【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于盾构施工，尤其涉及一种考虑超挖效应的深埋隧道土压力计算方法。
技术介绍
1、随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，各大城市正在建设大量的城市轨道交通线路，用于缓解地面交通拥堵。随着盾构隧道埋深的逐渐加深，在盾构机超挖作用下形成的土体滑动剪切带无法扩展到地表，仍处于地层内部，进而表现出强烈的土拱效应，导致作用在盾构隧道拱顶的土压力远小于上覆土体的自重应力。因此，如何合理的预测作用于深埋盾构隧道拱顶的竖向土压力进而优化结构设计，是当今岩土工程设计人员面临的一个巨大挑战。
2、目前绝大多数盾构隧道拱顶土压力的计算方法仍是针对浅埋隧道，对于考虑盾构机施工超挖与土拱效应的深埋隧道拱顶土压力的研究仍有限。zhang(2016)提出了失效区高度与隧道施工引起的地层损失密切相关，并推导了深埋隧道拱顶土压力计算方法。chen和peng(2018)针对软土地层，指出破坏区的高度可视为隧道直径的0.75倍，并认为作用在隧道拱顶的土压力可假设为高斯分布。基于极限平衡理论，ji(2018)提出了修正的protodyakonov拱模型，并推导出了深埋隧道拱顶垂直荷载的表达式。
3、在上述模型中，均假设破坏区上方的土体仍处于未扰动状态，并以自重应力直接作用于破坏区。然而，根据活动门试验的离散元模拟，lai(2018)指出在破坏区上方一定范围的土体并非处于自重应力状态，而是也发生了应力重分布。由此可知，目前理论计算方法中忽略了破坏区与未扰动区之间的过渡区是不合理的。
技术实现思路p>
1、本专利技术为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种考虑施工超挖与土拱效应的砂土深埋盾构隧道拱顶土压力计算方法，该计算方法可根据盾构机超挖体积计算得到隧道上方土体的破坏区，承载区和未扰动区。在进行承载区和破坏区荷载传递计算时，考虑了砂土的土拱效应。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种考虑超挖效应的深埋隧道土压力计算方法，包括：
3、根据盾构机设计参数确定施工扰动下隧道的超挖体积；
4、构建理论分析模型，根据土体内摩擦角与主应力偏转理论确定抛物线高度，并结合土体体积膨胀系数与所述超挖体积确定盾构隧道上方矩形破坏区高度，进而得到承载区和未扰动区高度；
5、根据力学平衡原理，由上至下依次对所述未扰动区、承载区和破坏区进行计算，获得深埋盾构隧道拱顶土压力。
6、优选地，根据盾构机设计参数确定施工扰动下隧道的超挖体积的过程包括：
7、根据盾构隧道施工过程中盾构机外径与盾构隧道外径的关系，获取隧道超挖体积；
8、计算所述隧道超挖体积的公式表达式为：
9、
10、其中：vl为隧道超挖体积，dm为盾构机外径，d为隧道外径。
11、优选地，构建理论分析模型的过程包括：
12、假定土体均质、各向同性，并满足摩尔库伦屈服准则，盾构机超挖后土体下沉，在隧道上方的土体内部形成两条剪切带，此时由隧道顶部至地表分别形成破坏区、承载区和未扰动区，构建所述破坏区、承载区和未扰动区对应的理论分析模型；
13、其中，所述破坏区由矩形和抛物形构成；所述承载区为顶部直线，底部抛物线的不规则形状；所述未扰动区为矩形。
14、优选地，根据土体内摩擦角与主应力偏转理论确定抛物线高度的公式表达式包括：
15、
16、其中：h3为抛物线高度，φ为砂土内摩擦角，θ0为破坏区的主应力偏转角。
17、优选地，结合土体体积膨胀系数与所述超挖体积确定盾构隧道上方矩形破坏区高度的公式表达式为：
18、
19、其中：h4为矩形破坏区高度，α为土体体积膨胀系数。
20、优选地，所述承载区高度的公式表达式为：
21、h2＝0.4dm
22、其中：h2为承载区高度；
23、所述未扰动区高度的公式表达式为：
24、h1＝c-h2-h3-h4
25、其中：c为盾构机顶部埋深。
26、优选地，根据力学平衡原理，由上至下依次对所述未扰动区、承载区和破坏区进行计算的过程包括：
27、计算所述未扰动区作用在所述承载区上表面的均布荷载；
28、计算所述承载区作用在所述破坏区上表面的均布荷载；
29、根据所述破坏区上部抛物线型土体以自重作用于矩形土体顶部，计算作用在破坏区矩形土体顶部的荷载；
30、基于力学平衡原理，根据所述破坏区与两侧稳定的土体之间产生摩擦力，计算作用于隧道顶部的荷载。
31、优选地，计算所述承载区作用在所述破坏区上表面的均布荷载的过程包括：
32、将所述承载区划分为n个具有合理拱轴线的三铰拱结构，根据具有合理拱轴线三铰拱的性质，对每个三铰拱进行力学平衡，并采用有限差分法获得所述承载区作用在所述破坏区上表面的均布荷载。
33、优选地，所述破坏区上部形成抛物线破裂面，且所述抛物线形状与具有合理拱轴线的三铰拱一致。
34、优选地，作用在所述承载区中具有合理拱轴线的三铰拱结构顶部的荷载一部分被拱脚的水平推力平衡，另一部分传递至下一个具有合理拱轴线的三铰拱结构顶部；
35、所述承载区中具有合理拱轴线的三铰拱结构拱脚的水平推力由作用在该三铰拱结构顶部的荷载，拱脚水平侧压力系数以及拱脚长度三者相乘得到。
36、与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：
37、本专利技术可以计算考虑施工超挖与土拱效应的砂土深埋盾构隧道拱顶土压力，算法较为简便，可应用于工程实践。同时，所述的算法与已有算法相比，假定更加合理，得出的深埋隧道拱顶土压力更加符合实际情况。
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1.一种考虑超挖效应的深埋隧道土压力计算方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
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9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
【技术特征摘要】
1.一种考虑超挖效应的深埋隧道土压力计算方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘明高，陈仁东，刘子健，毕强，刘辉，庞康，陶连金，周长林，张宇，蔡东明，
申请(专利权)人：北京市市政工程设计研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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