[发明专利]一种不同埋深砂土盾构隧道开挖面极限支护力的计算方法

说明书

本发明公开了一种不同埋深砂土盾构隧道开挖面极限支护力的计算方法，本发明方法主要包括如下步骤：(1)结合隧道埋深、开挖尺寸等设计参数，确定盾构隧道的状态(浅埋区、过渡区或深埋区)；(2)根据盾构隧道所处的状态，确定掌子面的破坏模式(过渡区和深埋区需要考虑土拱效应，而浅埋区无需考虑土拱效应)；(3)推导理论公式，根据力平衡原理，求得开挖面极限支护力。本发明方法可以应用于干砂条件下盾构隧道掌子面稳定性分析，为处于不同埋深下的盾构隧道开挖面极限支护力的预测提供参考。

技术领域

本发明涉及一种不同埋深砂土盾构隧道开挖面极限支护力的计算方法，属于盾构施工技术领域。

背景技术

随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，北京、上海、广州、深圳等城市正在规划和实施更多的地铁线路，以缓解城市交通系统的拥堵。盾构法具有安全性高、施工速度快、施工质量好等优点，在城市隧道施工中得到广泛应用。在盾构隧道施工过程中，作用于开挖面的极限支护压力是保证开挖面的稳定性的关键。如果开挖面支护力不足以平衡开挖面土压力和水压力，很容易造成开挖面失稳甚至塌方，危及掌子面内机械和人员的安全。因此，如何合理预测作用于隧道工作面上的极限支护压力是当今岩土工程设计人员面临的一个巨大挑战。

一般来说，现有的计算开挖面极限支护力的理论模型可分为以下两类：(1)极限平衡模型(楔形体模型)和(2)基于塑性理论的极限分析方法。极限分析方法的精度主要取决于下限定理中的静容许应力场和上限定理中的动容许速度场的正确选择。然而，极限分析法的计算过程太过于复杂而难以应用在实际工程中。相对来说，极限平衡方法因其简单，通俗易懂的力学模型，在实际工程中得到了广泛应用。

现有的绝大多数开挖面的稳定性的理论研究针对浅埋隧道提出的。而对于深埋隧道开挖面极限支护力的理论研究还较少。Chen(2015)提出了一种改进的3D楔形—棱柱模型来考虑深埋隧道的土拱效应。在该模型中，假定棱柱以上的土体未被扰动，并且以自重直接作用在棱柱上端面。Chen(2019)提出了一种半球状的多层承载拱模型来考虑深埋隧道的土拱效应。该承载拱可以将上方未扰动土体的部分荷载传递给下方筒仓。Wan(2019)提出了一种抛物线型的承载拱模型来考虑深埋隧道的土拱效应。该承载拱被假定为结构拱，利用结构拱的特性计算传递给下方筒仓的荷载。Li(2020)构建了五个椭圆截面刚性块体和抛物线拱形坍塌块体，并利用极限分析法给出了掌子面极限支护力的解析。然而，在以上分析模型中均忽略了未扰动区、土拱区和棱柱(筒仓)区交接处的侧压力系数的连续性。同时，在Wan’s模型中，假定土拱区两侧边界的土体达到了摩尔-库伦屈服极限状态。而事实上，土拱区作为棱柱(筒仓)塌陷区与未扰动土体之间的过渡段，更为准确地说是应力重分布区，其应力状态应该是逐渐变化的。因此，在作者看来，假定土拱区两侧边界的土体达到极限状态是不合理的。

申请人为北京工业大学，中国专利申请号201910224817.X介绍了一种考虑土拱效应的砂土地层深埋盾构隧道开挖面极限支护力计算方法。在该算法中利用极限分析法对考虑土拱效应的深埋隧道极限支护力进行计算。该算法计算过程较为复杂，难以直接应用于工程。同时，该算法仅能计算深埋隧道极限支护力，无法计算当隧道埋深逐渐增加时，开挖面极限支护力由浅埋到深埋的变化过程。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种不同埋深砂土盾构隧道开挖面极限支护力的计算方法，该计算方法可根据隧道不同的埋深将隧道分为浅埋区、过渡区和深埋区。在进行过渡区和深埋区开挖面极限支护力计算时，算法中考虑了砂土的土拱效应。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种不同埋深砂土盾构隧道开挖面极限支护力的计算方法，包括以下步骤：

S1根据隧道埋深、开挖尺寸设计参数假定开挖面的破坏模式，提出不同埋深下开挖面失稳的理论模型：