一种确定盾构土仓压力的方法及其数学模型和构建方法技术

本发明专利技术公开了一种确定盾构土仓压力的方法及其数学模型和构建方法；所述确定盾构土仓压力的数学模型为：该数学模型通过参数盾构机的埋深、开挖隧道的断面、上覆土体的容重和有效内摩擦角以及在保证盾构施工安全的必要条件下构建而成；而盾构土仓的压力则通过确定参数盾构机的埋深、开挖隧道的断面以及上覆土体的容重和有效内摩擦角后，代入数学模型获得；本申请通过构建模型确定盾构土仓压力，方法简洁易懂有效，所需指标非常简便，通过普通的岩土工程勘察即可获得；利用本发明专利技术确定的盾构土仓压力，比国外确定方法获得的值稍高，和实际监测数据对比，高于最低监测值，但远远低于最高监测结果，效果很好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种确定盾构土仓压力的方法及其数学模型和构建方法，属于盾构隧道工程施工领域。
技术介绍
随着城市地面空间用地的紧张，城市基础设施建设和城市空间布局向地下调整已是城市发展的必然趋势。盾构法隧道由于对周围环境影响较小、适应软弱地质条件、施工速度快等优点，在地下工程建设中得到广泛应用。但盾构施工一个关键问题是合理确定盾构土仓内的土压，保证采掘面土压力的平衡，从而避免土体塌陷，避免地面沉降，同时避免掘进效率降低，设备能耗和损耗加大等问题。目前国内的确定方法主要是采用土力学有关公式进行计算，要求具有较复杂的土力学基础，且没有充分考虑上覆土体的有效内摩擦角和开挖面积的影响。国内的确定方法通常只考虑了土层的自重，一般采用下列经验公式估算范围：p＝k0q～p＝k0(q+γh) (1)p＝qtg2(45°-φ/2)-2cctg(45°-φ/2)～p＝(q+γD)tg2(45°-φ/2)-2cctg(45°-φ/2) (2)其中，k0为静止土压系数，c为粘聚力，φ为土体的内摩擦角，D为隧道直径，q为上覆土的均布荷载。上述公式没有考虑上覆土体的有效内摩擦角和开挖面积的影响。国外的确定方法比较繁琐，需要一系列的查表、查值获得，通常采用下述公式计算最小土压： σ ′ = F 0 γ ′ d - F 1 c ′ + F 2 γ ′ Δ h - F 3 c ′ Δ h d - - - ( 3 ) ]]>此处Δh表示地下水位到隧道中心的垂直距离。Fi(i＝0,1,2and 3)是取决于摩擦角,埋深/直径比C/d，土体干容重和浮容重比等的无量纲参数，具体计算非常繁琐，也需要查表确定Fi参数。
技术实现思路
针对上述两种方法存在的缺点，基于研究和有关工程验证，本申请提出一种综合考虑土体有效内摩擦角和开挖面积的简洁有效的确定盾构土仓压力的方法。具体技术方案如下。本申请提供一种确定盾构土仓压力的方法，包括如下步骤，(1)确定盾构机的埋深和开挖隧道的断面；(2)确定上覆土体的容重、有效内摩擦角；(3)根据盾构土仓压力模型进行计算，确定盾构土仓压力；所述盾构土仓压力模型为： σ = 2 γ π ( 2 C + d ) ( 1 - sinφ ′ ) ]]>其中γ为土体容重，C为地面到隧道顶部距离即盾构机的埋深，d为隧道直径即开挖隧道的断面，φ'为土体的有效内摩擦角。进一步地，上述步骤(1)所述盾构机的埋深和开挖隧道的断面分别通过确定覆土厚度和断面直径获得。在实际的项目工作中，需要对不同阶段的地质、水文情况进行勘察，在勘察中通过对相关的岩土工程试验来确定上覆土体的容重和有效内摩擦角。优选地，在实际的工程实践中，上述步骤(2)中所述土体的容重和有效内摩擦角为加权平均值。本申请还提供了用来确定盾构土仓压力的数学模型，所述数学模型为： σ = 2 γ π ( 2 C + d ) ( 1 - sinφ ′ ) ]]>其中γ为土体容重，C为地面到隧道顶部距离即盾构机的埋深，d为隧道直径即开挖隧道的断面，φ'为土体的有效内摩擦角。