉及一种针对浅覆土工况下地面出入式盾构开挖引起的土体变形计算方法，包括如下步骤：(1)参数计算：tanβ参数计算、g参数计算；(2)土体变形的计算，基于新建立的隧道上浮至土体边界顶部的隧道开挖断面收敛模型，利用随机介质理论，取一微单元，推导得到地面出入式盾构隧道施工引起x，y，z三个方向的土体变形计算公式。本发明的有益效果是：本发明深入研究了浅覆土地面出入式盾构开挖断面的收敛模型，考虑覆土较浅引起的注浆后隧道上浮以及盾构轴线与水平面的夹角α，基于随机介质理论，推导出的土体变形计算公式，运用Matlab可以快速计算实际工程中土体的垂直变形和水平变形。

权利要求

1.一种针对浅覆土工况下地面出入式盾构开挖引起的土体变形计算方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.参数计算

S1.1tanβ参数计算

根据公式：

式中：tanβ为隧道周边土层的主要影响角的正切值；β为隧道周边土层的主要影响角；k为地表沉降槽宽度参数；H为盾构隧道轴线埋深；

盾构隧道轴线埋深公式：

H＝h-tanα     (2)式中：h为初始隧道轴线埋深；

联立式(1)、(2)得到：

S1.2g参数计算

g为等效土体损失参数，ε为最大土体损失率，R为盾构机外半径，g与土体损失率ε之间的关系，采用公式：本步骤的目的是为土体变形的计算确定输入参数；

S2.土体变形的计算

基于新建立的隧道上浮至土体边界顶部的隧道开挖断面收敛模型；R为盾构机外半径，g为等效土体损失参数；利用随机介质理论，取一微单元，推导得到地面出入式盾构隧道施工引起x，y，z三个方向的土体变形计算公式；

沿掘进方向的土体水平变形计算公式：与隧道垂直方向的土体水平变形公式：土体垂直竖向变形计算公式：

式中：β为隧道周边土层的主要影响角；H为盾构隧道轴线埋深；三重积分上下限分别为：a＝H+R，b＝H-R， e＝H-R，f＝H+R-g，

说明书

一种针对浅覆土工况下地面出入式盾构开挖引起的土体变形

计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用随机介质理论和新型隧道开挖断面收敛模型来计算由土体损失引起的浅覆土地面出入式盾构土体变形的计算方法。属于地下工程技术领域。

背景技术

[0002] 地面出入式盾构法施工埋深较浅，尤其是对覆土浅段土体的扰动较大，有可能引发邻近地下管线以及建筑物的破坏，存在严重的安全隐患。现有地面出入式盾构法施工引起土体变形计算方法都只考虑上仰掘进工况没有考虑下探掘进，且没有考虑浅覆土工况下隧道上浮的影响，仅能对土体垂直变形进行计算，无法计算水平土体变形，与实际有所出入。

发明内容

[0003] 本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种合理的针对浅覆土工况下地面出入式盾构开挖引起的土体变形计算方法。

[0004] 针对浅覆土工况下地面出入式盾构开挖引起的土体变形计算方法，包括如下步骤：

[0005] S1.参数计算

[0006] S1.1tanβ参数计算

[0007] 根据公式：

[0008]

[0009] 式中：tanβ为隧道周边土层的主要影响角的正切值；β为隧道周边土层的主要影响角；k为地表沉降槽宽度参数；H为盾构隧道轴线埋深；

[0010] 盾构隧道轴线埋深公式：

[0011] H＝h-tanα  (2)

[0012] 式中：h为初始隧道轴线埋深；

[0013] 联立式(1)、(2)得到：

[0014]

[0015] S1.2g参数计算

[0016] g为等效土体损失参数，ε为最大土体损失率，R为盾构机外半径，g与土体损失率ε之间的关系，采用公式：

[0017]

[0018] 本步骤的目的是为土体变形的计算确定输入参数；

[0019] S2.土体变形的计算

[0020] 基于新建立的隧道上浮至土体边界顶部的隧道开挖断面收敛模型；R为盾构机外半径，g为等效土体损失参数；利用随机介质理论，取一微单元，推导得到地面出入式盾构隧道施工引起x，y，z三个方向的土体变形计算公式；

[0021] 沿掘进方向的土体水平变形计算公式：

[0022]

[0023] 与隧道垂直方向的土体水平变形公式：

[0024]

[0025] 土体垂直竖向变形计算公式：

[0026]

[0027] 式中：β为隧道周边土层的主要影响角；H为盾构隧道轴线埋深；三重积分上下限分别为：a＝H+R，b＝H-R， e＝H-R，f＝H+R-g，

[0028] 本发明的有益效果是:本专利深入研究了浅覆土地面出入式盾构开挖断面的收敛模型，考虑覆土较浅引起的注浆后隧道上浮以及盾构轴线与水平面的夹角α，基于随机介质理论，推导出的土体变形计算公式，运用Matlab可以快速计算实际工程中土体的垂直变形和水平变形。通过本专利理论公式，对实际浅覆土工况地面出入式盾构施工中的土体变形大小进行预测，对工程具有预防和指导作用，并且为今后有关浅覆土工况的地面出入式盾构施工对周边环境影响方面的研究提供理论基础。

附图说明

[0029] 图1为力学模型示意图；

[0030] 图2为地面出入式盾构开挖断面收敛模式；

[0031] 图3为开挖单元示意图；

[0032] 图4为第60环测点纵向地表沉降曲线；

[0033] 图5为第33环测点横向地表沉降曲线；

[0034] 图6为第65环测点沿纵向的土体水平变形曲线；

[0035] 图7为第65环测点沿横向的土体水平变形曲线。

具体实施方式

[0036] 下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

[0037] 本专利建立隧道上浮至土体边界顶部的隧道开挖断面收敛模型，基于随机介质理论，建立浅覆土地面出入式盾构隧道施工时由于土体损失引起的土体变形计算方法，可有效预测地面出入式盾构法施工中浅覆土段(≤0.5倍的盾构外机直径)的土体变形。地面出入式盾构力学计算模型，如图1所示。

[0038] 图中x为离开挖面的水平距离，以掘进方向为正；y为离轴线的横向水平距离；z为离地面的竖向距离，以向下为正；α为盾构轴线与水平面的夹角(上仰为正值，下探为负值)。

[0039] 本专利提供的一种针对浅覆土工况下地面出入式盾构开挖引起的土体变形计算方法，包括以下2个步骤：

[0040] 1.参数计算

[0041] 1.1 tanβ参数计算

[0042] 根据公式：

[0043]

[0044] 式中：tanβ为隧道周边土层的主要影响角的正切值；β为隧道周边土层的主要影响角；k为地表沉降槽宽度参数；H为盾构隧道轴线埋深。

[0045] 盾构隧道轴线埋深公式：

[0046] H＝h-tanα  (2)

[0047] 式中：h为初始隧道轴线埋深。

[0048] 联立式(1)、(2)得到：

[0049]

[0050] 1.2g参数计算

[0051] g为等效土体损失参数，ε为最大土体损失率，R为盾构机外半径，g与土体损失率ε之间的关系，采用公式：

[0052]

[0053] 本步骤的目的是为土体变形的计算确定输入参数。

[0054] 2.土体变形的计算

[0055] 基于新建立的隧道上浮至土体边界顶部的隧道开挖断面收敛模型如图2所示。图中R为盾构机外半径，g为等效土体损失参数。利用随机介质理论，取一微单元，如图3所示，推导得到地面出入式盾构隧道施工引起x，y，z三个方向的土体变形计算公式。

[0056] 沿掘进方向(纵向)的土体水平变形计算公式：

[0057]

[0058] 与隧道垂直方向(横向)的土体水平变形公式：

[0059]

[0060] 土体垂直竖向变形计算公式：

[0061]

[0062] 式中：β为隧道周边土层的主要影响角；H为盾构隧道轴线埋深；三重积分上下限分别为：a＝H+R，b＝H-R， e＝H-R，f＝H+R-g，

[0063] 以上公式利用MATLAB编制成相应的计算机程序，输入相关的计算参数，便可方便的计算出地面出入式盾构施工中由于土体损失引起的隧道周围土体变形。

[0064] 本专利以吴惠明的《地面出入式盾构隧道结构变形特性及控制研究》一文中南京机场线秣陵站～将军路站区间的地面出入段工程为背景，采用单线地面出入式盾构法施工。

[0065] 实施实例1：

[0066] 参数取值：隧道第60环测点的覆土层厚度为0.5D＝3.1m。计算参数取值：h＝6.2m，D＝6.2m，ε＝0.096％，根据韩煊的《隧道施工引起地层位移及建筑物变形预测的实用方法研究》一文中关于地表沉降槽宽度参数k的取值研究，本实例取k＝0.50，α＝-2.6°。

