一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法及其系统，根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程；根据隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程，综合考虑隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数得到最小覆土厚度的计算公式；在考虑最大注浆压力条件下和不考虑注浆压力条件下，得到最小覆土层厚度取值范围，结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。

【技术实现步骤摘要】
一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法及其系统
本专利技术涉及覆土层厚度的确定方法，尤其涉及一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度的确定方法及其系统。
技术介绍
目前，随着经济发展以及交通需求的增长，我国城市地下交通系统的建设进入高峰期，许多城市交通隧道的设计选线无法避开河道和湖泊。在盾构施工中，当盾构机穿越江、海、河和湖时，由于隧道使用线路上的限制及工程造价等原因，使得有时隧道所处位置的上覆土层较浅，如越江隧道、城市地铁隧道施工中穿越河道及湖底等情况。当上覆土层厚度小于1.0D～1.5D(D为开挖外径)时，必须对隧道上覆问题进行研究。在国内外，盾构隧道修建中遇到这一难题的工程实例也不在少数，例如：德国第4条易北河隧道直径为12.33m，最浅处土层的厚度只有7m；我国上海黄浦江复兴东路—大连路隧道最浅覆土仅为5.5m，不足盾构直径的一半；南京地铁南北一期工程，在盾构机穿越秦淮河时，河底标高距隧道顶仅为0.97m，不足隧道直径的1/6；长沙南湖路湘江公路隧道江中段最浅覆土仅为6.73m，约为盾构开挖外径的0.58倍。可以预见，越江跨海盾构隧道建设不可避免的要遇到上覆土层较浅的问题。目前水下隧道最小覆土层厚度的确定方法主要应用于钻爆法施工的水下隧道工程中，而盾构法施工的水下隧道工程最小覆土厚度确定方法目前较少，局限性较大，且以工程经验法为主，最小覆土层厚度的确定过程中也未能考虑地层条件及施工荷载的影响，造成最小覆土层厚度计算结果偏保守，大幅增加工程造价，无法满足目前浅覆水下盾构隧道建设快速发展的需要。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度的确定方法及其系统，以解决现有浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法局限性较大，不考虑工程条件及施工环境影响的现有技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度的确定方法，包括：步骤S1：根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程。步骤S2：根据隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程，综合考虑隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数得到最小覆土厚度的计算公式。步骤S3：在考虑最大注浆压力条件下和忽略注浆压力条件下的最小覆土层厚度值，得到最小覆土层厚度取值范围的大小边界值，结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。优选地，步骤S1中，隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程为：其中，σ、τ分别为破裂面上的法向应力与切向应力，θ为上覆土体发生剪切破坏时的破坏面与水平面的夹角，P0为管片浮力对土柱底部的作用力，W为上覆土破裂体重力，AC为沿X轴方向夹角为θ的剪切破坏面，且yA＝0，yC＝h，yA和yC为A和C在Y轴方向的长度。优选地，步骤S2中最小覆土厚度的计算公式：为实现上述目的，本专利技术还公开了一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定系统，包括：数据录入模块：用于输入隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数。数据处理模块：用于根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立的隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程和最小覆土厚度的计算公式计算在最大注浆压力条件下和忽略注浆压力条件下的最小覆土层厚度值，输出最小覆土层厚度取值范围的大小边界值，供用户结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。优选地，数据处理模块中隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程：其中，σ、τ分别为破裂面上的法向应力与切向应力，θ为上覆土体发生剪切破坏时的破坏面与水平面的夹角，P0为管片浮力对土柱底部的作用力，W为上覆土破裂体重力，AC为沿X轴方向夹角为θ的剪切破坏面，且yA＝0，yC＝h，yA和yC为A和C在Y轴方向的长度。优选地，数据处理模块中最小覆土厚度的计算公式：其中，k为侧压力系数，c、分别为土体粘聚力和内摩擦角，R为盾构隧道管片外径，γg为浆液重度，γ为上覆土重度，μ为邻接管片间的摩擦系数。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术考虑了多种影响浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定的因素，基于这些因素建立的隧道上覆土的力学平衡方程，与现场实际更为接近，求解结果更加准确可信。