上述盾构土仓压力数学模型通过参数盾构机的埋深、开挖隧道的断面、上覆土体的容重、有效内摩擦角以及在保证盾构施工安全的必要条件下构建而成。在盾构土仓压力模型的构建过程中，所述开挖面土体必须达到平衡状态的假设为：假设土压以外接隧道开挖面以正方形分布，计算盾构开挖面处的土压；考虑正方形的面积，计算外部土压形成的向隧道方向的土体压力；在此估算中考虑了土体的有效内摩擦角和开挖面外接正方形的面积；假设盾构土仓压力均匀分布在圆形开挖面，其导致的土压力和外部土体导致的向隧道内的土压力形成弹性平衡。有益效果：1)本专利技术考虑了上覆土体的强度指标(有效内摩擦角)和重量(容重)，也考虑了土体厚度以及盾构隧道的开挖面积(盾构隧道开挖面积及其外接正方形面积)。模型简洁易懂有效，所需指标非常简便，通过普通的岩土工程勘察即可获得；2)利用本专利技术确定的盾构土仓压力，比国外确定方法获得的值稍高，因为国外方法确定的为最低土压力；和实际监测数据对比，高于最低监测值，但远远低于最高监测结果；3)利用本专利技术确定土仓压力的结果处于国外确定方法和实测数据的下限和上限之间，效果很好。附图说明图1本申请的工作原理示意图；图2天津地铁6号线大毕庄-金钟河站典型工程地质情况；图3监测沉降观测点布置图；图4盾构腔室土压监测数据和模型计算结果。具体实施方式下面将结合附图和实施例，对本专利技术的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。开挖面失稳是盾构施工引起地面沉降的一个原因，而盾构腔室土压是保持开挖面稳定的关键。本申请通过在实际隧道施工中的监测建立了一个包含不同施工阶段地面沉降的观测数据，盾构腔室土压，注浆压力和注浆量等的数据库，并对相关数据进行了分析。在对前人盾构土压的确定模型研究的基础上，提出了分别用总压力和有效压力确定盾构腔室土压力的模型，并用数据库中的数据对所提出的模型进行了验证，证明模型简洁有效，可以用来指导有关项目施工具体的实施和构建方法如下。实施例11、模型构建，通过参数盾构机的埋深、开挖隧道的断面、上覆土体的容重、有效内摩擦角，根据开挖面土体达到平衡状态要求，构建盾构土仓压力模型： σ = 2 γ π ( 2 C + d ) 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定盾构土仓压力的方法，其特征在于，包括如下步骤，(1)确定盾构机的埋深和开挖隧道的断面；(2)确定上覆土体的容重、有效内摩擦角；(3)根据盾构土仓压力模型进行计算，确定盾构土仓压力；所述盾构土仓压力模型为：σ=2γπ(2C+d)(1-sinφ′)]]>其中γ为土体容重，C为地面到隧道顶部距离即盾构机的埋深，d为隧道直径即开挖隧道的断面，φ'为土体的有效内摩擦角。

【技术特征摘要】
1.一种确定盾构土仓压力的方法，其特征在于，包括如下步骤，(1)确定盾构机的埋深和开挖隧道的断面；(2)确定上覆土体的容重、有效内摩擦角；(3)根据盾构土仓压力模型进行计算，确定盾构土仓压力；所述盾构土仓压力模型为： σ = 2 γ π ( 2 C + d ) ( 1 - sinφ ′ ) ]]>其中γ为土体容重，C为地面到隧道顶部距离即盾构机的埋深，d为隧道直径即开挖隧道的断面，φ'为土体的有效内摩擦角。2.根据权利要求1所述的一种确定盾构土仓压力的方法，其特征在于，步骤(1)所述盾构机的埋深和开挖隧道的断面分别通过确定覆土厚度和断面直径获得。3.根据权利要求1所述的一种确定盾构土仓压力的方法，其特征在于，步骤(2)中所述土体的容重和有效内摩擦角为加权平均值。4.一种确定盾构土仓压力的数学模型，其特征在于，所述数学模型为： σ ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东元，周建军，徐华，高波，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51