[发明专利]一种隧道运营期间蠕变影响下长期沉降的预测方法

说明书

本发明公开了一种隧道运营期间蠕变影响下长期沉降的预测方法，包括确定列车的动荷载；通过室内单轴和三轴蠕变试验建立蠕变模型，确定隧道所在岩层的蠕变参数；建立三维有限元模型，进行隧道开挖，得到隧道围岩的初始沉降值；给隧道道床部位施加列车动荷载，加入岩层的蠕变参数，得到隧道土体的蠕变应变和竖直方向沉降量，并对隧道运营期间的蠕变影响进行预测。本发明加入了衬砌、道床等对荷载传递的影响，同时能够模拟长期受力情况下蠕变参数对沉降的影响，提高了计算速度和计算精度。

技术领域

本发明属于隧道围岩稳定性分析领域，具体涉及一种隧道运营期间蠕变影响下长期沉降的预测方法。

背景技术

随着城市化水平的快速提高，对城市交通通行能力的要求不断提高，现有的城市交通通行能力已不能满足城市化的快速发展对城市交通通行能力的要求。地铁技术是一种能有效提高城市通行能力的措施。然而，地铁一般修建在位于地表以下15m-50m的浅表地层中，浅表地层基本为土层和软弱岩层。土层和软弱地层容易发生沉降和变形，给地铁隧道的安全性带来较大的威胁，特别是对于地铁隧道这类服务期很长的地下工程的危害更大。并且，我国沿海地区广泛分布着软弱土层，充沛的水源浸泡和海水的侵蚀影响，导致地铁隧道在运营期的长期沉降持续增长，占总沉降量的比重很大。地铁隧道在长期运营中的沉降和不均匀沉降均较大，且部分区段隧道沉降和不均匀沉降一直发展，没有趋于收敛。地铁隧道过大的沉降和不均匀沉降会对隧道结构横向、纵向受力产生很大影响，大大降低了隧道结构的安全性、耐久性、防水性，较大的纵向不均匀沉降还会增加轨道的不平顺度，从而影响乘车舒适度和地铁的安全运营，若得不到有效的控制将会使隧道陷入从沉降不均匀到结构破坏，再由隧道结构受力不均导致更大的不均匀沉降的恶性循环。同时地铁隧道过大的沉降也会导致地上沿线路面发生沉降、塌陷和裂缝的灾害，严重影响地面交通行车安全。

对隧道长期沉降问题进行研究，首先对影响地铁隧道长期沉降的因素进行分析，已有的研究表明，软土地区地铁隧道的长期沉降影响因素主要有以下几个方面：地铁行车荷载的影响；地质条件的影响；盾构施工过程的影响；管片局部渗漏的影响；隧道上方地面超载的影响；临近区域施工的影响。经过对现有的技术文献检索发现，对列车振动荷载影响的研究主要集中在列车振动荷载对铁路和高铁轨道安全性影响，极少部分研究仅集中研究了地铁列车荷载对临近建筑的影响，无法预测列车振动荷载对隧道围岩变形的影响，没有考虑岩层本身的蠕变力学性质和列车振动荷载耦合作用下预测软弱岩层隧道围岩的长期变形和沉降。直接采用现有预测方法计算过程复杂，计算效率低下。并且在实际工况下，现有列车荷载计算无法考虑钢轨、扣件、隧道衬砌等对荷载传递的影响，也无法计算岩层本身的蠕变力学性质，对地铁隧道在运营期内的变形量和沉降量的预测不精准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道运营期间蠕变影响下长期沉降的预测方法，该方法能够精准高效地预测隧道运营期间蠕变影响下的变形量和沉降量。

本发明提供的这种隧道运营期间蠕变影响下长期沉降的预测方法，包括如下步骤：

S1.确定列车的动荷载；

S2.通过室内单轴和三轴蠕变试验建立蠕变模型，确定隧道所在岩层的蠕变参数；

S3.建立三维有限元模型，得到隧道围岩的初始沉降值；

S4.给隧道道床部位施加列车动荷载，加入岩层的蠕变参数，得到隧道土体的蠕变应变和竖直方向沉降量，并对隧道运营期间的蠕变影响进行预测。

所述的步骤S1，包括采用激振力函数来模拟列车荷载，列车荷载由静荷载和震动载荷组成，具体为：

F(t)＝k(p₀+p_isin(ω_it))