本专利技术还在于考虑上述因素建立的上覆土力学平衡方程，可分别求解得到考虑最大注浆压力和不考虑注浆压力两种极端工况下隧道上覆土处于极限平衡状态时的最小覆土厚度值，该区间即为工程最小覆土层厚度的合理取值范围。之后可根据地层条件，按线性插值的方法进行合理取值。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本实施例浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法流程图；图2是本实施例最小覆土厚度确定方法示意图；图3(a)和图3(b)是本实施例最小覆土厚度条件下数值分析示意图；图4(a)和图4(b)是本实施例未受注浆压力与受最大注浆压力作用下管片内力示意图；图5是本实施例不同外径条件下两种方法得出的最小覆土厚度值。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。参见图1，本专利技术的一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法，包括：步骤S1：根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程。步骤S2：根据隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程，综合考虑隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数得到最小覆土厚度的计算公式。步骤S3：在考虑最大注浆压力条件下(最不利条件)和忽略注浆压力条件(最保守条件)下，得到最小覆土层厚度取值范围的大小边界值，结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。参见图2，步骤S1中，隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程为：其中，σ、τ分别为破裂面上的法向应力与切向应力，θ为上覆土体发生剪切破坏时的破坏面与水平面的夹角，P0为管片浮力对土柱底部的作用力，W为上覆土破裂体重力，AC为沿X轴方向夹角为θ的剪切破坏面。根据几何方程推导可得：dx＝cosθdldy＝sinθdlσ＝kγysinθ其中，k为侧压力系数，c、分别为土体粘聚力和内摩擦角，h为最小覆土厚度，γ为上覆土重度。根据摩尔库伦破坏准则可得：步骤S1中P0可由下式求得：其中，F浮为隧道上覆破坏土体所承受的浮力，R为盾构隧道管片外径，G为管片重力。F浮可由下式求得：其中，γg为浆液密度，μ为邻接管片间的摩擦系数，Ni为第i个纵向螺栓的预紧力，B为管片宽度，Fj为最大注浆压力，以工程实际最大注浆压力为准。当忽略注浆压力时，F浮可由下式求得：将上述所有公式代入平衡方程中，且yA＝0，yC＝h可得：对上述公式积分可得：根据上述公式可推导出最小覆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法，其特征在于，包括：步骤S1：根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程；步骤S2：根据所述平衡方程，综合考虑隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数得到最小覆土厚度的计算公式；步骤S3：根据所述最小覆土厚度的计算公式，分别计算在最大注浆压力条件下和忽略注浆压力条件下的最小覆土层厚度值，得到最小覆土层厚度取值范围的大小边界值，结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。

【技术特征摘要】
1.一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法，其特征在于，包括：步骤S1：根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程；步骤S2：根据所述平衡方程，综合考虑隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数得到最小覆土厚度的计算公式；步骤S3：根据所述最小覆土厚度的计算公式，分别计算在最大注浆压力条件下和忽略注浆压力条件下的最小覆土层厚度值，得到最小覆土层厚度取值范围的大小边界值，结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。2.根据权利要求1所述的一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法，其特征在于，步骤S1中，隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程：其中，σ、τ分别为破裂面上的法向应力与切向应力，θ为上覆土体发生剪切破坏时的破坏面与水平面的夹角，P0为管片浮力对土柱底部的作用力，W为上覆土破裂体重力，AC为沿Y轴方向夹角为θ的剪切破坏面，且yA＝0，yC＝h，yA和yC为A和C在Y轴方向的长度。3.根据权利要求1所述的一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法，其特征在于，步骤S2中最小覆土厚度的计算公式：其中，k为侧压力系数，c、分别为土体粘聚力和内摩擦角，R为盾构隧道管片外径，γg为浆液重度，γ为上覆土重度，μ为邻接管片间的摩擦...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁禹，黄林冲，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44