一种盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响的评价方法技术

一种盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响的评价方法，包括以下步骤：1)计算穿越前既有隧道的荷载模式，本方法考虑作用在衬砌结构上的外荷载包括竖向土压力、侧向土压力、地基反力以及结构自重；2)计算穿越时盾构机掘进所产生的附加应力，本方法考虑土体损失、刀盘附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力所产生的附加应力；3)利用ABAQUS建立盾构隧道管片模型，得到盾构隧道管片结构的水平位移和竖向位移以及螺栓应力，进而分析穿越对既有隧道的影响。本发明专利技术基于荷载‑结构法，能够根据具体下穿工况，结合理论解与数值模拟，提供一种评估既有盾构隧道影响的方法。

A Method for Evaluating the Impact of Shield Tunnel Underpass on Existing Shield Tunnels

【技术实现步骤摘要】
一种盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响的评价方法
本专利技术涉及一种盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响的评价方法，属于地下工程

技术介绍
现有关于盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响的评价的主要方法是建立2D/3D有限元实体模型，即建立土体模型，并采用生死单元法来模拟隧道开挖，并得到盾构隧道的整体沉降、受力。这种方法数值模拟建模复杂，计算耗时，而且当下穿角度、盾构隧道直径等条件变化时，整个模型需要重建，实际评价时较为复杂。随着我国城市化的不断推进，城市轨道交通建设如火如荼，大量城市开始采用盾构法新建地铁隧道。在新建隧道的建设中，不可避免地会出现新建隧道下穿既有隧道地情况。新建隧道下穿既有盾构隧道会改变既有盾构隧道的荷载模式，进而影响到既有盾构隧道的正常运营。因此，评价盾构隧道下穿对既有盾构隧道的影响具有重要的研究价值。
技术实现思路
为了克服已有盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响评价方式的计算复杂、耗时较长的不足，本专利技术提供了一种操作简单实用的盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响的评价方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响的评价方法，所述方法包括以下步骤：1)计算穿越前既有隧道的荷载模式，考虑作用在衬砌结构上的外荷载包括竖向土压力、侧向土压力、地基反力以及结构自重；2)计算穿越时盾构机掘进所产生的附加应力，考虑土体损失、刀盘附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力所产生的附加应力；3)利用ABAQUS建立盾构隧道管片模型，得到盾构隧道管片结构的水平位移和竖向位移以及螺栓应力，进而分析穿越对既有隧道的影响。进一步，所述步骤1)中，按照水土分算，利用全覆土重计算竖向土压力，利用侧向土压力系数计算侧向土压力，利用力平衡计算地基反力，并在盾构隧道衬砌结构周边设置拉压的全周地基弹簧，土体抗力系数选取范围在2～10MPa/m。所述步骤1)中，竖向土压力根据隧道所处的地质状况和埋深情况，太沙基松弛土压力计算公式为：当时，式中：σv为太沙基竖向松弛土压力，单位为kPa；K0为水平土压力与竖向土压力的比值，无量纲；P0为地面附加荷载，单位为kPa；H为隧道覆土厚度，单位为m；φ为土的内摩擦角，单位为°；c为土的粘聚力，单位为kPa；γ为土的重度，地下水位以下取浮重度，单位为kN/m3；对于中等固结黏土或软粘土，则采用全覆土重，全覆土重计算公式为：σ′v＝γiHi(4)式中：σv'为全覆土重压力，单位为kPa；γi为第i层土层的重度，地下水位以下取浮重度，单位为kN/m3；Hi为第i层土层的厚度，单位为m；侧向土压力作用于盾构隧道管片的两侧，其大小取为垂直土压力与侧向土压力系数的乘积，侧向土压力计算公式为：式中：P1'为隧道顶部侧向土压力值，单位为kPa；P′2为隧道底部侧向土压力值，单位为kPa；λ为侧向土压力系数，无量纲；Hi为第i层的厚度，单位为m；根据竖向土压力、结构自重、隧道所受浮力和地基反力的力平衡，地基反力的计算公式：p2＝p1+(Gseg-Fw)/D(7)式中：p1为隧道顶部竖向土压力，单位为kPa；p2为隧道底部地基反力，单位为kPa；Gseg为管片自重，单位为kN/m；Di为盾构隧道内径，单位为m；Fw为隧道所受浮力，单位为kN/m；γc为混凝土重度，单位为kN/m3；γw为水的重度，单位为kN/m3。