[0067] 步骤1：计算参数取值，根据参数取值计算地表沉降时，隧道第60环测点沿着开挖掘进方向tanβ为隧道周边土层的主要影响角的正切值按照公式(3)计算得如下取值关系式：

[0068]

[0069] 根据参数取值计算地表沉降时，隧道第60环测点沿着开挖掘进方向的等效土体损失参数g按照公式(4)计算得

[0070] 步骤2：将步骤1所计算的参数，以及给出的基本参数代入公式(7)所利用MATLAB编制成相应的计算机程序，输入计算坐标，记录计算得出地表沉降值，录入Excel表格。

[0071] 步骤3：利用步骤2计算的计算数据和DataDig352软件从滕丽的《地面出入式盾构法隧道技术(GPST)施工变形监测与分析研究》一文中含有对应数据图中取出的数据，在Excel表格内画出曲线图。

[0072] 步骤4：分析曲线图，得出结论。如图4所示：(1)盾构下探掘进时，土体损失主要引起地表沉降，且集中在开挖面后方，大约在开挖面后方25m处沉降值最大(4.2mm)；(2)本文计算结果，与滕丽的《地面出入式盾构法隧道技术(GPST)施工变形监测与分析研究》该文方法纵向地表沉降有限元模拟值以及实测数据比较吻合，表明本文新建模型及计算方法具有一定可靠性；(3)在开挖面后方实测沉降值有明显减小趋势，由于本文方法没有考虑盾壳摩擦力和附加注浆压力，与实测数据有一定偏差。

[0073] 实施实例2：

[0074] 参数取值：隧道第33环测点的覆土层厚度为0.3D＝1.86m。计算参数取值：h＝4.96m，D＝6.2m，ε＝0.107％，根据韩煊《隧道施工引起地层位移及建筑物变形预测的实用方法研究》一文中关于地表沉降槽宽度参数k的取值研究，本实例取k＝0.50，α＝-1.2°。

[0075] 实施步骤同实施实例1，步骤1至3按照对应工况和参数取值进行。仅对步骤4进行介绍。

[0076] 步骤4：分析曲线图，得出结论。如图5所示：(1)本文方法计算结果，与赵辛玮的《盾构快速穿越法超浅覆土及负覆土隧道施工预测分析》该文方法横向地表沉降有限元模拟值以及实测数据非常吻合，本文方法计算的最大值比赵辛玮的《盾构快速穿越法超浅覆土及负覆土隧道施工预测分析》中有限元沉降模拟值更加接近实测值，表明本文理论解具有可靠性；(2)横向地表沉降影响范围在距隧道轴线两侧8m左右，最大沉降值在5mm左右；(3)由于本文方法仅考虑土体损失，故计算结果没有出现地表隆起。实测和有限元模拟在距隧道轴线8m左右的位置均出现了微小的隆起。

[0077] 实施实例3：

[0078] 参数取值：隧道第65环测点的覆土层厚度为0.5D＝3.1m。计算参数取值：h＝6.2m，D＝6.2m，ε＝0.35％，根据韩煊《隧道施工引起地层位移及建筑物变形预测的实用方法研究》文中关于地表沉降槽宽度参数k的取值研究，本实例取k＝0.50，α＝-2.6°。

[0079] 实施步骤同实施实例2。

[0080] 步骤4：分析曲线图，得出结论。如图6所示：(1)本文方法计算结果与吴惠明《地面出入式盾构隧道结构变形特性及控制研究》文中的实测数据基本吻合，表明本文理论解的可靠性；(2)沿纵向的土体水平变形是负值，即向着盾尾方向移动，这是由于土体损失的原因；(3)沿纵向的土体水平变形在隧道轴线上部影响较大，实际工程中最大变形值控制的比较好，最大值小于3mm。

[0081] 如图7所示：(1)本文方法计算结果与吴惠明《地面出入式盾构隧道结构变形特性及控制研究》文中的实测数据基本吻合，表明本文理论解具有可靠性；(2)在垂直深度4m附近位置，水平变形方向发生了变化，在0-4m土体产生向外侧的移动，4m以下则向隧道方向移动；(3)横向的土体水平变形在隧道轴线左右两侧的上部影响较大，实际工程中最大变形值控制的比较好，土体横向水平变形值范围在-4mm到3mm。