[发明专利]一种类矩形盾构开挖引发土体三维位移的预测方法及系统

说明书

本发明涉及一种类矩形盾构开挖引发土体三维位移的预测方法及系统，其方法包括：获取类矩形盾构开挖隧道的隧道变形分量，所述隧道变形分量包括均匀径向收缩量、隧道垂直位移、隧道水平位移和隧道滚动角；根据球形空腔收缩模型和类矩形盾构开挖隧道的坐标变换，构建土体三维位移预测模型；根据所述三维位移预测模型和隧道变形分量预测土体三维位移。本发明首次同时考虑类矩形盾构开挖、均匀的径向收缩、隧道的垂直、水平位移以及隧道的旋转等综合因素对土体位移的影响，在理论上更为准确。并以此结合球形空腔收缩理论构建了预测模型，从而提高了复杂的施工和荷载条件下预测类矩形盾构开挖引发土体三维位移的准确率，为工程实践提供指导。

技术领域

本发明属于隧道与盾构技术领域，具体涉及一种类矩形盾构开挖引发土体三维位移的预测方法及系统。

背景技术

随着城市建设的快速发展，交通拥堵已成为城市地区严重关注的问题。城市地铁系统的建设已成为缓解交通拥堵的主要途径。盾构法广泛用于修建城市地铁隧道。这些地铁隧道通常由两条线路构成，以满足运输要求。

然而，由于两条圆形盾构隧道之间的水平间距，两条圆形盾构隧道的开挖不能充分利用城市地下空间。虽然单个大直径圆形盾构可以直接修建双线隧道，但垂直空间不能有效利用；因此，在地铁隧道施工中，异形盾构，如双圆形管(DOT)盾构或类矩形盾构越来越常见；与DOT盾构隧道相比，类矩形盾构隧道技术可以更好地控制地面沉降的发展，因而受到了更多的关注；

对于类矩形盾构隧道的施工，隧道变形模式可包括以下变形分量：

(1)体积损失引起的均匀径向收缩；

(2)隧道段的重力或浮力效应可能导致隧道的垂直位移；

(3)由于偏土压力或不对称施工条件，掘进机和盾构管片可能出现水平位移趋势；

(4)由于类矩形盾构隧道的特殊形状，不对称荷载条件可能导致隧道的滚动运动。

由上可知，类矩形盾构隧道的变形受众多因素影响，上述变形分量导致了隧道周围复杂的位移边界条件，导致土体位移计算极其复杂。现有预测类矩形盾构隧道掘进诱发周边土体位移的方法中，鲜有同时、综合考虑上述4个因素的作用，因此既有计算方法多在理论上存在缺陷，计算结果也难免出现较大偏差。

发明内容

为预测类矩形盾构隧道开挖引发土体三维位移以及提高其预测准确率的问题，在本发明的第一方面提供了一种类矩形盾构开挖引发土体三维位移的预测方法，包括：获取类矩形盾构开挖隧道的隧道变形分量，所述隧道变形分量包括均匀径向收缩量、隧道垂直位移、隧道水平位移和隧道滚动角；根据球形空腔收缩模型和类矩形盾构开挖隧道的坐标变换，构建土体三维位移预测模型；根据所述三维位移预测模型和隧道变形分量预测土体三维位移。

在本发明的一些实施例中，所述根据球形空腔收缩模型和坐标变换构建土体三维位移预测模型包括：基于球形空腔收缩模型和虚拟镜像模型确定单位体积损失引起的地面位移；根据所述地面位移和类矩形盾构开挖隧道的坐标变换，确定构建土体三维位移预测模型。

进一步的，所述基于球形空腔收缩模型和虚拟镜像模型确定单位体积损失引起的地面位移包括：构建无限线性弹性空间中球形空腔及其镜像收缩引起的位移计算模型；根据所述位移计算模型分别计算球形空腔及其镜像单位体积损失引起的径向土体位移；根据所述球形空腔及其镜像的径向土体位移的力学分析确定单位体积损失引起的地面位移。

更进一步的，所述单位体积损失引起的地面位移包括如下步骤：以地平线为x轴、竖直向下且垂直于地平线的方向为y轴，隧道方向为z轴建立xyz坐标系；所述单位体积损失引起的地面位移的计算方法表示为: