本发明专利技术公开了一种大坡度隧道施工间隙导致地层变形的预测方法，预测方法包括以下步骤：盾构机沿大坡度施工路径掘进开挖隧道，基于三维源汇法理论，得到半无限体内由于单位体积空隙产生的土体竖向变形；建立大坡度隧道的三维空间模型，结合大坡度隧道的施工路径，得到大坡度隧道的掌子面的实际施工间隙；对单位体积空隙在由掌子面沿大坡度隧道的施工路径所形成的体积域内进行积分运算，得到由掌子面的实际施工间隙导致的地层沉降。本发明专利技术的优点是：以三维源汇法为基础，充分考虑了大坡度隧道实际施工特点，能准确的进行地层变形预测，并为今后关于地平线非对称的地层损失导致地层变形方面的计算方法提供研究基础。导致地层变形方面的计算方法提供研究基础。导致地层变形方面的计算方法提供研究基础。
【技术实现步骤摘要】
一种大坡度隧道施工间隙导致地层变形的预测方法
[0001]本专利技术涉及隧道工程的
，尤其是一种大坡度隧道施工间隙导致地层变形的预测方法。
技术介绍
[0002]盾构或TBM施工具有对地层变形影响小的优点，特别是在控制土体竖向位移方面，有诸多关于地层损失导致土体竖向位移的预测设备及方法，但所属工程大都为处于水平面内的直线隧道，鲜有大坡度隧道施工间隙导致地层变形的预测设备或方法。对于盾构或TBM沿大坡度路径掘进工况，隧道轴线标高是不断变化的，常规的预测设备显然不适用。另外，实际注浆工艺是极具复杂的，实际注浆率并不能达到百分百，且受压密、地层、运输、超挖等因素影响，还存在注浆损耗，需要综合考虑结构重力及注浆填充效应的影响。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种大坡度隧道施工间隙导致地层变形的预测方法，结合盾构机沿大坡度隧道的施工路径掘进过程中的施工工艺，可准确计算三维空间中地层损失导致的地层沉降，从而准确预测地层损失导致的地层沉降。
[0004]本专利技术目的实现由以下技术方案完成：
[0005]一种大坡度隧道施工间隙导致地层变形的预测方法，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤：
[0006](S1)盾构机沿大坡度施工路径掘进开挖隧道，基于三维源汇法理论，得到半无限体内由于单位体积空隙产生的土体竖向变形s
z
；
[0007](S2)建立大坡度隧道的三维空间模型，结合所述大坡度隧道的施工路径，得到所述大坡度隧道的掌子面的实际施工间隙G
e
；
[0008](S3)对所述单位体积空隙在由所述掌子面沿所述大坡度隧道的施工路径所形成的体积域内进行积分运算，得到由所述掌子面的实际施工间隙G
e
导致的地层沉降S
z
。
[0009]步骤S1包括以下步骤：
[0010]建立三维直角坐标系，所述三维直角坐标系中的坐标原点O、x轴、y轴均位于地表，z轴竖直向下；
[0011]土体是以地表为边界，只包含其下部分的半无限体，假设土体是无边界的无限体，在无限体内点F(x0,y0,z0)处的单位体积空隙引起点P(x,y,z)处所产生的竖向变形分量为：
[0012][0013]式中：R1＝[(x
‑
x0)2+(y
‑
y0)2+(z
‑
z0)2]1/2
；
[0014]点F(x0,y0,z0)的镜像位置处设有点F
′
(x0,y0,
–
z0)，点F
′
(x0,y0,
–
z0)处的单位体积空隙引起点P(x,y,z)处产生的竖向变形分量为：
[0015][0016]式中：R2＝[(x
‑
x0)2+(y
‑
y0)2+(z+z0)2]1/2
；
[0017]将所述单位体积空隙在地表产生的剪应力反方向作用于地表，求得点P(x,y,z)产生的竖向变形分量为：
[0018][0019]式中：μ为土体泊松比；u、t均为函数自变量；c、b为积分上、下限变量；R3＝[(x
‑
u)2+(y
‑
t)2+z2]1/2
；
[0020]所述半无限体内由于单位体积空隙产生的土体竖向变形s
z
为：
[0021][0022]步骤S2包括以下步骤：
[0023]建立坡度为γ的大坡度隧道三维空间模型，其中，盾构机向下掘进为正方向、向上掘进为负方向；
[0024]所述掌子面的中心O
′
所处埋深为h，点(x0,y0,z0)处的埋深h(x0)为：
[0025]h(x0)＝h+x0tanγ；
[0026]所述掌子面的实际施工间隙G
e
包括盾尾间隙V
s
和注浆填充V
g
，分别为：
[0027]V
s
＝π(R2‑
r2)，
[0028]V
g
＝πλ(1
‑
α1‑
α2‑
α3‑
α4)(R2‑
r2)，
