一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法技术

本发明专利技术涉及一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法。针对岩溶地层中地铁盾构隧道周围分布有溶洞的地质情况，根据地质勘查资料及施工设计资料获取相关参数；根据地层剖面参数在数值模拟软件中建立三维有限元计算模型；统计代表性溶洞及对应参数，构建地层‑溶洞有限元模型；根据盾构施工参数，构建地层‑溶洞‑隧道有限元模型，模拟盾构掘进过程；改变代表性溶洞与隧道轮廓线的距离及相对位置，利用有限元计算得到隧道模型周边的塑性变形最大距离，进而获得盾构隧道溶洞处理范围。该方法克服了现有技术中溶洞处理范围缺少理论依据的问题，提供了一种切实可行的溶洞处理范围判断方法且简单实用，便于推广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法
本专利技术涉属于隧道工程
中施工参数的确定方法，具体的，涉及一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法。
技术介绍
盾构掘进过程中溶洞对隧道围岩稳定性的影响显著，岩溶的存在增加了地铁隧道施工的施工难度，影响隧道的结构稳定，容易诱发岩溶塌落进而导致地面沉降。目前，现有研究及已有专利技术表明，针对隧道提出的溶、土洞的注浆处理原则为所有岩面以上的土洞均处理；凡是区间范围内、地质勘查己揭示的土洞，全部自地面进行充填注浆加固处理。但以上方法对溶洞安全距离研究不足，溶洞处理范围判断缺少依据，依赖于工程经验。同时，现有通过建立数值模型判断围岩稳定性的研究中，提出了隧道结构外0.5倍洞径内溶洞应处理的岩溶处治范围；溶洞影响分界线约为溶洞直径2～3倍。现有通过数值模拟手段判断围岩稳定性的研究大部分仅考虑溶洞的二维条件，忽略了溶洞的三维尺寸，对盾构开挖过程的模拟较为粗糙，且未考虑溶洞的充填情况，由此导致部分数值模拟结果与实际工程差异较大。另一方面，上述研究着重于分析溶洞存在对围岩稳定性的影响，未形成一套可用于工程实践的盾构隧道周边溶洞处理范围判断方法。在上述条件下，实际施工中缺少合适的溶洞安全距离判断方法，容易造成溶洞处理范围不准确，导致部分数值模拟结果与实际工程差异较大，降低施工效率，给岩溶区的盾构施工埋下安全隐患。岩溶地层盾构隧道掘进施工中，当围岩应力达到或超过强度临界值时，将形成连续贯通的塑性变形，并产生剪切破坏，引起较大位移从而导致失稳。因此，可通过观察隧道围岩在掘进过程中产生的塑性变形范围与溶洞自身塑性变形范围贯通与否来判断隧道周边溶洞的安全距离。
技术实现思路
为了解决新建隧道盾构施工过程中岩溶处理范围不明确的问题，本专利技术提供了一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其主要技术方案为：一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其主要包括以下五个步骤：步骤一：根据地质勘查资料获得隧道所在位置的地层剖面参数；统计隧道周边溶洞的基本特征及分布情况，获得代表性溶洞及对应参数；根据施工设计资料获取盾构施工参数。步骤二：根据地层剖面参数在数值模拟软件中建立三维有限元计算模型；步骤三：根据代表性溶洞及对应参数，构建地层-溶洞有限元模型；步骤四：根据盾构施工参数，构建地层-溶洞-隧道有限元模型，模拟盾构掘进过程；步骤五：改变代表性溶洞与隧道轮廓线的距离及相对位置，利用有限元计算得到隧道模型周边的塑性变形最大距离，进而获得盾构隧道溶洞处理范围。优选地，于步骤一中，根据地质勘查资料获取隧道所在位置的地层剖面参数包括：地表建筑物情况，地层的水平分层情况及各土层容重γ、弹性模量E、泊松比μ、黏聚力c及内摩擦角地下水位高度。优选地，于步骤一中，根据地质勘查资料统计隧道周边溶洞的基本特征及分布情况包括：溶洞平均横向宽度x溶洞、平均纵向长度y溶洞、平均高度z溶洞、溶洞平均填充率a、填充物容重γ充填，溶洞与隧道的相对位置关系(上部、平行、下部)。优选地，于步骤一中，根据溶洞基本特征及分布情况获得代表性溶洞及对应参数包括：假设代表性溶洞为长方体，其几何尺寸与溶洞平均横向宽度x溶洞、平均纵向长度y溶洞、平均高度z溶洞相等；代表性溶洞的容重γ溶洞为：γ溶洞＝c*γ充填代表性溶洞与隧道轮廓线的距离表示为d，其与隧道的相对位置关系可以简化为位于隧道正上方，与隧道平行，位于隧道正下方。优选地，于步骤一中，根据施工设计资料获取盾构施工参数包括：隧道埋深H、隧道穿越地层时倾角θ、盾构管片内外径、单环管片长度L衬砌、衬砌密度、泊松比、弹性模量；盾构机主体密度、主体长度L盾构、设计开挖直径R隧；注浆材料密度、泊松比、弹性模量。