双线隧道盾构施工引起的土体位移分析方法技术

本发明专利技术公开了一种双线隧道盾构施工引起的土体位移分析方法，对各施工条件、工程设备、地质条件进行分析，基于朗肯土压力理论得到盾构施工的各因素的组成大小，应用FLAC 3D软件建立有限差分模型。在数值模型空间中分别对模型进行单隧道开挖，双线隧道同时开挖，左线开挖完成后对右线进行开挖，由模拟结果分析了施工引起的土体移动情况。考虑地质条件对土体损失引起的解析表达式进行修正，结合基于Mindlin位移解得到的施工各因素引起的地表沉降表达式，估算了数值模拟背景中各施工方法引起的地表沉降并与数值模拟结果作对比，验证数值模拟方法以及表达式估算的可靠性。本发明专利技术弥补了行业规范不足的缺陷，对于盾构隧道开挖技术有着现实的指导意义和广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及盾构隧道施工领域，尤其是指一种双线隧道盾构施工引起的土体位移分析方法。
技术介绍
我国城市轨道交通处于一个高速发展的阶段，盾构隧道施工地段处于建筑物，地下管线，道路桥梁密集区等现象越来越普遍。盾构隧道施工会引发周围土体的水平移动和竖向沉降。进而，从多方面对周围的环境产生一系列的影响，严重的土层位移将会对建筑物带来恶劣的后果。隧道盾构施工过程中，盾构机，土体与建筑物之间的影响是一个十分复杂的过程，其中涉及的因素众多，因而，在前人的研究中不可避免存在一些缺陷。主要是在分析隧道施工对周边环境影响的时候大多采用了理想边界简化计算或者采用经验公式进行拟合，但所得到的往往与现实差距过大。随着计算机的发展，数值模拟是能够最大限度的模拟现实施工因素，与此同时，数值模拟也具有不可重复使用，花费成本大等不足。实际的工程背景往往是复杂的，多因素影响的，如何把这些因素考虑到数值模拟中，是模拟结果更加贴合实际，这个问题还是需仔细斟酌的。目前，在我国的工程实践和学术研究中，对于地下土体开挖对邻近建筑物风险评估方面，还没有一个系统的评价标准。我国在各个区规定了地下开挖引发的地表沉降上限值，例如北京等地为30mm。但规定的上限值具有经验性和一般性。对于不同的建筑物的风险评估以及加固措施不一定适用。因此，深入开展隧道施工对周围环境的影响以及沉降的控制基准研究是非常重要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双线隧道盾构施工引起的土体位移分析方法，此方法得到的结果与实际工程相比具有较高的吻合度，弥补了行业规范不足的缺陷，具有创新意义，对于盾构隧道开挖技术有着现实的指导意义和广泛的应用前景。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：双线隧道盾构施工引起的土体位移分析方法，包括以下步骤：1)双线隧道施工地表沉降估算地铁盾构施工过程中对周围土体的作用力主要有推进阻力和扭矩阻力，其中推进阻力主要有掌子面推力、注浆压力以及盾体与周围土体之间的摩擦，扭矩阻力主要由刀盘正面摩擦以及刀盘的侧面摩擦引起，与此同时，盾构机自重引起周边土体的位移应当考虑到隧道的施工中，通过弹性半空间体的位移变形的Mindlin基本解，对双线隧道施工引起的地表沉降进行估算；对均布在掌子面的作用力进行积分，得到单线隧道掌子面推力引起的土层位移： w 1 q ( x , y , z , q ) = ∫ 0 2 π ∫ 0 R w h 1 ( x , y , z , r , θ , q ) r d r d θ - - - ( 1 ) ]]> R 1 = x 2 + ( y - r c o s θ ) 2 + ( z - H + r s i n θ ) 2 - - - ( 2 ) ]]> R 2 = x 2 + ( y - r c o s θ ) 2 + ( z + H - r s i n θ ) 2 - - - ( 3 ) ]]>wh1—竖向位移此时，掌子面推力引起地表的沉降为w1q(x,y,0)，在大多数的数值模拟以及解析式估算中，掌子面附加推力通常取值在±20kpa，对于土压平衡盾构施工，综合考虑各种施工因素的情况下给出经验公式： q = 10.13 ( 1 - v ) E u π v ( 1 - ξ ) 2 ( 1 + v ) ( 3 - 4 v )本文档来自技高网...

