一种矩形顶管隧道施工工后地表沉降计算方法技术

本发明专利技术涉及一种矩形顶管隧道施工工后地表沉降计算方法，包括土体初始超孔隙水压力计算方法和工后地表长期沉降计算，由于本发明专利技术的理论基础扎实，提出矩形顶管隧道施工引起的周围土体初始超孔隙水压力计算方法，进而得到土体初始超孔隙水压力等值线图。运用分层总和法计算地表固结沉降，叠加施工阶段的地表沉降量，得到工后地表总沉降的计算方法，进而预估最终沉降量。因此施工前可通过本发明专利技术的公式对矩形顶管隧道施工工后地表沉降进行预测，防止工后沉降过大引发安全事故。本发明专利技术通过理论公式，对矩形顶管隧道施工工后地表沉降进行预测，对工程具有预防、指导作用，并且为今后有关顶管、盾构隧道施工工后地表沉降的研究提供了理论基础。

Method for calculating ground surface settlement after construction of rectangular jacking pipe tunnel

The invention relates to a tunnel construction of rectangular pipe jacking ground settlement calculation methods, including initial soil pore water pressure calculation method and post construction settlement calculation, the solid theoretical foundation of the present invention, the surrounding soil caused by rectangular pipe jacking tunnel construction of the initial excess pore water pressure calculation method, and then get over the initial soil pore water pressure isoline map. The surface consolidation settlement is calculated by the method of layer summation and the surface settlement at the construction stage is added to obtain the calculation method of the total surface settlement after construction, and then the final settlement is estimated. Therefore, before construction, the ground surface settlement of the rectangular jacking pipe tunnel construction can be predicted by the formula of the invention, so as to prevent the excessive settlement after construction and cause a safety accident. Through the theoretical formula of rectangular pipe jacking tunnel construction surface subsidence prediction, with prevention and guidance for the engineering, and provides a theoretical basis for future research on surface subsidence of pipe jacking, the shield tunnel construction after work.

