[发明专利]确定泥水盾构隧道开挖面支护压力的方法

权利要求书

1. 一种确定泥水盾构隧道施工开挖面支护压力合理范围的方法，其特征在于，采用试验测试—数值模拟计算—理论判断相结合的方法；对现场隧道施工土体取样并进行性能测试，依据试验数据和隧道具体实际情况，建立与符合现场施工条件的泥水盾构隧道施工开挖面分析模型并进行计算，通过确定隧道施工段开挖地层侧向土压力、开挖面中心平衡压力和开挖面前方土体主应力，并结合土体摩尔-库伦破坏准则判别开挖面前方的土体单元的破坏情况，最终确定泥水盾构隧道施工开挖面支护压力的合理范围；本方法具体实施步骤如下：

（1）进行现场隧道施工土体性能测试试验，具体步骤如下：

1）根据现场地质情况，对各层土体选取相应的取土方案；每层土体取3-4块试块；在取土时，应避免对土体的扰动；

2）将试块放置于剪切盒中，剪切盒与试样间隙应用膨胀水泥砂浆填充；

3）施加垂直压力，进行试块土体压缩，压力按等量分成3至4级逐渐增大，直至试块土体垂直变形稳定；

4）施加剪力，进行试块土体剪切，剪力每隔1min等量加载一次并记录相应的剪切力及剪切变形量；当试块土体剪切变形急剧增加或者剪切变形达到试样尺寸的1/10时，认为土体破坏；

5）绘制抗剪强度与垂直压力的关系曲线，确定相应各土层土体的内摩擦角                                               以及土体的粘聚力值； 

（2）进行泥水盾构隧道施工数值模拟，采用有限元方法，其具体步骤如下：

1）根据隧道施工实际地质条件和周围环境，建立隧道施工非线性有限元模拟模型；

2）土体采用弹塑性本构关系，设置自由面、对称面和法向位移约束等边界条件；

（3）施加隧道施工段土体自重及地面超载作用力进行非线性有限元数值模拟计算，得到隧道施工初始地应力场，从而确定泥水盾构隧道施工段开挖断面地层原始侧向土压力；

（4）将泥水盾构隧道开挖断面原始地层侧向土压力设置为开挖面压力，作为力边界条件施加并进行非线性有限元数值模拟计算；以开挖面中心点位移作为判定指标，判别开挖面中心是否达到力的平衡；通过进行数值试验，如果开挖面中心点位移为正，表示压力过大；反之，表示压力偏小；开挖面中心位移绝对值最小，近似为零时，确定出开挖面中心平衡压力；

（5）保持开挖面中心平衡压力不变，以开挖面顶端和底端位移作为判定指标，判别开挖面整体是否达到力的平衡；开挖面压力沿开挖断面深度方向为梯形分布，呈现为一斜线；通过进行数值试验，调整压力斜线的斜率，如果开挖面顶端和底端位移为正，表示压力过大；反之，表示压力偏小；开挖面顶端和底端位移绝对值最小，近似为零时，确定出开挖面平衡泥水压力；

（6）施加所确定的开挖面平衡泥水压力，得到开挖面前方土体的应力状态，确定开挖面前方土体单元主应力；

（7）结合莫尔-库仑强度理论，即土体任一平面，即破坏面上的抗剪强度是该面上法向应力的函数：

式中为土体的粘聚力，为土体的内摩擦角，其值由步骤（1）试验中测定；

在泥水盾构隧道施工过程中，通常采用控制开挖面中心点压力的方法在控制开挖面稳定，故定义压力比为：

式中为开挖面中心点泥水压力设定值；为开挖面中心点初始泥水压力值；通过调整值，改变开挖面压力并进行开挖面前方土体单元破坏情况的判断，确定开挖面支护压力的合理范围。