[发明专利]软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种软土地层中盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法。

背景技术

随着我国城市化进程的加快，城市人口不断增多，可利用空间越来越少，城市地下轨道交通的发展不仅缓解了城市繁重的交通压力，而且有效利用了城市空间，为城市的可持续发展做出了重要贡献。盾构法是常用的地下隧道施工方法，它具有施工安全、掘进速度快、自动化作业等特点，是软弱含水地层中长距离隧道开挖的最佳选择。然而，软土地层盾构隧道在长期运营中容易产生沉降、变形，导致衬砌开裂、渗漏，严重时甚至造成轨道扭曲，影响行车安全。

国际隧道联合会(ITA)经过大量的调查研究于2000年在《Tunnelling and Undergrounding Space Technology》(隧道和地下空间技术)发表了《Guidelines for the Design of Shield Tunnel Lining》(盾构隧道设计指南)。该文全面系统地介绍了当前盾构隧道的设计流程及分析方法。不难发现，当前盾构隧道的结构设计是将隧道简化为二维模型，仅考虑隧道横断面上的受力变形，却没有对隧道长期运营引起的纵向变形和结构受力进行针对性的分析，对于隧道纵向螺栓则完全凭经验设计。我国《地下铁道设计规范(GB50157-92)》推荐使用荷载结构模型的横向设计方法，也未考虑隧道纵向变形的影响。2010年版《上海市地基基础设计规范》(DGJ08-11-2010)较之1999年版(DGJ08-11-1999)更加强调了隧道的纵向沉降的影响，提出接缝最大张开、环间错台限值的取用，但对隧道纵向设计的分析方法依然缺乏明确的说明，对螺栓受力分析没有定量的确定方法。目前隧道纵向变形的研究已经逐渐引起了学者的关注，但纵向结构设计模型尚不成熟，对于拉、剪共同作用下的纵向连接螺栓仍然没有很好的保护方法。

经对现有技术文献检索发现，隧道纵向变形常采用的分析模型为纵向梁-弹簧模型和纵向等效连续化模型。前者由日本的小泉淳等于1988年在《土木學會論文集》(日本土木工程学会学报)发表的《シ一ルドトンネルの軸方向特性のモデル化について》中提出。它将梁单元模拟衬砌环、以弹簧的轴向、剪切和转动效应模拟环向接头和螺栓，它的缺点是无法得到相邻管片接头间的相对不连续变形量，无法精确给出螺栓的内力。后者由日本的志波由紀夫等于1988年在《土木學會論文集》(日本土木工程学会学报)发表的《シ一ルドトンネルの耐震解析にる長手方向覆工剛性の評價法》中提出。它将隧道视为均质圆环，将接头和管片视为具有相同刚度和结构特性的均匀连续梁。事实上，隧道的纵向变形表现为相邻衬砌环间的错台，这种错台会导致螺栓产生剪应力，当错台达到一定程度会使环缝张开，使螺栓产生拉应力。这种“错台”的变形模式和以均质圆环为模型的隧道弯曲模式有着本质的区别，因而用纵向等效连续化模型同样不能准确地计算螺栓的内力。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种软土地层中盾构隧道纵向变形的保护控制方法，利用地质调查的方法确定含隧道在内的浅层土的土层特性，通过对隧道长期沉降曲线进行拟合，并结合Cosserat非平衡力学理论体系的分析方法确定隧道环间螺栓的剪应力和拉应力，从而控制隧道的纵向变形。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

第一步，获取含隧道在内的浅层土的土层划分信息，随后提取隧道所在土层的土样进行室内常规土工试验。

所述的浅层土的土层划分是指：利用孔压式静力触探确定土体的贯入阻力和孔隙水压与深度的关系曲线，检测深度为隧道中心线埋深的1.5倍，沿隧道纵向每100m布置一个检测孔。画出以孔隙水压与贯入阻力之比为横轴，以贯入阻力与初始地层应力之比为纵轴的关系图，并将该图划分若干不同土性特征区以此代表不同土的类型；将实测的静力触探曲线的数据标于该图以判断场地土层的类型；再根据土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线，确定施工现场土层划分信息；

所述的提取隧道所在土层的土样是指：用薄壁取土设备在隧道所在土层取土，用于做室内常规土工试验。土样数以不少于三个试件为宜，隧道纵向取土间隔约为100m。

所述的室内常规土工试验是指：密度试验，即通过环刀法等密度试验方法测得各土层的湿密度，并计算相应的重度。

第二步，利用水准仪测量隧道结构整体沉降，以隧道纵向为横轴，以隧道累积沉降值为纵轴标出隧道各环沉降累积值。