优选地，于步骤二中，在数值模拟软件中建立相应的三维有限元计算模型尺寸如下：三维有限元模型的横向宽度X和高度Z应大于隧道开挖影响范围，即大于6倍隧道开挖直径R隧，满足以下公式：X模≥6R隧，Z模≥6R隧模型的纵向长度Y需满足模拟盾构机主体穿越代表性溶洞全过程的需求，即大于2倍盾构机主体长度L盾构与溶洞纵向长度y溶洞之和，满足以下公式：Y模≥2L盾构+y溶洞优选地，于步骤三中，在上述地层有限元模型基础上，根据隧道埋深H以及设计开挖直径R隧确定隧道的外轮廓线，并通过代表性溶洞与隧道的相对位置关系及距离d在对应位置将原有土体模型替换为代表性溶洞模型，构建地层-溶洞有限元模型。优选地，于步骤四中，在上述地层-溶洞有限元模型基础上，根据盾构施工参数建立隧道衬砌模型，盾壳模型以及注浆层模型，通过隧道埋深将上述模型进行组合，并在模拟开挖过程中逐步对原有土体模型进行替换。优选地，于步骤四中，所述对盾构掘进过程进行模拟，应沿着隧道掘进方向，即Y方向。具体包括：a)隧道开挖前，先进行已有溶洞地层的岩土体自重应力场计算以达到模型的初始应力平衡；b)选择距离边界1倍开挖直径R隧的位置进行开挖模拟，以消除开挖对边界条件的影响，将相应位置土体替换为注浆层模型及衬砌模型。移除与盾构机主机等长的土体模型并替换为盾壳模型。c)每步推进一个单环管片长度L衬砌，移除该位置的土体模型并替换为等长的盾壳模型，将位于盾尾的盾壳模型替换为等长的衬砌模型和注浆层模型，保证推进过程中盾壳模型长度不变。d)重复步骤a-c，直至盾构隧道开挖完成。于步骤五中，获得隧道开挖Y方向的模型剖面图，采用等效塑性应变(PEEQ)描述隧道周边围岩的塑性变形，将该塑性变形范围内距隧道轮廓的最远垂直距离定义为塑性变形最大距离dmax，首先计算当代表性溶洞与隧道轮廓线的距离d较小时的数值模拟结果，若塑性变形最大距离dmax大于或等于距离d，则增大距离d重新计算，直至满足塑性变形最大距离dmax小于代表性溶洞与隧道距离d，此时该距离d即为盾构隧道周边溶洞处理范围。更优选地，上述步骤中所述的有限元计算模型中均采用实体模型进行模拟，其中土体的本构模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，注浆层、盾壳、衬砌模型采用理想弹性模型。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1.基于数值模拟方法形成一套可用于工程实践的盾构隧道周边溶洞处理范围判断方法，操作简单且具备理论依据，相较于工程经验判断及简单理论计算能考虑更真实的工程情况。2.通过本专利技术获得的盾构隧道周边溶洞处理范围更为准确，贴合工程需要，可以达到节省后续施工成本的目的。附图说明此处所说明的附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：图1为本专利技术一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法的步骤流程图。图2为本专利技术步骤一中隧道周边溶洞统计方法示意图。图3为本专利技术步骤四中隧道衬砌模型，盾壳模型以及注浆层模型示意图。图4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于包括以下五个步骤：/n步骤一：根据地质勘查资料获得隧道所在位置的地层剖面参数；统计隧道周边溶洞的基本特征及分布情况，获得代表性溶洞及对应参数；同时，根据施工设计资料获取盾构施工参数。/n步骤二：根据地层剖面参数在数值模拟软件中建立三维有限元计算模型；/n步骤三：根据步骤一提供的代表性溶洞及对应参数，构建地层-溶洞有限元模型；/n步骤四：根据步骤一提供的盾构施工参数，构建地层-溶洞-隧道有限元模型，模拟盾构掘进过程；/n步骤五：改变代表性溶洞与隧道轮廓线的距离及相对位置，利用有限元计算得到隧道模型周边的塑性变形最大距离，进而获得盾构隧道溶洞处理范围。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于包括以下五个步骤：
步骤一：根据地质勘查资料获得隧道所在位置的地层剖面参数；统计隧道周边溶洞的基本特征及分布情况，获得代表性溶洞及对应参数；同时，根据施工设计资料获取盾构施工参数。
步骤二：根据地层剖面参数在数值模拟软件中建立三维有限元计算模型；
步骤三：根据步骤一提供的代表性溶洞及对应参数，构建地层-溶洞有限元模型；
步骤四：根据步骤一提供的盾构施工参数，构建地层-溶洞-隧道有限元模型，模拟盾构掘进过程；
步骤五：改变代表性溶洞与隧道轮廓线的距离及相对位置，利用有限元计算得到隧道模型周边的塑性变形最大距离，进而获得盾构隧道溶洞处理范围。


