[发明专利]一种顶管隧洞断面优化方法

权利要求书

1.一种顶管隧洞断面优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)预掘进：利用顶管机掘进设定距离后停止作业，使预掘进的隧洞自然变形、拱顶下沉；

(2)监测拱顶下沉数值；

(3)确定符合实际的土层参数：

(3-1)按照设定的土层参数、设定的与已掘进隧洞相同的断面形状，采用数值模拟方法计算拱顶沉降；

(3-2)将计算得到的拱顶沉降与监测得到的拱顶下沉数值进行对比，若不吻合，则调整土层参数，重复步骤(3-1)至计算的拱顶沉降与步骤(2)得到的拱顶下沉数值吻合，则此时的土层参数为符合实际的土层参数，吻合判断标准为拱顶下沉数值不大于拱顶沉降，且拱顶沉降与拱顶下沉数值之间的误差小于5％拱顶下沉数值；

(4)确定最优断面形状：

(4-1)建立断面形状数据库：设计不同的超挖断面形状，依据符合实际的土层参数采用数值模拟方法计算不同超挖断面形状下的拱顶沉降数值，建立包含不同超挖断面形状及其对应的拱顶沉降数值的断面形状数据库；

(4-2)反演推算超挖范围：在断面形状数据库中进行搜索，以拱顶沉降后土层与顶管顶部虚接触时的拱顶沉降数值所对应的超挖断面形状为最优断面形状；

(5)改变掘进断面形状：根据最优断面形状调整顶管机的刀盘的位置和/或结构，使得刀盘作业得到的隧洞断面形状与最优断面形状相同，采用刀盘调整后的顶管机继续掘进隧洞剩余部分，改变隧洞剩余部分的掘进断面形状；

(6)掘进过程中重复步骤(2)至步骤(5)，直至完成隧洞掘进。

2.根据权利要求1所述的顶管隧洞断面优化方法，其特征在于：步骤(2)中在隧洞掘进完成后的1～3天内对隧洞断面进行量测，4～6小时量测一次，做出变形-时间曲线图，以拱顶下沉速度小于0.1mm/d时的变形数据作为拱顶下沉数值。

3.根据权利要求1所述的顶管隧洞断面优化方法，其特征在于：步骤(2)中进行量测时测量点位于掘进隧道的中部位置。

4.根据权利要求1所述的顶管隧洞断面优化方法，其特征在于：步骤(3-1)中采用有限元数值模拟方法和/或有限差分数值模拟方法计算不同超挖断面形状下的拱顶沉降。

5.根据权利要求4所述的顶管隧洞断面优化方法，其特征在于：当土层为老黏性土时，步骤(3-1)采用有限元数值模拟方法计算不同超挖断面形状下的拱顶沉降；当土层为软土、一般黏性土、新近沉积黏性土、砂土或粉土时，步骤(3-1)采用有限差分数值模拟方法计算不同超挖断面形状下的拱顶沉降。

6.根据权利要求1所述的顶管隧洞断面优化方法，其特征在于：步骤(3-2)中调整设定土层参数的具体内容为，根据现场观察给出经验调整数值，即观察土层的颜色、软硬状态、湿度、包含物、颗粒成分和层理结构物理性质指标，结合原有设计文件中给出的参数，按照岩土工程勘察规范以及隧洞开挖地的地方勘察标准和地方工程经验重新确定土层参数。

7.根据权利要求1所述的顶管隧洞断面优化方法，其特征在于：步骤(3-2)中调整设定土层参数的具体内容为，对施工场地的土层进行取样，并对土样进行检测和试验，对土样的各种物理及力学参数的试验结果进行统计和计算，检测土样的重度、含水量、孔隙比、稠度指标、抗剪强度、压缩模量、变形模量、弹性模量和泊松比，其中抗剪强度计算其标准值，其他参数计算各自的平均值，根据计算结果重新确定土层参数。

8.根据权利要求1所述的顶管隧洞断面优化方法，其特征在于：利用带组合刀盘的顶管机进行隧洞掘进，组合刀盘包括主刀盘和辅助刀盘。

9.根据权利要求8所述的顶管隧洞断面优化方法，其特征在于：步骤(4)中刀盘调整的具体内容为，调整辅助刀盘的形状和/或相对于主刀盘的位置，使之符合得到最优断面形状的要求。

10.根据权利要求1所述的顶管隧洞断面优化方法，其特征在于：步骤(1)中预掘进的距离为隧洞直径的7～11倍。