地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形计算方法技术

本发明专利技术提供地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形计算方法，由于本发明专利技术真实考虑到盾构推进方向和各力均与水平面有一定夹角β，分别提出掘削面附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力以及土体损失各因素引起的土体垂直变形计算公式。在施工前根据具体的现场施工参数，如掘削面单位面积上的正面附加推力p1、开挖面处盾构轴线埋深h、盾构机外直径D、土的泊松比μ、土的剪切弹性模量G、土的压缩模量Es等模拟不同参数的施工条件下，所能够产生的土体中任一位置土体垂直变形大小；若地表沉降超过相应允许值，则需调整上述相关施工参数并进行试算，直至土体垂直变形低于或者等于相应允许值，从而使得施工达到安全标准。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地下工程
，涉及一种地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形计算方法。
技术介绍
地面出入式盾构法工法与传统的盾构法具有较大区别。常规盾构法施工时一般要求隧道顶部覆土深度不小于盾构机直径(地铁一般为6.2m)，但地面出入式盾构法施工存在超浅埋工况，顶部覆土深度≤5m，对浅层土体的扰动较大，故其有可能引发邻近地下管线及建筑物的破坏，存在严重的安全隐患。林存刚[1]结合杭州市庆春路过江盾构隧道工程，基于Mindlin解提出了盾构以一定坡度掘进时掘削面正面附加推力q和盾壳摩擦力f的竖向分力与水平分力共同引起的地面土体垂直变形计算公式。但其计算公式的坐标设定仅考虑q与f的方向与水平面的夹角β，并没有考虑盾构轴线与水平面的夹角(见图1a)，即假设盾构推进方向为水平、忽略盾构埋深变化，由此得出的计算结果与实际不符，给工程带来安全隐患。且未推导由盾尾附加注浆压力及土体损失引起的土体垂直变形计算公式。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中不足，提供一种地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形计算方法。为解决该种特殊工况引起的土体垂直沉降变形计算，并为今后现场施工及其研究提供理论支持，本专利考虑了盾构轴线与水平面夹角β(即隧道埋深变化)，推导了掘削面正面附加推力、盾壳摩擦力、盾尾附加注浆压力、土体损失因素引起的地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形计算方法。为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供一种地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形计算方法，由于本专利技术真实考虑到盾构推进方向和各力均与水平面有一定夹角β(见图1b，以向上为正，向下为负)。分别提出掘削面正面附加推力、盾壳摩擦力、盾尾附加注浆压力以及土体损失各因素引起的土体垂直变形计算公式。本专利技术力学计算模型见图2。图中x为离开挖面的水平距离，单位符号为mm，以掘进方向为正；y为离盾构轴线的横向水平距离，单位符号为mm；z为盾构轴线离地面的竖向距离，单位符号为mm，以向下为正。本专利方法具体包括如下步骤：步骤1)、正面附加推力引起的土体垂直变形计算：取盾构开挖面内任一微单元dA＝rdrdθ，其所受的集中力为：dp1＝p1rdrdθ，式中：A、r、θ分别为微单元面积、半径、角度，符号单位分别为mm2、mm、°；p1为掘削面单位面积上的正面附加推力，单位符号为Pa；开挖面内任一微单元坐标为：(-rsinθsinβ，-rcosθ，h-rsinθcosβ)，式中：h为开挖面处盾构轴线埋深，单位符号为mm；经过坐标变换，得到用于代入Mindlin位移解的等效坐标：x1＝x+rsinθsinβ；y1＝y+rcosθ；h1＝h-rsinθcosβ；设盾构开挖面任一微单元荷载作用点、及其关于地面的对称点，到土体沉降计算点之间的距离分别为： M 1 = x 1 2 + y 1 2 + ( z - h 1 ) 2 , ]]> N 1 = x 1 2 + y 1 2 + ( z + h 1 ) 2 , ]]>将dp1分解为水平力dp1h＝p1cosβrdrdθ和竖向力dp1v＝p1sinβrdrdθ，分别代入Mindlin水平和竖向位移解进行积分计算；得到在掘削面正面附加推力的水平分力作用下，土体中任一点(x，y，z)处产生的垂直变形为： w 1 h = p 1 c o s β 16 π G ( 1 - μ ) ∫ 0 2 π ∫ 0 D / 2 x 1 [ z - h 1 M 1 3 + ( 3 - 4 μ ) ( z - h 1 ) N 1 3 - 6 zh 1 ( z + h 1 ) N 1 5 本文档来自技高网...