[0029]式中：R、r分别为盾构机和衬砌的外径；λ为注浆率；α1为压密损耗系数；α2为土质损耗系数；α3为输送损耗系数；α4为超挖损耗系数；
[0030]由于衬砌及注浆体的重力作用，衬砌外缘及注浆液体的底部会紧靠在盾壳内缘，所述掌子面的实际施工间隙G
e
为：
[0031][0032]步骤S3包括以下步骤：
[0033]对单位体积空隙在由所述掌子面沿所述大坡度隧道的施工路径所形成的体积域内进行积分运算，所述体积域包括盾壳边界圆环沿隧道轴线行进l距离所围成的空间体积A和浆液体边界圆环沿隧道轴线行进l距离所围成的空间体积B，对空间体积A和空间体积B的积分结果做差，得到由所述掌子面的实际施工间隙G
e
导致的地层沉降S
z
：
[0034][0035]本专利技术的优点是：以三维源汇法为基础，充分考虑了大坡度隧道实际施工特点，能准确的进行地层变形预测，并为今后关于地平线非对称的地层损失导致地层变形方面的计算方法提供研究基础。
附图说明
[0036]图1为本专利技术大坡度隧道施工间隙导致地层变形的预测方法流程图；
[0037]图2为本专利技术大坡度隧道施工模型图；
[0038]图3为本专利技术掌子面的实际施工间隙等效图。
具体实施方式
[0039]以下结合附图通过实施例对本专利技术特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
[0040]如图1
‑
3所示，图中标记1
‑
3分别表示为:盾壳1、衬砌2、注浆体3。
[0041]实施例：如图1
‑
3所示，本实施例涉及一种大坡度隧道施工间隙导致地层变形的预测方法，首先建立三维直角坐标系，其中的坐标原点O、x轴、y轴均位于地表，z轴竖直向下，如图2所示；该预测方法具体包括以下步骤：
[0042](S1)盾构机沿大坡度施工路径掘进开挖隧道，基于三维源汇法理论，得到半无限体内单位体积空隙引起的空间任一点应力增量解答，具体地：
[0043]土体是以地表为边界，只包含其下部分的半无限体，假设土体是无边界的无限体，在无限体内点F(x0,y0,z0)处的单位体积空隙引起点P(x,y,z)处所产生的竖向变形分量为：
[0044][0045]式中：R1＝[(x
‑
x0)2+(y
‑
y0)2+(z
‑
z0)2]1/2
；
[0046]点F(x0,y0,z0)的镜像位置处设有点F
′
(x0,y0,
–
z0)，点本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种大坡度隧道施工间隙导致地层变形的预测方法，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤：(S1)盾构机沿大坡度施工路径掘进开挖隧道，基于三维源汇法理论，得到半无限体内由于单位体积空隙产生的土体竖向变形s
z
；(S2)建立大坡度隧道的三维空间模型，结合所述大坡度隧道的施工路径，得到所述大坡度隧道的掌子面的实际施工间隙G
e
；(S3)对所述单位体积空隙在由所述掌子面沿所述大坡度隧道的施工路径所形成的体积域内进行积分运算，得到由所述掌子面的实际施工间隙G
e
导致的地层沉降S
z
。2.如权利要求1所述的一种大坡度隧道施工间隙导致地层变形的预测方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：建立三维直角坐标系，所述三维直角坐标系中的坐标原点O、x轴、y轴均位于地表，z轴竖直向下；土体是以地表为边界，只包含其下部分的半无限体，假设土体是无边界的无限体，在无限体内点F(x0,y0,z0)处的单位体积空隙引起点P(x,y,z)处所产生的竖向变形分量为：式中：R1＝[(x
‑
x0)2+(y
‑
y0)2+(z
‑
z0)2]
1/2
；点F(x0,y0,z0)的镜像位置处设有点F
′
(x0,y0,
–
z0)，点F
′
(x0,y0,
–
z0)处的单位体积空隙引起点P(x,y,z)处产生的竖向变形分量为：式中：R2＝[(x
‑
x0)2+(y
‑
y0)2+(z+z0)2]
1/2
；将所述单位体积空隙在地表产生的剪应力反方向作用于地表，求得点P(x,y,z)产生的竖向变形分量为：式中：μ为土体泊松比；u、t均为函数自变量；c...
【专利技术属性】
技术研发人员：李少华，黄昌富，栾焕强，姚铁军，赵中华，田国文，张帆舸，岳粹洲，
申请(专利权)人：中铁十五局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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