侧向土体作用下基坑降水对邻近隧道影响分析方法技术

本发明专利技术公开了一种侧向土体作用下基坑降水对邻近隧道影响分析方法，所述方法包括：建立并求解隧道控制方程，将隧道视为搁置在Vlasov地基上的Euler

【技术实现步骤摘要】
侧向土体作用下基坑降水对邻近隧道影响分析方法


[0001]本专利技术公开了一种侧向土体作用下基坑降水对邻近隧道影响分析方法，涉及建筑工程


技术介绍

[0002]位于富水地层中的基坑工程，须进行基坑预降水方可开挖，而基坑预降水可导致周围地层水位下降、土中有效应力增加。当工程附近存在既有盾构隧道时，水位下降引起土中有效应力增量使得隧道受到的附加荷载增加，对隧道造成不利影响。
[0003]地铁盾构隧道作为城市交通的生命线，对其服役状态的维持与保护工作稍有疏忽，可能造成巨大经济财产损失。因此，对基坑预降水引起的隧道受力变形情况进行分析，对加强隧道变形的控制与防护至关重要。
[0004]现有技术中，已有众多学者对基坑降水引起的隧道受力变形进行了研究，例如郑刚等进行了承压层减压降水对既有盾构隧道影响的有限元仿真模拟。刘运生结合天津西站基坑工程，建立数值模型研究了降水对邻近地铁隧道的影响。吴怀娜等基于工程实际,采用有限元法分析越江隧道上方基坑降水对其结构的影响。李文广根据上海地区的水位地质分析了邻近基坑降水对运营地铁隧道纵向变形的影响。李恒采用数值计算对不同降水条件下既有隧道变形受力规律进行了分析研究。聂学辉通过理论分析、现场实测与数值计算三种方法相结合研究了基坑降水对邻近地下管线的影响。徐长节等采用两阶段分析法推导了单井降水引起邻近管线变形的解析解。欧雪峰等基于Pasternak地基梁模型，分析了基坑正下方隧道因开挖与降水引起的变形，结果表明降水对下卧隧道的影响不应忽视。
[0005]针对盾构隧道变形的理论研究中，常采用弹性地基梁模型模拟隧道与土体的相互作用。其中Vlasov地基梁模型不仅可考虑地基土体变形的连续性，还可从理论上很好的解决模型参数的确定，具有良好的计算精度。但是，地下建(构)筑物与土体相互作用实质上是一个三维问题，在对该问题进行分析时不仅要考虑结构下方地基的作用，还应考虑到结构侧向土体对其变形的约束。
[0006]现有技术中缺少一种分析方法，能综合考量侧向土体作用下基坑预降水对邻近隧道的影响。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种侧向土体作用下基坑降水对邻近隧道影响分析方法，采用Vlasov地基梁模型同时考虑侧向土体作用，推导出基坑降水作用下邻近盾构隧道的变形解析解。”[0008]本专利技术所公开的技术方案为：
[0009]侧向土体作用下基坑降水对邻近隧道影响分析方法，所述方法包括：
[0010]步骤一、建立并求解隧道控制方程，该步骤具体包括：
[0011]101、将隧道视为搁置在Vlasov地基上的Euler
‑
Bernoulli梁以模拟隧道与土的相
互作用，根据隧道受基坑降水影响下的受力平衡关系，得出隧道的位移控制方程；Vlasov地基模型中，地基反力p(x)与隧道位移u(x)的关系为：
[0012][0013]式中：k为地基反力系数，t为土层剪切系数；
[0014]在Vlasov地基模型中k与t计算公式为：
[0015][0016][0017]E
s
土体弹性模量；v为土体泊松比；T为地基弹性层厚度，取T＝2.5D，D为隧道直径；h(z)为Vlasov地基模型中的衰减函数，该函数通过考虑地基土沿着变形方向上的衰减，进而求得k与t的值，一般可为线性或指数函数，本文采取h(z)＝(T
‑
z)/z，z为地基土深度方向的坐标。
[0018]102、建立侧向土体作用下的隧道位移控制方程；
[0019]根据隧道受基坑降水影响下的受力平衡关系，得出隧道的位移控制方程：
[0020][0021]式中：EI为隧道弯曲刚度，其中E隧道弹性模量，I为隧道横截面惯性矩；q(x)为降水引起的附加荷载；
[0022]将式(1)代入式(3)可得：
[0023][0024]分析隧道侧向土体对隧道变形的影响时，设定下述情形：
[0025](1)隧道侧向土体各项参数与隧道下方土体一致；
[0026](2)侧向土体对隧道的作用力为TI与T2，通过土体剪切层传递作用在隧道两侧；
[0027]对于任意x＝x0的平面，隧道侧向土体的变形平衡方程为：
[0028][0029]式中：为隧道侧向土体剪切层沿y轴方向上的变形；
[0030]土体位移的通解为：
[0031][0032]当y≥D/2时，侧向土体位移即等于隧道位移：
[0033][0034]而距离隧道足够远处y＝Y的侧向土体位移为：
[0035][0036]根据上述边界条件，可求得C1＝u(x)，因此侧向土体的位移为：
[0037][0038]侧向土体对隧道的作用力为：
[0039][0040]在侧向土体的约束作用下，隧道变形控制方程为：
[0041][0042]103、求解隧道位移控制方程；
[0043]在隧道下方土体与侧向土体共同作用下，隧道的位移控制方程为：
[0044][0045]式中：γ＝2tD/EI；
[0046]令q(x)＝0求其通解，得：
[0047]u(x)＝e
αx
[A
1 cos(βx)+A