2.根据权利要求1所述的基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于：所述的步骤一中，根据地质勘查资料获取隧道所在位置的地层剖面参数包括：地表建筑物情况，地层的水平分层情况及各土层容重γ、弹性模量E、泊松比μ、黏聚力c及内摩擦角地下水位高度。


3.根据权利要求1所述的基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于：所述的步骤一中，根据地质勘查资料统计隧道周边溶洞的基本特征及分布情况包括：溶洞平均横向宽度x溶洞、平均纵向长度y溶洞、平均高度z溶洞、溶洞平均填充率a、填充物容重γ充填，溶洞与隧道的相对位置关系(上部、平行、下部)。


4.根据权利要求1所述的基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于：所述的步骤一中，根据溶洞基本特征及分布情况获得代表性溶洞及对应参数包括：假设代表性溶洞为长方体，其几何尺寸与溶洞平均横向宽度x溶洞、平均纵向长度y溶洞、平均高度z溶洞相等；代表性溶洞的容重γ溶洞为：
γ溶洞＝a*γ充填
代表性溶洞与隧道轮廓线的最短距离表示为d，其与隧道的相对位置关系可以简化为位于隧道正上方，与隧道平行，位于隧道正下方。


5.根据权利要求1所述的基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于：所述的步骤一中，根据施工设计资料获取盾构施工参数包括：隧道埋深H、隧道穿越地层时倾角θ、盾构管片内外径、单环管片长度L衬砌、衬砌密度、泊松比、弹性模量；盾构机主体密度、主体长度L盾构、设计开挖直径R隧；注浆材料密度、泊松比、弹性模量。


6.根据权利要求1所述的基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于：于步骤二中，在数值模拟软件中建立相应的三维有限元计...

【专利技术属性】
技术研发人员：代永文，宫全美，惠晓彤，李晖，张振，李建强，吴遥杰，
申请(专利权)人：中国水利水电第七工程局有限公司，同济大学，
类型：发明
国别省市：四川;51