根据上述计算公式，得到穿越前既有隧道的荷载模式，最终荷载受力为竖向土压力、侧向土压力、地基反力。再进一步，所述步骤(2)中，利用随机介质理论计算土体损失产生附加应力，利用Mindlin解公式计算刀盘附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力，得到各项附加应力具体数值。所述步骤2)中，隧道开挖引起的地层内点(x,y,z)处由土体损失产生的附加应力分量为：其中：a＝h0-R，b＝h0+R，e＝h0-R+g0f＝h0+R，式中：h0为隧道开挖断面中心线深度，单位为m；R为隧道半径，单位为m；εs为土体损失百分率，无量纲；E为土体压缩模量，单位为MPa；γ为土体重度，地下水位以下取浮重度，单位为kN/m3。n为表征土体软硬程度的参数，取值为0.8～1.0，土体越软，值越大，无量纲；在盾构刀盘处取一微元体dA＝rdrdθ，运用Mindlin积分解算得刀盘附加推力在该点处产生的竖向附加应力σz-q为：其中，式中：v为泊松比，无量纲；在盾壳壁上取一微元体dA＝Rsdsdθ，运用Mindlin积分解算得盾壳摩擦力在该点处产生的竖向附加应力σz-f为：其中，式中：L为新建盾构机机长；在盾尾注浆处取一微元体dA＝Rsdsdθ，运用Mindlin积分解算得附加注浆压力在该点处产生的竖向附加应力σz-p1为：其中，附加注浆压力在该点处产生的水平附加应力σz-p2为：其中，通过上述的计算公式，结合具体的工况，可以得到土体损失、刀盘附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力所产生的附加应力；同时，将此附加应力与步骤1)中的既有荷载模式相加，即得到穿越时既有隧道的荷载模式理论值。更进一步，所述步骤3)中，能结合具体工况，利用所计算的荷载模式，运用ABAQUS数值分析软件，得到盾构隧道结构的水平位移、竖向位移、螺栓应力和椭圆度，同时，可以分析在任意穿越角度工况，任意隧道净距下，对既有隧道的影响研究。所述步骤3)中，利用ABAQUS建立盾构隧道管片模型，采用荷载—结构计算模型，结合有限元软件ABAQUS相关功能特点进行衬砌结构计算分析，考虑盾构隧道竖向压载水平、侧向土压力以及土体抗力系数的影响因素，混凝土受压本构模型选用的是双折线改编的Saenz公式，受拉采用脆性模型；钢材本构模型采用Mises模型，根据管片拼装方式以及环缝处螺栓起到的作用，数值模型中螺栓部件需要设置预紧力；模型施加40kN的螺栓预紧力，土体与衬砌的相互作用，采用全周向拉压弹簧模拟土体抗力，取土体抗力系数10MPa/m；施加实际工况下的穿越时既有隧道的荷载模式理论值，得到盾构隧道管片结构的水平位移和竖向位移以及螺栓应力，进而分析穿越对既有隧道的影响。优选的，采用椭圆度来评估隧道变形情况，即：椭圆度/D＝(a-b)/D，其中，a为隧道水平直径收敛，b为隧道竖向直径收敛，D为隧道外径。本专利技术的技术构思为：计算穿越前后既有隧道的荷载模式，可以得到土内任意点由盾构下穿时盾构机切口附加推力、盾壳摩擦力、盾尾注浆压力和土体损失引起的附加应力，可以得到盾构隧道管片结构的位移、螺栓应力、椭圆度的变化，进而评价对既有隧道的影响。在计算得到穿越前既有荷载模式的基础上，利用随机介质理论计算土体损失所引起的附加应力，利用基于Mindlin解的盾构隧道开挖时盾构机切口附加推力、盾壳摩擦力、盾尾注浆压力引起的附加应力，这样克服了Mindlin解公式由于隧道埋深较浅而使得计算的土体损失造成的附加应力误差较大的缺点。将计算的附加应力与穿越前荷载模式结合，得到穿越后的既有隧道荷载模式，并将此荷载模式施加在ABAQUS有限元模型上，分析数值模拟结果，最终提供一种盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响的评价方法，本专利技术的有益效果主要表现在：本方法采用理论计算与数值模拟相结合的方法，理论计算确定穿越时既有隧道的荷载模式，数值模拟建立盾构隧道管片精细化模型。本方法可以结合具体工况，计算实际下穿工况下对既有隧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响的评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)计算穿越前既有隧道的荷载模式，考虑作用在衬砌结构上的外荷载包括竖向土压力、侧向土压力、地基反力以及结构自重；2)计算穿越时盾构机掘进所产生的附加应力，考虑土体损失、刀盘附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力所产生的附加应力；3)利用ABAQUS建立盾构隧道管片模型，得到盾构隧道管片结构的水平位移和竖向位移以及螺栓应力，进而分析穿越对既有隧道的影响。

