【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道工程，特别涉及一种基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算方法。
技术介绍
1、随着城市地下交通设施的发展加速，盾构隧道开挖技术具有高效和安全性而越来越广泛使用。然而，这种方法在施工和运营阶段也带来了重大挑战，包括掌子面坍塌和衬砌管片上浮的风险。覆土层厚度是影响盾构隧道开挖面稳定性和抗浮能力的关键因素。
2、如图2所示，隧道盾构施工时，土层对隧洞口的力会随着开挖深度的变化而不同。隧道掌子面上的支护压力不足会导致土体滑入隧道中，导致隧道不稳定和失效。为解决这个问题提出了各种土体破坏理论模型，总的来说可以分为极限平衡法和极限分析法两类。horn(1961)基于极限平衡法，建立了一个三维楔形棱柱模型(如图3所示)，假定土体破坏区域由楔形滑动和上部棱柱块组成，利用楔形棱柱内外压力的力学平衡方程，确定隧道掌子面稳定所需的主动极限支护压力；随后leca和domreiux(1990)提出了一个多锥模型，以此推导出维护隧道掌子面稳定所需的最大和最小极限支护压力；mollon等人(2009)提出了一个三维旋转机制的失效模型，该模型纠正了土体破坏区域与隧道掌子面的交点平面上椭圆问题。随着盾构隧道掌子面稳定性研究的不断发展，提出越来越多的优化土体破坏模型并通过数值模拟方法进行验证，例如：一些学者考虑了渗透对盾构隧道掌部的影响(如图4所示)。但是，在设计盾构隧道覆土层厚度时，很少研究隧道掌子面的稳定性。
3、此外，使用盾构法建造的隧道需要足够的覆土层厚度以确保抗浮稳定，当覆土层厚度不足时，隧道可能会部
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算方法，以解决现有技术中存在的问题。
2、为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算方法，包括以下同时进行或不分先后顺序的步骤：
3、1)主动极限支护力计算。对于主动极限支护力建立倾斜楔形棱柱体计算模型。隧道掌子面前方失稳区域为楔形体，掌子面前方破裂面为平面，掌子面上方失稳区域为棱柱体，且棱柱体四周及楔形体左右两侧破裂面均为竖直面。掌子面上方失稳区域发展至地表。倾斜楔形棱柱体计算模型包括棱柱体j4j12j14j5-j3j11j14j6和楔形体j1j4j5-j2j3j6两部分。其中，deq为掌子面跨度、hb为棱柱体高度、楔形体的底部滑动面与隧道前进方向水平面的夹角为α。楔形体j1j4j5-j2j3j6受到9个力的作用：稳定掌子面所需的支护力fmin、棱柱体产生的竖向荷载fv、自重g1、楔形体两侧破裂面处的切向力t2和法向力n2、楔形体前方破裂面处的切向力t1和法向力n1、楔形体中的水平渗流力fh′x和竖直和fh′z。
4、1.1)计算考虑粘聚力影响的滑动面倾斜角度α。
5、1.2)求解优化楔形棱柱模型的平衡方程，在求解平衡方程时需要对以下荷载进行计算：
6、a.施加在滑动表面上的法向力、切向。
7、b.楔形体顶部竖向力。
8、c.楔形块水平和竖向渗流力。
9、1.3)根据步骤1.2)的平衡方程求解出主动极限支护压力。
10、1.4)复核主动极限支护压力，得出设计覆盖层厚度。
11、2)被动极限支护力计算。对于被动极限支护力建立倾斜修正楔形棱柱体计算模型。
12、2.1)计算楔形体施加的竖直压应力。
13、2.2)利用莫尔-库伦准则得到平衡方程。
14、2.3)利用步骤2.2)的平衡方程求解楔形体和周围土体之间的剪切应力。
15、2.4)计算上部楔形体自重。
16、2.5)计算水平和数值渗流力。
17、2.6)利用倾斜楔形体的平衡方程以及步骤2.3)～2.5)的计算值解出被动极限支护力。
18、3)利用主动极限支护力和被动极限支护力的计算结果，求出隧道抗浮性能的最小覆土层厚度解析解。
19、进一步，步骤3)中，按照设计支护压力大于掘进所需的主动极限支承压力计算最小覆土厚度的上限，按照设计支护压力大于掘进所需的被动极限支承压力计算最小覆土厚度的下限。
20、进一步，步骤3)之后，还具有开展最小覆土厚度的下限至上限范围内不同覆土厚度时的富水地区浅埋盾构隧道施工的流固耦合分析步骤。
21、本专利技术还公开一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定系统，包括数据录入模块和数据处理模块。
