[发明专利]一种双圆盾构隧道施工偏转引起土体变形的计算方法

说明书

技术领域

本发明属于隧道工程中的盾构隧道施工技术领域，涉及一种双圆盾构隧道施工偏转引起土体变形的计算方法，适用于软土地层中浅埋双圆盾构隧道施工引起土体变形的预测。

背景技术

在地铁隧道、地下管网等城市浅埋隧道的施工中，施工引起地表及地下土体变形的预测和控制是一个极为重要的课题。对于传统的单圆隧道施工，其土体变形的预测通常采用经验统计方法，即假定土体沉降曲线为一倒置的正态分布曲线，由最大沉降值和沉降槽宽度系数确定。作为一种新的隧道施工技术，双圆盾构隧道具有施工效率高、工程造价低、节约地下空间资源、对周边环境影响小等诸多优势，而且不存在隧道间横向隧道的施工，避免了一些潜在的危险。但双圆盾构隧道的断面复杂，传统的经验统计方法不再适用于其施工引起的土体变形计算，而且施工中盾构偏转无法避免，由此导致的土体变形计算更加复杂。目前也有采用随机介质理论预测土体变形的计算方法，但这类方法不能计算隧道顶部所在深度以下的土体变形，得到的土体变形场不完整。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双圆盾构隧道施工偏转引起土体变形的计算方法，该方法基于弹性介质理论，结合镜像法和坐标转换等，能够通过简单的设计参数和程序计算就能准确得出双圆盾构隧道施工引起地表及地下土体任一位置的竖向和横向变形，从而可以模拟整个横断面的土体变形场。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双圆盾构隧道施工偏转引起土体变形的计算方法，包括以下步骤：

1)绘制双圆盾构隧道开挖形状、大小和位置的二维断面图；

2)通过土体损失率确定隧道的收敛半径R₂：

R₂＝R₁(1-ε)^0.5

式中：R₁代表隧道的开挖半径，ε为土体损失率；

3)结合收敛半径和双圆盾构施工偏转角，绘出隧道收敛的形状、大小和位置；

4)以双圆盾构隧道中心正上方的地表位置为坐标原点,垂直于隧道轴线方向为X轴,竖直方向为Z轴,建立整体直角坐标系；

5)以任一单位开挖土体所在圆心为坐标原点，X方向为r轴，逆时针方向为θ轴，建立局部极坐标系；

6)根据弹性介质理论，采用镜像法和坐标转换，建立单位土体损失引起土体变形的函数关系：

竖向变形：

横向变形：

式中：(x,z)为土体变形的目标点坐标，(r,θ)和(X₀,Z₀)为单位土体损失所在的位置极坐标及其所在圆心坐标，ν为土体泊松比；

7)根据隧道开挖和收敛确定的土体损失分布，将其划分为4个子域的代数和：S＝S_I+S_II-S_III-S_IV；

8)通过对4个子域分别求积分计算总的土体变形分量：

总的竖向变形：

总的横向变形：

式中：α代表盾构偏转角，t代表双圆隧道圆心距之半，h代表双圆隧道中心的埋深；

9)根据土体变形分量确定土体变形量及方向：

变形量：

变形方向：

本发明的有益效果在于：本发明所述的方法使用操作方便，通过简单的设计参数和程序计算就能准确得出双圆盾构隧道施工引起地表及地下土体任一位置的竖向和横向变形，从而可以模拟整个横断面的土体变形场。本发明不仅能计算正常工况下双圆盾构隧道施工引起的土体变形，而且能计算任意偏转工况下的土体变形，操作简便，计算准确，并可编写成简单的程序软件，适合推广应用。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为双圆盾构隧道施工偏转引起土体变形的计算模型图；

图2为土体损失分布的积分子域区划图：(a)沿隧道开挖边界积分子域区划；(b)沿隧道收敛边界积分子域区划；

图3为正常工况下(偏转角为0°)土体变形图；

图4为偏转工况下(偏转角为0.6°)土体变形图；