【技术保护点】
双线隧道盾构施工引起的土体位移分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)双线隧道施工地表沉降估算地铁盾构施工过程中对周围土体的作用力主要有推进阻力和扭矩阻力，其中推进阻力主要有掌子面推力、注浆压力以及盾体与周围土体之间的摩擦，扭矩阻力主要由刀盘正面摩擦以及刀盘的侧面摩擦引起，与此同时，盾构机自重引起周边土体的位移应当考虑到隧道的施工中，通过弹性半空间体的位移变形的Mindlin基本解，对双线隧道施工引起的地表沉降进行估算；对均布在掌子面的作用力进行积分，得到单线隧道掌子面推力引起的土层位移：w1q(x,y,z,q)=∫02π∫0Rwh1(x,y,z,r,θ,q)rdrdθ---(1)]]>R1=x2+(y-r cosθ)2+(z-H+r sinθ)2---(2)]]>R2=x2+(y-r cosθ)2+(z+H-r sinθ)2---(3)]]>wh1—竖向位移此时，掌子面推力引起地表的沉降为w1q(x,y,0)，在大多数的数值模拟以及解析式估算中，掌子面附加推力通常取值在±20kpa，对于土压平衡盾构施工，综合考虑各种施工因素的情况下给出经验公式：q=10.13(1-v)Euπv(1-ξ)2(1+v)(3-4v)Dkw+Δp′---(4)]]>其中：Δp′—切口切入土体产生的推力，取值范围10‑25kpa；Eu—土体不排水弹性模量，取值为Es0.1‑0.2—压缩模量；v—盾构机掘进速度；w—刀盘转速；k—刀盘闭口部分幅数；D—刀盘直径；ξ—刀盘开口率；对盾构长度方向上进行积分，得到单线盾体摩擦对周围土体的位移表达式如下：w2f(x,y,z,f)=∫0L∫02πwh1(x-W-l,y,z,r,θ,f)Rdθdl---(5)]]>R1=(y-R sinθ)2+(x-W-l)2+(z-H+R sinθ)2---(6)]]>R2=(y-R sinθ)2+(x-W-l)2+(z+H-R sinθ)2---(7)]]>其中：wh1(x‑W‑l,y,z,r,θ,f)—竖向位移f—盾体与周围土体的摩擦力；任意刀具位置上的竖向以及水平分力由下面式子表示：pv1=P1·r cosαR---(8)]]>ph1=P1·r cosαR---(9)]]>pv2=P2·r sinαR---(10)]]>ph2=P2·r cosαR---(11)]]>α＝φ+2kπ/n   (12)p1=3(T1+T3)nR2---(13)]]>p2=T22πR2w---(14)]]>其中：p1—每一幅刀具上面最远端受到的最大摩擦力；p2—刀盘侧面认为是受到均布的摩擦力；pv—竖向集中力；ph—水平集中力；φ—为刀盘切入角；n—为刀具幅数；k—为第k幅刀具；T1—刀盘正面摩擦扭矩；T2—盘周边摩擦扭矩；T3—刀盘切削渣土所需要扭矩；在纵向上积分得到重力引起的土体沉降估算表达式为：w5G(x,y,z,P)=∫0L∫π2πwv2(x-W-l,y,z,R,θ,P sinθ)Rdθdl---(15)]]>其中：wv2(x‑W‑l,y,z,R,θ,P sinθ)—任意一个重力均布力分量P1引起的位移分量P—隧道轴线处的重力分量；叠加Mindlin位移解计算出来的结果在掌子面后方计算值大于实际数据，因此，越接近隧道的土层，管片与盾构之间的空间对于土体沉降的影响越大，基于公式计算出来的结果与实际之间误差越大，因此能够知道隧道施工过程中引起的沉降为众多施工因素与土体损失引起的沉降和；2)数值模型的建立模型采用FLAC 