[发明专利]一种考虑开挖面局部破坏的浅埋盾构隧道地层隆起极限分析方法

摘要

本发明公开了一种考虑开挖面局部破坏的浅埋盾构隧道地层隆起极限分析方法，属于盾构施工技术领域。理论模型研究主要都基于开挖面整体失稳假设，然而支护力过大引起的隧道开挖面被动破坏存在一个由局部破坏到整体失稳的渐进演化过程。已有数值模拟研究发现了开挖面局部被动失稳破坏现象。目前，整体被动失稳假设对分析局部被动破坏模式具有局限性，而对局部被动破坏的发展与失稳机理的研究较少。本方法假定土体破坏模式，提出理论模型。根据理论模型，推导理论公式。建立数值3D模型，计算局部失稳比η和极限支护力σT的值，并与理论模型结果进行对照。本发明提出的局部失稳模型获得的极限支撑压力更小，更接近数值模拟得到的结果。

主权项

1.一种考虑开挖面局部破坏的浅埋盾构隧道地层隆起极限分析方法，其特征在于：实现该方法包括如下步骤，步骤1.假定土体破坏模式，提出理论模型；假设土体均质、各向同性，满足摩尔库伦屈服准则，建立破坏机制来分析砂土地层浅埋隧道开挖面被动局部破坏失稳模式；隧道直径为D，埋深为C，地表超载为σ_s，开挖面的支护压力，假设为均布荷载；在多锥体模型基础上，假设开挖面上存在一个长轴为d的椭圆形破坏区域，在土体破坏时，该椭圆形破坏区域的顶点总与隧道的拱顶重合，开挖面局部破坏区域前方以多个被截的圆锥体组成，这些圆锥体朝不同方向作刚性体平移运动，速度方向与圆锥体的轴线共线，并与圆锥体的不连续面形成一个角；为描述开挖面局部破坏区域，设局部失稳高度比η＝d/D；因此，η＝1时，认为开挖面发生了整体被动破坏；当0＜η＜1时，认为开挖面发生局部破坏率为η的被动破坏；步骤2.根据理论模型，推导理论公式；(1)首先，理论模型的参数说明如下C:隧道顶部到地表的竖直距离即隧道埋深；D:圆形隧道开挖面直径；H:隧道开挖面中心点到地表的竖直距离；c:隧道所在地层的土体粘聚力；隧道所在地层的土体摩擦角；γ:隧道所在地层的土体重度；η:局部失稳高度比；α:截圆锥体AB1O1的轴线与水平线的夹角；ABi:截圆锥体ABiOi与第i个截断面相交区域的竖直长度；AOi:截圆锥体ABiOi垂直纸面投影方向的长度参数；OiBi+1：截圆锥体ABiOi垂直纸面投影方向的长度参数；O5F：截圆锥体EFO5垂直纸面投影方向的长度参数；αi:OiBi+1与ABi的夹角，i＝1,2,3,4；α5:O5F与AB5的夹角；βi:ABi与ABi+1间的夹角；d:开挖面上椭圆形破坏区域即截圆锥体AB1O1与第一个截断面相交区域的长轴长度；σs:地表超载；P:在隧道开挖面上施加的支护力；P0:隧道开挖面前方的静止土压力；σT:隧道开挖面极限被动支护力；hi:截圆锥体ABiOi的高；h6:截圆锥体EFO5的高；EF:截圆锥体EFO5与地面相交区域在垂直纸面方向投影的长度参数；Ai:截圆锥体ABiOi与第i个截断面相交区域的面积；A6:截圆锥体EFO5与地面相交区域的面积；Vi:滑块ABiBi+1的体积；V5:滑块EFAB5的体积；Si:滑块ABiBi+1的侧面积；S5:滑块EFAB5的侧面积；θi:截圆锥体ABiOi轴线的垂线在垂直纸面投影方向上与ABi相交的夹角；θ6:截圆锥体EFO5轴线的垂线在垂直纸面投影方向上与地面相交的夹角；νi:滑块ABiBi+1相对土体的运动速度；ν5:滑块EFAB5相对土体的运动速度；νi,i+1:滑块ABiBi+1与滑块ABi+1Bi+2之间的相对速度；ν5,6:滑块AB4B5与滑块EFAB5之间的相对速度；ψi:速度νi与竖直方向的夹角；PσT:开挖面支护力做功；Pσs:地表超载做功；Pγ:破坏区域重力做功；Pν:破坏区域内能耗散率做功；Pe:总外力做功；Nγ:土体重度对开挖面极限支护力的影响系数；Nc:土体粘聚力对开挖面极限支护力的影响系数；Ns:地表超载对开挖面极限支护力的影响系数；(2)理论推导过程如下i＝1AB1＝d   (6)θ1＝α   (8)i＝2,3,4,5θi＝βi‑1‑θi‑1 i＝2,3,4,5   (18)另，假定通过前面的几何参数推导，可得根据极限分析法上限定理，隧道开挖面保持稳定的条件为：Pe≤Pν   (34)极限支护力函数为：化简，得σT＝Nγ·γD+cNc+σsNs   (36)其中，N1＝V1sinα   (40)通过理论推导，由极限支护力函数可知，确定极限支护力的大小需要确定的参数有η、α和βi此处i＝1,2,3,4，采用数学软件进行搜索求解极限支护力的最优解，从而确定局部失稳比η的值，并通过η描述开挖面上的破坏区域；步骤3.建立数值3D模型，计算步骤2中得到的局部失稳比η和极限支护力σT的值，并与步骤2中的结果进行对照；(1)建立数值模型采用有限差分软件FLAC 3D建立数值模型，模型的边界约束条件为：上表面为自由边界，四周为法向约束，底部为固定约束；数值模拟采用摩尔库伦本构模型，土层泊松比0.35；隧道开挖是一个逐步推进的过程，为简化计算，在数值模拟过程中采取一次性开挖到30m，同时对开挖面后方洞周各节点施加固定约束，在开挖面施加与隧道中心点原始水平地应力P0相同的支护压力P，然后通过不断增大该支护压力P，获得开挖面变形与P的关系曲线；当施加在隧道面上的支护压力增加到一定值时，隧道面内中心点的水平位移急剧增加，此时的p值即为被动极限支护压力值；(2)给出数值计算极限支护力σT和判定局部失稳比η大小的方法采用数值模型方法设置12种工况，计算参数如表1所示；为了方便计算，假设土是无粘性的即c＝0，其土体重度γ取18kN/m3；此外，假设地面超载为零；表1.计算参数隧道面内中心点的水平位移随支护压力P的增加而增大；当P增加到一定值时，中心点的水平位移不会收敛并急剧增加；此时，认为土壤达到极限状态，支护压力P表示为σ_T；深度C，隧道直径D和摩擦角对应于大的极限支护压力比；此外，隧道深度和摩擦角对极限支护压力比的影响更明显。