[发明专利]双线隧道盾构施工引起的土体位移分析方法

摘要

本发明公开了一种双线隧道盾构施工引起的土体位移分析方法，对各施工条件、工程设备、地质条件进行分析，基于朗肯土压力理论得到盾构施工的各因素的组成大小，应用FLAC 3D软件建立有限差分模型。在数值模型空间中分别对模型进行单隧道开挖，双线隧道同时开挖，左线开挖完成后对右线进行开挖，由模拟结果分析了施工引起的土体移动情况。考虑地质条件对土体损失引起的解析表达式进行修正，结合基于Mindlin位移解得到的施工各因素引起的地表沉降表达式，估算了数值模拟背景中各施工方法引起的地表沉降并与数值模拟结果作对比，验证数值模拟方法以及表达式估算的可靠性。本发明弥补了行业规范不足的缺陷，对于盾构隧道开挖技术有着现实的指导意义和广泛的应用前景。

主权项

1.双线隧道盾构施工引起的土体位移分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)双线隧道施工地表沉降估算隧道盾构施工过程中对周围土体的作用力主要有推进阻力和扭矩阻力，其中推进阻力主要有掌子面推力、注浆压力以及盾体与周围土体之间的摩擦，扭矩阻力主要由刀盘正面摩擦以及刀盘的侧面摩擦引起，与此同时，盾构机自重引起周边土体的位移应当考虑到隧道的施工中，通过弹性半空间体的位移变形的Mindlin基本解，对双线隧道施工引起的地表沉降进行估算；对均布在掌子面的作用力进行积分，得到单线隧道掌子面推力引起的土层位移：w_h1—竖向位移把z＝0代入公式(1)中可以得到，掌子面推力引起地表的沉降为w_1q(x,y,0)，在大多数的数值模拟以及解析式估算中，掌子面附加推力通常取值在±20kpa，对于土压平衡盾构施工，综合考虑各种施工因素的情况下给出经验公式：其中：Δp′—切口切入土体产生的推力，取值范围10‑25kpa；E_u—土体不排水弹性模量，取值为(36～80)E_s0.1‑0.2；E_s0.1‑0.2—压缩模量；v—盾构机掘进速度；w—刀盘转速；k—刀盘闭口部分幅数；D—刀盘直径；ξ—刀盘开口率；对盾构长度方向上进行积分，得到单线盾体摩擦对周围土体的位移表达式如下：其中：w_h1(x‑W‑l,y,z,r,θ,f)—竖向位移f—盾体与周围土体的摩擦力；任意刀具位置上的竖向以及水平分力由下面式子表示：α＝φ+2kπ/n  (12)其中：p₁—每一幅刀具上面最远端受到的最大摩擦力；p₂—刀盘侧面认为是受到均布的摩擦力；pv—竖向集中力；ph—水平集中力；φ—为刀盘切入角；n—为刀具幅数；k—为第k幅刀具；T₁—刀盘正面摩擦扭矩；T₂—盘周边摩擦扭矩；T₃—刀盘切削渣土所需要扭矩；在纵向上积分得到重力引起的土体沉降估算表达式为：其中：w_v2(x‑W‑l,y,z,R,θ,Psinθ)—任意一个重力均布力分量P_i引起的位移分量，i为自然数；P—隧道轴线处的重力分量；叠加Mindlin位移解计算出来的结果在掌子面后方计算值大于实际数据，因此，越接近隧道的土层，管片与盾构之间的空间对于土体沉降的影响越大，基于公式计算出来的结果与实际之间误差越大，因此能够知道隧道施工过程中引起的沉降为众多施工因素与土体损失引起的沉降和；2)数值模型的建立模型采用FLAC 3D有限差分软件进行模型，土体和注浆为实体单元，采用摩尔库伦弹塑性模型，盾壳和衬砌采用shell单元进行模拟，为各向同性弹性材料；建立双线路隧道模型，对模型施加重力，使模型在自重的作用下达到平衡，得到模型原始自重应力场，对模型的应力场清零；接着对隧道进行开挖，具体开挖步骤如下：2.1)开挖出注浆圈以内的土体，对开挖面施加预设的均布力，模拟盾构的掌子面推力，简化成四幅刀模拟刀盘切削扭矩，并在刀盘侧面的超挖软弱层上施加侧面摩擦，在盾壳上施加均布力来模拟顶推力用于克服盾壳与土体之间摩擦的部分，在盾壳下端施加盾构自身重力，运行预设的时步，时步的确定方式，开挖之前进行试开挖，确定盾构掘进过程中隧道轴线处顶部土体的位移为不超过隧道周围土体活动空隙的时步，隧道周围活动空隙值U_i由下面式子进行估算：其中：用来衡量去除平均边界应力后土体的剪切强度；E_u,c_u,v_u—分别为在不排水条件下土的弹性模量，剪切模量，泊松比；γ—土的容重；2.2)在注浆圈外安装盾构盾壳，盾壳外为扰动土层，土层的物理参数为同层的弱化土层；2.3)在距离掌子面预设值处，去除盾壳以及超挖软弱土层，并对土层施加设定得到注浆压力，运行预设时步；2.4)去除注浆压力，此时弱化的土层得到了浆液的加固，此时给注浆土体和弱化层赋值生成注浆层，运行预设时步；2.5)盾壳脱离已经凝固的注浆层，此时对隧道安装管片，管片铺设成环可以与衬砌一起承受土体应力，用shell单元模拟衬砌，并运行预设时步；3)地层变形规律分析对隧道分别进行单线和双线同时开挖，模拟隧道掘进过程中土体沉降逐渐形成的过程，其中隧道的最大隆起发生在隧道底部，最大沉降发生在隧道顶部轴线处，隧道前端无支护部分模拟隧道刀盘超挖部分在周围土压力之下的运动，壳体部分模拟盾构对运动的土体的支护作用，注浆后浆液凝固形成的混凝土结构承担一部分的支护作用，盾构末端的壳体为隧道的衬砌模拟，衬砌铺装完成后作为隧道的结构部分承受隧道周围的土压力；对隧道采用异步开挖，隧道沉降并不是两边相同左右对称，先开挖的左线隧道在盾构机施工完成，隧道内总重量减轻，在土压力之下会微微隆起，此时开挖右线，右线在施工工况下面沉降比左线要多，因此，左线与右线相比，在施工中的隧道沉降比已存的隧道沉降要大；4)沉降估算与数值模拟对比将沉降表达式对地面沉降进行估算并与数值模拟的地表沉降曲线作对比；使用各施工因素引起的沉降表达式进行积分并得到单线隧道地表的纵向沉降与横向沉降曲线，并与数值模拟结果对比，发现双方曲线趋势吻合；叠加单隧道施工沉降估算表达式得到曲线作为同步施工引起的沉降曲线与有限差分对比沉降槽更宽，沉降更大；对于异步施工的沉降曲线，公式估算法按照保守方法将先施工隧道土体损失曲线与后施工隧道的沉降曲线叠加，有限差分模拟结果显示，在运算中，后施工隧道在已存隧道的影响下沉降增大，叠加后的曲线最大沉降处往左边移动。