【技术保护点】
地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形计算方法，其特征在于：由于考虑到盾构推进方向和掘削面正面附加推力、盾壳摩擦力、盾尾附加注浆压力均与水平面有一定夹角β，以向上为正，向下为负；分别提出掘削面正面附加推力、盾壳摩擦力、盾尾附加注浆压力以及土体损失各因素引起的土体垂直变形计算公式；令x为离开挖面的水平距离，单位符号为mm，以掘进方向为正；y为离盾构轴线的横向水平距离，单位符号为mm；z为盾构轴线离地面的竖向距离，单位符号为mm，以向下为正；具体包括如下步骤：步骤1)、正面附加推力引起的土体垂直变形计算：取盾构开挖面内任一微单元dA＝rdrdθ，其所受的集中力为：dp1＝p1rdrdθ，式中：A、r、θ分别为微单元面积、半径、角度，符号单位分别为mm2、mm、。；p1为掘削面单位面积上的正面附加推力，单位符号为Pa；开挖面内任一微单元坐标为：(‑r sinθsinβ，‑r cosθ，h‑r sinθcosβ)，式中：h为开挖面处盾构轴线埋深，单位符号为mm；经过坐标变换，得到用于代入Mindlin位移解的等效坐标：x1＝x+r sinθsinβ；y1＝y+r cosθ；h1＝h‑r sinθcosβ；设盾构开挖面任一微单元荷载作用点、及其关于地面的对称点，到土体沉降计算点之间的距离分别为：M1=x12+y12+(z-h1)2,]]>N1=x12+y12+(z+h1)2,]]>将dp1分解为水平力dp1h＝p1cosβrdrdθ和竖向力dp1v＝p1sinβrdrdθ，分别代入Mindlin水平和竖向位移解进行积分计算；得到在掘削面正面附加推力的水平分力作用下，土体中任一点(x，y，z)处产生的垂直变形为：w1h=p1cosβ16πG(1-μ)∫02π∫0D/2x1[z-h1M13+(3-4μ)(z-h1)N13-6zh1(z+h1)N15+4(1-μ)(1-2μ)N1(N1+z+h1)]rdrdθ,]]>式中：D为盾构机外直径，单位符号为mm；μ为土的泊松比；G为土的剪切弹性模量，单位符号为Pa，Es为土的压缩模量，单位符号为Pa；K0为静止土压力系数；π为圆周率，一般取3.14；同时，在盾构掘削面正面附加推力的竖向分力作用下，土体中任一点(x，y，z)处产生的土体垂直变形为：w1v=p1sinβ16πG(1-μ)∫02π∫0D/2[(3-4μ)M1+8(1-μ)2-(3-4μ)N1+(z-h1)2M13+(3-4μ)(z+h1)2-2h1zN13+6h1z(z+h1)2N15]rdrdθ]]>因此，在盾构掘削面正面附加推力作用下，土体中任一点(x，y，z)处产生的垂直变形为：w1＝w1h+w1v步骤2)、盾壳摩擦力引起的土体垂直变形计算：由于盾构机为一圆柱体，取盾壳表面任一微单元dA＝Rdldθ，其所受的摩擦力为：dp2＝p2Rdldθ式中：R为盾构半径，单位符号为mm；l为微单元长度，单位符号位mm；p2为盾壳单位面积上的摩擦力，单位符号为Pa；盾壳表面任一微单元的坐标为：(‑l cosβ‑R sinθsinβ，‑R cosθ，h+l sinβ‑R sinθcosβ)经过坐标变换，得到用于代入Mindlin位移解的等效坐标：x2＝x+l cosβ+R smθsinβ；y2＝y+R cosθ；h2＝h+l sinβ‑R sinθcosβ；则盾壳表面任一微单元荷载作用点、及其关于地面的对称点，到土体沉降计算点之间的距离分别为：M2=x22+y22+(z-h2)2]]>N2=x22+y22+(z+h2)2]]>将dp2分解为水平分力dp2h＝p2cosβRdldθ和竖向分力dp2v＝P2sinβRdldθ，分别代入Mindlin水平和竖向位移解，分别进行积分计算；得到在盾壳摩擦力的水平分力作用下，土体中任一点(x，y，z)处产生的垂直变形为：w2h=p2Rcosβ16πG(1-μ)∫02π∫0Lx2[z-h2M23+(3-4μ)(z-h2)N23-6zh2(z+h2)N25+4(1-μ)(1-2μ)N2(N2+z+h2)]dldθ]]>式中：L为盾构长度，单位符号为mm；同时，在盾壳摩擦力的竖向分力作用下，土体中任一点(x，y，z)处产生的垂直变形为：w2v=p2Rsinβ16πG(1-μ)∫02π∫0L[(3-4...