2 sin(βx)]+e
‑
αx
[A
3 cos(βx)+A
4 sin(βx)]；
ꢀꢀꢀ
(11)
[0048]式中：A1、A2、A3、A4为待定系数；
[0049][0050][0051]假设无限长隧道在x＝0的点上受到集中荷载Q，先求解集中力作用下的隧道位移，此时，隧道的边界条件为：
[0052]u(
±
∞)＝0；
ꢀꢀꢀ
(12)
[0053][0054][0055]将上述边界条件代入式(11)中，解得集中荷载作用下隧道的位移方程为：
[0056][0057]假设在隧道轴线上任意点η受到降水引起的附加荷载Q＝q(η)dη，根据式(15)，可得该荷载引起隧道的位移du(x)：
[0058][0059]对式(16)在降水附加荷载分布范围内积分，求得由于基坑降水引起的隧道位移：
[0060][0061]进一步可得隧道弯矩：
[0062][0063]步骤二、计算降水引起的附加荷载，得出基坑降水对邻近既有隧道产生的附加应力。
[0064]在一个具体优选实施例中，设定r为某点与降水井的水平距离，h为该位置的水位高度；H0为潜水含水层的初始水位高度，H
t
为降水后井中的水位高度；R0为降水井半径，基于Dupuit假定，地下水位围绕降水井的分布h(r)为：
[0065][0066]式中：R为降水影响范围的半径，根据萨库金公式，降水影响范围的半径R为：
[0067][0068]式中：k
t
为土体的渗透系数；S
w
为降水井的水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种侧向土体作用下基坑降水对邻近隧道影响分析方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一、建立并求解隧道控制方程；101、将隧道视为搁置在Vlasov地基上的Euler
‑
Bernoulli梁以模拟隧道与土的相互作用，根据隧道受基坑降水影响下的受力平衡关系，得出隧道的位移控制方程；102、建立侧向土体作用下的隧道位移控制方程；103、求解隧道位移控制方程；步骤二、计算降水引起的附加荷载，得出基坑降水对邻近既有隧道产生的附加应力。2.如权利要求1所述的侧向土体作用下基坑降水对邻近隧道影响分析方法，其特征在于：在所述步骤一的Vlasov地基模型中，地基反力p(x)与隧道位移u(x)的关系为：式中：k为地基反力系数，t为土层剪切系数；在Vlasov地基模型中k与t计算公式为：在Vlasov地基模型中k与t计算公式为：E
s
土体弹性模量；v为土体泊松比；T为地基弹性层厚度，取T＝2.5D，D为隧道直径；h(z)为Vlasov地基模型中的衰减函数，h(z)＝(T
‑
z)/z，z为地基土深度方向的坐标。3.如权利要求2所述的侧向土体作用下基坑降水对邻近隧道影响分析方法，其特征在于：步骤102中，根据隧道受基坑降水影响下的受力平衡关系，得出隧道的位移控制方程：式中：EI为隧道弯曲刚度，其中E隧道弹性模量，I为隧道横截面惯性矩；q(x)为降水引起的附加荷载；将式(1)代入式(3)可得：4.如权利要求3所述的侧向土体作用下基坑降水对邻近隧道影响分析方法，其特征在于，分析隧道侧向土体对隧道变形的影响时，设定下述情形：(1)隧道侧向土体各项参数与隧道下方土体一致；(2)侧向土体对隧道的作用力为TI与T2，通过土体剪切层传递作用在隧道两侧；对于任意x＝x0的平面，隧道侧向土体的变形平衡方程为：式中：为隧道侧向土体剪切层沿y轴方向上的变形；
土体位移的通解为：当y≥D/2时，侧向土体位移即等于隧道位移：而距离隧道足够远处y＝Y的侧向土体位移为：根据上述边界条件，可求得C1＝u(x)，因此侧向土体的位移为：侧向土体对隧道的作用力为：在侧向土体的约束作用下，隧道变形控制方程为：5.如权利要求4所述的侧向土体作用下基坑降水对邻近隧道影响分析方法，其特征在于：步骤103中，在隧道下方土体与侧向土体共同作用下，隧道的位移控制方程为：式中：γ＝2tD/EI；令q(x)＝0求其通解，得：u(x)＝e
αx
[A1cos(βx)+A2sin(βx)]+e
‑
αx
[A3cos(βx)+A4sin(βx)]； (11)式中：A1、A2、A3、A4为待定系数；为待定系数；假设无限长隧道在x＝0的点上受到集中荷载Q，先求解集中力作用下的隧道位移，此时，隧道的边界条件为：u(
±
∞)＝0；
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(12)(12)将上述边界条件代入式(11)中，解得集中荷载作用下隧道的位移方程为：
假设在隧道轴线上任意点η受到降水引起的附加荷载Q＝q(η)dη，根据式(15)，可得该荷载引起隧道的位移du(x)：对式(16)在降水附加荷载分布范围内积分，求得由于基坑降水引起的隧道位移：进一步可得隧道弯矩：6.如权利要求5所述的侧向土体作用下基坑降水对邻近隧道影响...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐长节，管凌霄，王雪鹏，王小兵，丁海滨，胡晖，秦金龙，刘洪河，刘昆，夏雪勤，李懿娴，
申请(专利权)人：核工业华东建设工程集团有限公司，
类型：发明
国别省市：