3D有限差分软件进行模型，土体和注浆为实体单元，采用摩尔库伦弹塑性模型，盾壳和衬砌采用shell单元进行模拟，为各向同性弹性材料；建立双线路隧道模型，对模型施加重力，使模型在自重的下达到平衡，得到模型原始自重应力场，对模型的应力场清零；接着对隧道进行开挖，具体开挖步骤如下：2.1)开挖出注浆圈以内的土体，对开挖面施加预设的均布力，模拟盾构的的掌子面推力，简化成四幅刀模拟刀盘切削扭矩，并在刀盘侧面的超挖软弱层上施加侧面摩擦，在盾壳上施加均布力来模拟顶推力用于克服盾壳与土体之间摩擦的部分，在盾壳下端施加盾构自身重力，运行预设的时步，时步的确定方式，开挖之前进行试开挖，确定盾构掘进过程中隧道轴线处顶部土体的位...

【技术特征摘要】
1.双线隧道盾构施工引起的土体位移分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)双线隧道施工地表沉降估算地铁盾构施工过程中对周围土体的作用力主要有推进阻力和扭矩阻力，其中推进阻力主要有掌子面推力、注浆压力以及盾体与周围土体之间的摩擦，扭矩阻力主要由刀盘正面摩擦以及刀盘的侧面摩擦引起，与此同时，盾构机自重引起周边土体的位移应当考虑到隧道的施工中，通过弹性半空间体的位移变形的Mindlin基本解，对双线隧道施工引起的地表沉降进行估算；对均布在掌子面的作用力进行积分，得到单线隧道掌子面推力引起的土层位移： w 1 q ( x , y , z , q ) = ∫ 0 2 π ∫ 0 R w h 1 ( x , y , z , r , θ , q ) r d r d θ - - - ( 1 ) ]]> R 1 = x 2 + ( y - r c o s θ ) 2 + ( z - H + r s i n θ ) 2 - - - ( 2 ) ]]> R 2 = x 2 + ( y - r c o s θ ) 2 + ( z + H - r s i n θ ) 2 - - - ( 3 ) ]]>wh1—竖向位移此时，掌子面推力引起地表的沉降为w1q(x,y,0)，在大多数的数值模拟以及解析式估算中，掌子面附加推力通常取值在±20kpa，对于土压平衡盾构施工，综合考虑各种施工因素的情况下给出经验公式： q = 10.13 ( 1 - v ) E u π v ( 1 - ξ ) 2 ( 1 + v ) ( 3 - 4 v ) D k w + Δp ′ - - - ( 4 ) ]]>其中：Δp′—切口切入土体产生的推力，取值范围10-25kpa；Eu—土体不排水弹性模量，取值为Es0.1-0.2—压缩模量；v—盾构机掘进速度；w—刀盘转速；k—刀盘闭口部分幅数；D—刀盘直径；ξ—刀盘开口率；对盾构长度方向上进行积分，得到单线盾体摩擦对周围土体的位移表达式如下： w 2 f ( x , y , z , f ) = ∫ 0 L ∫ 0 2 π w h 1 ( x - W - l , y , z , r , θ , f ) R d θ d l - - - ( 5 ) ]]> R 1 = ( y - R s i n θ ) 2 + ( x - W - l ) 2 + ( z - H + R s i n θ ) 2 - - - ( 6 ) ]]> R 2 = ( y - R s i n θ ) 2 + ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁鸿，容伟权，杨雄飞，韩军，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东;44