[发明专利]一种确定地面出入式盾构施工盾构机土仓控制压力的方法

权利要求书

1.一种确定地面出入式盾构施工盾构机土仓控制压力的方法，采用试验测试、数值模拟、理论判断相结合的方法，其特征在于，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；

（2）建立地面出入式盾构隧道施工数值计算模型，进行地面出入式盾构隧道施工数值模拟；

（3）施加地面出入式盾构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，从而确定地面出入式盾构隧道施工段开挖断面地层原始侧向土压力；

（4）将地面出入式盾构隧道开挖断面原始地层侧向土压力设置为土仓压力，作为力边界条件施加并进行非线性有限元数值模拟计算；以土仓中心点位移作为判定指标，判别土仓中心是否达到力的平衡；通过进行数值试验，如果土仓中心点位移为正，表示压力过大；反之，表示压力偏小；土仓中心位移绝对值最小，近似为零时，确定出土仓中心平衡压力即土仓压力；

（5）将所确定的土仓压力，作为力边界条件施加并进行非线性有限元数值模拟计算，得到土仓前方土体的应力状态，确定土仓前方土体单元主应力；

（6）改变土仓压力比，结合莫尔-库仑强度理论，进行土仓前方土体单元破坏情况的判断，确定地面出入式盾构隧道施工盾构机土仓控制压力设定范围。

2.根据权利要求1所述的一种确定地面出入式盾构施工盾构机土仓控制压力的方法，其特征在于，所述步骤（1）进行现场隧道施工土体性能测试试验的具体步骤为：

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，剪切盒与试块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                                               以及粘聚力值。

3.根据权利要求1所述的一种确定地面出入式盾构施工盾构机土仓控制压力的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的建立地面出入式盾构隧道施工数值计算模型，进行地面出入式盾构隧道施工数值模拟，其具体步骤如下：

1）根据地面出入式盾构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，采用有限元方法进行数值模拟。

4.根据权利要求1所述的一种确定地面出入式盾构施工盾构机土仓控制压力的方法，其特征在于，所述步骤（6）中的结合莫尔-库仑强度理论，确定地面出入式盾构隧道施工盾构机土仓控制压力设定范围，其具体步骤如下：

1）在地面出入式盾构隧道施工过程中，通过控制土仓中心点压力来保持土仓前方土体稳定，不被破坏；故定义压力比为：

式中为土仓压力设定值；为土仓中心点初始压力值；通过改变调整土仓压力设定值并进行非线性有限元数值模拟计算；

2）结合莫尔-库仑强度理论，进行土仓前方土体单元破坏情况的判断；土仓前方土体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；若土体的莫尔圆与破坏包线相割，土仓前方土体处于破坏状态；

3）不断增大或减小调整土仓压力设定值并进行计算，同时不断进行土仓前方土体单元破坏情况的判断，最终确定盾构机土仓控制压力的合理范围。