[发明专利]一种盾构施工引发地面沉降模拟预测方法

说明书

本发明提供一种盾构施工引发地面沉降模拟预测方法，包括如下步骤：建立概念模型；建立数学模型；确定初始条件；确定边界条件；进行变量声明和数据初始化；对所有单元进行循环计算处理；引入所述的边界条件形成方程右端项并进行求解；对所述的概念模型划分应力期，每个应力期为一个时间步；对一个时间步内的自由面和黏塑性进行计算处理；对一个时间步内的所有单元进行计算处理；对一个时间步内的所有高斯点进行计算处理；计算应力，判断弹性单元、黏塑性单元、过渡单元是否屈服；求解方程判断是否收敛；计算完毕后，输出水位、孔压、应力、位移的计算结果。本发明对盾构施工中地面沉降预测的效率和准确性高，可应用于地铁施工地面沉降预测。

技术领域

本发明属于盾构施工技术领域，具体涉及一种盾构施工引发地面沉降模拟预测方法。

背景技术

在隧道建设中，盾构法因其自动化程度高、节省人力、施工安全性高、对地面建筑物影响小、工期可控等优点而被广泛使用。盾构施工掘进过程中涉及众多问题，其中掘进过程中的地面沉降问题影响重大。地面沉降是在盾构机掘进过程中，由隧道开挖引起的土体损失以及盾体对周围土层扰动的重塑土再固结综合作用造成的地面下沉现象，合理控制施工引起的地表沉降，及时准确、智能的预测地面沉降量具有重大的工程意义。现有技术对盾构施工引发地面沉降的研究通常忽略地下水的影响，并且假定土体水力学参数和土力学参数为定值，难以精确地预测地面沉降。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构施工引发地面沉降模拟预测方法，用以预测盾构施工中的地面沉降。

本发明提供了如下的技术方案：

S1、建立概念模型，模拟盾构施工过程；

利用有效单元/无效单元方法模拟盾构隧道的动态开挖过程，设定盾构施工模拟过程中的相关单元，包括：管片单元、浆体单元、土体单元、盾构单元、和盾尾空隙单元，采用有效单元/无效单元方法处理隧道开挖进度。

S2、建立动态变化数学模型，包括：比奥固结方程，土体本构模型和参数动态变化模型；

(1)比奥固结方程

假设土体为饱和土体，其土骨架变形为线弹性、微小变形，土体中地下水渗流符合达西定律，且认为地下水不可压缩，其三维比奥固结方程如下：

其中:

σ′是有效正应力；

τ是剪应力；

u是孔隙水压力；

γ是土的重度；

k为渗透系数；

ε_v是土体应变；

γ_w是水的重度。

(2)土体本构模型

土的本构关系是土的力学特性，即应力、应变、强度、时间等关系的数学表达式。对考虑流变特性的土体来说，其变形特征主要表现为变形的时间与应力水平有关，所显示的是具有弹性、塑性和黏滞性的黏弹塑性体。将土体的总应变增量dε分为弹塑性应变增量dε^ep，黏弹性应变增量dε^νe,和黏塑性应变增量dε^νp则具有流变特性的土体中任意点在任意时刻的应变增量为：

dε＝dε^ep+dε^νe+dε^νp 式二

其中，弹塑性应变增量：dε^ep＝[C]dσ′，其中，[C]是弹塑性柔度矩阵。

黏弹性应变增量：