22、所述数据录入模块用于输入计算最小覆土厚度所需的地层参数和隧道结构参数。所述地层参数和隧道结构参数根据施工地的地质条件勘测确定。
23、所述数据处理模块用于根据步骤1)～步骤3)计算并输出最小覆土层厚度取值范围的大小边界值。
24、本专利技术还公开一种基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算装置，包括处理器和存储器。所述存储器中存储有计算机程序。所述处理器执行存储器上的计算机程序以实现如上述的基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算方法步骤。
25、本专利技术还公开一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序。所述计算机程序被计算机运行以实现如上述的基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算方法步骤。
26、本专利技术的技术效果是毋庸置疑的：
27、a.综合考虑了土层类型、土层自重应力、覆土厚度、地下水位、渗透系数等地质条件，计算精度较高；
28、b.采用有限元方法对隧道与围岩之间的相互作用进行模拟分析，结合mohr-coulomb屈服准则，可以准确判断围岩是否屈服，有效预测覆土层的超载厚度；
29、c.求出的覆土层超载厚度可作为优化设计的参考依据，提高施工过程中的隧道稳定性，保障工程安全。
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1.一种基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算方法，其特征在于，包括以下步骤，其中，步骤1)和步骤2)同时进行或不分先后顺序：
2.根据权利要求1所述的一种基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算方法，其特征在于：步骤3)中，按照设计支护压力大于掘进所需的主动极限支承压力计算最小覆土厚度的上限，按照设计支护压力大于掘进所需的被动极限支承压力计算最小覆土厚度的下限。
3.根据权利要求2所述的一种基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算方法，其特征在于：步骤3)之后，还具有开展最小覆土厚度的下限至上限范围内不同覆土厚度时的富水地区浅埋盾构隧道施工的流固耦合分析步骤。
4.一种根据权利要求1所述计算方法的浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定系统，其特征在于：包括数据录入模块和数据处理模块；
5.一种基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算装置，其特征在于：包括处理器和存储器；所述存储器中存储有计算机程序；所述处理器执行存储器上的计算机程序以实现如权利要求1～3中任意一项所述的基于富水地区浅埋盾构隧道
6.一种计算机存储介质，其特征在于：所述计算机存储介质上存储有计算机程序；所述计算机程序被计算机运行以实现如权利要求1～3中任意一项所述的基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算方法步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算方法，其特征在于，包括以下步骤，其中，步骤1)和步骤2)同时进行或不分先后顺序：
2.根据权利要求1所述的一种基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算方法，其特征在于：步骤3)中，按照设计支护压力大于掘进所需的主动极限支承压力计算最小覆土厚度的上限，按照设计支护压力大于掘进所需的被动极限支承压力计算最小覆土厚度的下限。
3.根据权利要求2所述的一种基于富水地区浅埋盾构隧道稳定性的覆土层超载厚度计算方法，其特征在于：步骤3)之后，还具有开展最小覆土厚度的下限至上限范围内不同覆土厚度时的富水地区浅埋盾构隧道施工的流固耦合分析步骤...
【专利技术属性】
技术研发人员：仉文岗，李智刚，孙伟鑫，殷树强，杨文钰，许有飞，刘明恒，杨阳，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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