【技术特征摘要】
1.地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形计算方法，其特征在于：由于考虑到盾构推进方向和掘削面正面附加推力、盾壳摩擦力、盾尾附加注浆压力均与水平面有一定夹角β，以向上为正，向下为负；分别提出掘削面正面附加推力、盾壳摩擦力、盾尾附加注浆压力以及土体损失各因素引起的土体垂直变形计算公式；令x为离开挖面的水平距离，单位符号为mm，以掘进方向为正；y为离盾构轴线的横向水平距离，单位符号为mm；z为盾构轴线离地面的竖向距离，单位符号为mm，以向下为正；具体包括如下步骤：步骤1)、正面附加推力引起的土体垂直变形计算：取盾构开挖面内任一微单元dA＝rdrdθ，其所受的集中力为：dp1＝p1rdrdθ，式中：A、r、θ分别为微单元面积、半径、角度，符号单位分别为mm2、mm、。；p1为掘削面单位面积上的正面附加推力，单位符号为Pa；开挖面内任一微单元坐标为：(-r sinθsinβ，-r cosθ，h-r sinθcosβ)，式中：h为开挖面处盾构轴线埋深，单位符号为mm；经过坐标变换，得到用于代入Mindlin位移解的等效坐标：x1＝x+r sinθsinβ；y1＝y+r cosθ；h1＝h-r sinθcosβ；设盾构开挖面任一微单元荷载作用点、及其关于地面的对称点，到土体沉降计算点之间的距离分别为： M 1 = x 1 2 + y 1 2 + ( z - h 1 ) 2 , ]]> N 1 = x 1 2 + y 1 2 + ( z + h 1 ) 2 , ]]>将dp1分解为水平力dp1h＝p1cosβrdrdθ和竖向力dp1v＝p1sinβrdrdθ，分别代入Mindlin水平和竖向位移解进行积分计算；得到在掘削面正面附加推力的水平分力作用下，土体中任一点(x，y，z)处产生的垂直变形为： w 1 h = p 1 c o s β 16 π G ( 1 - μ ) ∫ 0 2 π ∫ 0 D / 2 x 1 [ z - h 1 M 1 3 + ( 3 - 4 μ ) ( z - h 1 ) N 1 3 - 6 zh 1 ( z + h 1 ) N 1 5 + 4 ( 1 - μ ) ( 1 - 2 μ ) N 1 ( N 1 + z + h 1 ) ] r d r d θ , ]]>式中：D为盾构机外直径，单位符号为mm；μ为土的泊松比；G为土的剪切弹性模量，单位符号为Pa，Es为土的压缩模量，单位符号为Pa；K0为静止土压力系数；π为圆周率，一般取3.14；同时，在盾构掘削面正面附加推力的竖向分力作用下，土体中任一点(x，y，z)处产生的土体垂直变形为： w 1 v = p 1 s i n β 16 π G ( 1 - μ ) ∫ 0 2 π ∫ 0 D / 2 [ ( 3 - 4 μ ) M 1 + 8 ( 1 - μ ) 2 - ( 3 - 4 μ ) N 1 + ( z - h 1 ) 2 M 1 3 + ( 3 - 4 μ ) ( z + h 1 ) 2 - 2 h 1 z N 1 3 + 6 h 1 z ( z + h 1 ) 2 N 1 5 ] r d r d θ ]]>因此，在盾构掘削面正面附加推力作用下，土体中任一点(x，y，z)处产生的垂直变形为：w1＝w1h+w1v步骤2)、盾壳摩擦力引起的土体垂直变形计算：由于盾构机为一圆柱体，取盾壳表面任一微单元dA＝Rdldθ，其所受的摩擦力为：dp2＝p2Rdldθ式中：R为盾构半径，单位符号为mm；l为微单元长度，单位符号位mm；p2为盾壳单位面积上的摩擦力，单位符号为Pa；盾壳表面任一微单元的坐标为：(-l cosβ-R sinθsinβ，-R cosθ，h+l sinβ-R sinθcosβ)经过坐标变换，得到用于代入Mindlin位移解的等效坐标：x2＝x+l cosβ+R smθsinβ；y2＝y+R cosθ；h2＝h+l sinβ-R sinθcosβ；则盾壳表面任一微单元荷载作用点、及其关于地面的对称点，到土体沉降计算点之间的距离分别为： M 2 = x 2 2 + y 2 2 + ( z - h 2 ) 2 ]]> N 2 = x 2 2 + y 2 2 + ( z + h 2 ) 2 ]]>将dp2分解为水平分力dp2h＝p2cosβRdldθ和竖向分力dp2v＝P2sinβRdldθ，分别代入Mindlin水平和竖向位移解，分别进行积分计算；得到在盾壳摩擦力的水平分力作用下，土体中任一点(x，y，z)处产生的垂直变形为： w 2 h = p 2 R c o s β 16 π G ( 1 - μ ) ∫ 0 2 π ∫ 0 L x 2 [ z - h 2 M 2 3 + ( 3 - 4 μ ) ( z - h 2 ) N 2 3 - 6 zh 2 ( z + h 2 ) N 2 5 + 4 ( 1 - μ ) ( 1 - 2 μ ) N 2 ( N 2 + z + h 2 ) ] d l d θ ]]>式中：L为盾构长度，单位符号为mm；同时，在盾壳摩擦力的竖向分力作用下，土体中任一点(x，y，z)处产生的垂直变形为： w 2 v = p 2 R sin β 16 π G ( 1 - μ ) ∫ 0 2 π ∫ 0 L [ ( 3 - 4 μ ) M 2 + 8 ( 1 - μ ) 2 - ( 3 - 4 μ ) N 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏纲，姜鑫，张鑫海，林雄，朱田宇，王霄，黄文，蔡诗淇，厉京，许讯，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33