【技术特征摘要】
1.一种盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响的评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)计算穿越前既有隧道的荷载模式，考虑作用在衬砌结构上的外荷载包括竖向土压力、侧向土压力、地基反力以及结构自重；2)计算穿越时盾构机掘进所产生的附加应力，考虑土体损失、刀盘附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力所产生的附加应力；3)利用ABAQUS建立盾构隧道管片模型，得到盾构隧道管片结构的水平位移和竖向位移以及螺栓应力，进而分析穿越对既有隧道的影响。2.如权利要求1所述的盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响的评价方法，其特征在于，所述步骤1)中，按照水土分算，利用全覆土重计算竖向土压力，利用侧向土压力系数计算侧向土压力，利用力平衡计算地基反力，并在盾构隧道衬砌结构周边设置拉压的全周地基弹簧，土体抗力系数选取范围在2～10MPa/m。3.如权利要求2所述的盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响的评价方法，其特征在于，所述步骤1)中，竖向土压力根据隧道所处的地质状况和埋深情况，太沙基松弛土压力计算公式为：当时，式中：σv为太沙基竖向松弛土压力，单位为kPa；K0为水平土压力与竖向土压力的比值，无量纲；P0为地面附加荷载，单位为kPa；H为隧道覆土厚度，单位为m；φ为土的内摩擦角，单位为°；c为土的粘聚力，单位为kPa；γ为土的重度，地下水位以下取浮重度，单位为kN/m3；对于中等固结黏土或软粘土，则采用全覆土重，全覆土重计算公式为：σ′v＝γiHi(4)式中：σ′v为全覆土重压力，单位为kPa；γi为第i层土层的重度，地下水位以下取浮重度，单位为kN/m3；Hi为第i层土层的厚度，单位为m；侧向土压力作用于盾构隧道管片的两侧，其大小取为垂直土压力与侧向土压力系数的乘积，侧向土压力计算公式为：式中：P1'为隧道顶部侧向土压力值，单位为kPa；P′2为隧道底部侧向土压力值，单位为kPa；λ为侧向土压力系数，无量纲；Hi为第i层的厚度，单位为m；根据竖向土压力、结构自重、隧道所受浮力和地基反力的力平衡，地基反力的计算公式：p2＝p1+(Gseg-Fw)/D(7)式中：p1为隧道顶部竖向土压力，单位为kPa；p2为隧道底部地基反力，单位为kPa；Gseg为管片自重，单位为kN/m；Di为盾构隧道内径，单位为m；Fw为隧道所受浮力，单位为kN/m；γc为混凝土重度，单位为kN/m3；γw为水的重度，单位为kN/m3；根据上述计算公式，得到穿越前既有隧道的荷载模式，最终荷载受力为竖向土压力、侧向土压力、地基反力。4.如权利要求1～3之一所述的盾构隧道下穿对既有盾构隧道影响的评价方法，其特征在于，所述步骤2)中，利用随机介质理论计算土体损失产生附加应力，利用Mindlin解公式计算刀盘附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力，得到各项附加应力具体数值。5.如权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁智，朱黄鼎，魏新江，
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