【技术实现步骤摘要】
一种矩形顶管隧道施工工后地表沉降计算方法
本专利技术涉及一种矩形顶管隧道施工工后地表沉降计算方法，属于地下工程

技术介绍
目前关于矩形顶管施工引起土体变形的研究方法主要有：经验法、理论计算法、数值模拟法、实测数据分析法等。经验法中：林强强[1]利用Peck公式计算矩形顶管施工期间的地面沉降。理论计算法中：王日东[2]采用随机介质理论建立了矩形顶管推进引起的三维土体变形计算方法。数值模拟法中：陈聪等[3]、李铮华[4]、庞臣军等[5]、林晓庆[6]、唐凯[7]均模拟了不同工况下矩形顶管施工引起的土体变形。实测数据分析法中：温锁林[8]通过施工现场实测土体沉降、孔隙水压力和土体水平位移，得到施工对周边环境的影响规律；施文捷等[9]通过现场实测数据，探讨了矩形顶管施工过程中周边水土压力及地表变形随时间的变化规律；郭亮[10]通过施工现场监测土体变形，得到了土体沉降的变化规律；邓长茂等[11]通过对上海软土地层中3个大截面矩形顶管施工实例分析，发现矩形顶管推进引起地表变形具有一般规律性。综上所述，目前对矩形顶管施工期间引起地表沉降的研究较多，但未见对工后地表沉降的研究，也不清楚Peck公式是否适用于工后地表沉降。
技术实现思路
随着城市发展，地面交通拥堵已成为普遍现象，因此发展地下空间变得极为重要。矩形顶管作为地下隧道的一种，有着空间利用率大、对周边环境影响小等优点。但矩形顶管隧道在顶进结束后会继续产生地表沉降，且随时间增加而增大，进而危害到周围建(构)筑物。目前对矩形顶管施工期间引起地表沉降的研究较多，但未见对工后地表沉降的研究，也不清楚Peck公式是否适用于工后地表沉降。因此，为预测该种几何顶管引起的隧道施工工后地表沉降，并为今后现场施工、理论研究提供公式基础，急需对矩形顶管引起的工后地表沉降作进一步研究。本专利技术提供一种矩形顶管隧道施工工后地表沉降计算方法，包括如下步骤：步骤(1)：土体初始超孔隙水压力计算方法本专利技术研究对象为软土地区矩形顶管施工引起的工后地表沉降(包括施工期间沉降和固结沉降)。在研究土体初始超孔隙水压力前，作以下假设：(1)文中出现的初始超孔隙水压力为土体中最大超孔隙水压力；(2)土体开挖应力释放导致初始超孔隙水压力的产生，且隧道周围土体的应力释放率大小相等；(3)矩形顶管隧道一侧视为一挡土墙。根据挡土墙理论，选择图1中A点为起拱点，即作为矩形顶管隧道初始超孔隙水压力的计算点(以下简称隧道角点处)。计算出隧道脚点处土体超孔隙水压力大小以及该点围压大小，相除得到应力释放率；再根据应力释放理论，得出隧道周围土体初始超孔隙水压力大小及分布。矩形顶管隧道的围压受力模式见图2。图中：H为隧道顶部覆土埋深，单位符号为m；h为隧道外部高，单位符号为m；l为隧道外部宽，单位符号为m；θ为计算点与隧道水平夹角，单位符号为°，取值为-π/2到π/2；π为圆周率，一般取3.14；P1为上覆土压力，单位符号为Pa；P2为侧面土压力，单位符号为Pa；P3为隧道自身重量，单位符号为Pa。由图2可得，上部应力：σ1＝γH侧向应力：σ2＝γK0(H+h/2-ltanθ/2)下部应力：σ3＝γH+P3(1)式中：σ1为上部应力，单位符号为Pa；σ2为侧向应力，单位符号为Pa；σ3为下部应力，单位符号为Pa；γ为上覆土体平均重度，单位符号为N/m3；K0为静止土压力系数。隧道角点处土体的初始超孔隙水压力计算公式为：式中：△σr＝Ps-(K0σ′0+u0)；△σθ＝σ′0+u0-Ps；△σz＝μ(△σr+△σθ)；U′0为隧道角点处土体的初始超孔隙水压力，单位符号为Pa；Δσz为平面应变条件下第二主应力的变化量，单位符号为Pa；Δσr为径向应力的变化量，单位符号为Pa；Δσθ为切向应力的变化量，单位符号为Pa；Ps为隧道对土体的支护应力，单位符号为Pa；ε、λ均为孔隙水压力系数，在饱和土中A＝0.5，λ＝1；σ′0为土体初始有效应力，单位符号为Pa；u0为静止孔隙水压力，单位符号为Pa；G为土体Lame弹性系数，单位符号为Pa，G＝E/2(1+μ)；E为土体的弹性模量，单位符号为Pa；μ为土体泊松比；ηCF＝12(R′/tc)2；R′为隧道的等效半径，单位符号为m，以隧道几何中心为圆心，根据矩形隧道超孔隙水压力计算点的位置作出半径为R′的外接圆，A点的等效半径等于隧道外部尺寸对角线长度的一半；tc为隧道的厚度，单位符号为m；D0＝Ectc/(1-μc2)；Ec为隧道混凝土的弹性模量，单位符号位Pa；μc为隧道混凝土的泊松比。由公式(1)、(2)可得隧道角点处的水土压力值和土体初始超孔隙水压力值，则土体应力释放率为：α＝U′0/σ3式中：α为土体应力释放率。矩形顶管隧道周围的土体初始超孔隙水压力，可以通过隧道围压乘以土体应力释放率α得到。由于矩形隧道存在转角，周围土体中隧道侧面超孔隙水压力与顶部及底部超孔隙水压力区域中间存在四个过渡区。本专利技术提出过渡区域可假定由一组对数螺旋线组成，螺旋线的表达式为：ρ＝r0exp(a0θ′)式中：ρ为对数螺旋线函数的变量，代表超孔隙水压力大小；θ’为对数螺旋线函数的变量，代表该位置处与水平方向的夹角；r0、a0为对数螺旋线参数，可以通过曲线两端已知的初始超孔隙水压力大小联立计算得到。由此可计算得到四个过渡区域中土体的初始超孔隙水压力。取隧道右半横截面为例，矩形顶管施工扰动范围如图3所示。推导得出剪切扰动区半径r′(扰动区边缘到隧道轴心距离)约为：式中：r′为剪切扰动区半径，单位符号为m；D为矩形顶管的尺寸高和宽的平均数，单位符号为m；为土的内摩擦角，单位符号为°。曲线ABC三点及圆心O的坐标为：A(0，H+h/2+r’)B(e，H+h/2)O(x，y)式中：a、b为公式简便而设立的参数，a＝h+r′，本专利技术假定：(1)土体超孔隙水压力扩散面(边界)与水平面夹角为且应力从隧道边界向外侧传递并扩散；(2)由于沿隧道顶进方向距离较长，因此简化为平面应变问题，该方向在计算中长度均取1m；(3)沿隧道边缘任一点垂直方向，土体内各点的初始超孔隙水压力值从隧道边界向外侧发生衰减；(4)土体超孔隙水压力扩散面上应力均匀分布；(5)周边土体各点的初始超孔隙水压力不受其余处影响，仅由该点相对应的与隧道相邻处初始超孔隙水压力U0传递。以隧道横截面为例，本专利技术超孔隙水压力传递模型见图4。令隧道顶部向上传递应力的土体宽度为：L＝1.4R-0.3H0式中：L为隧道顶部向上传递应力的土体宽度，单位符号为m；H0为盾构隧道覆土埋深，单位符号为m；R为盾构隧道外半径，单位符号为m，在矩形顶管隧道中，用等效半径R’代替。隧道顶部土体的初始超孔隙水压力值为：U0＝αPθ＝90°式中：U0为隧道顶部土体的初始超孔隙水压力值，单位符号为Pa；Pθ＝90°为隧道顶部围压值，单位符号为Pa。由竖向受力平衡，推导得出侧面应力为：式中：U′为侧面应力，单位符号为Pa。则离地面z深度处的土体竖向初始超孔隙水压力为：式中：U(z)为离地面z深度处的土体竖向初始超孔隙水压力，单位符号为Pa。对于隧道下方土体，推导得到扰动边界往上距离f处土体的竖向初始超孔隙水压力为：式中：U(f)为扰动边界往上距离f处土体的竖向初始超孔隙水压力，单位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种矩形顶管隧道施工工后地表沉降计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：土体初始超孔隙水压力计算方法本专利技术研究对象为软土地区矩形顶管施工引起的工后地表沉降，包括施工期间沉降和固结沉降；在研究土体初始超孔隙水压力前，作以下假设：(1)文中出现的初始超孔隙水压力为土体中最大超孔隙水压力；(2)土体开挖应力释放导致初始超孔隙水压力的产生，且隧道周围土体的应力释放率大小相等；(3)矩形顶管隧道一侧视为一挡土墙；根据挡土墙理论，选择起拱点A作为矩形顶管隧道初始超孔隙水压力的计算点，以下简称隧道角点处；计算出隧道脚点处土体超孔隙水压力大小以及该点围压大小，相除得到应力释放率；再根据应力释放理论，得出隧道周围土体初始超孔隙水压力大小及分布；构建矩形顶管隧道的围压受力模式图：H为隧道顶部覆土埋深，单位符号为m；h为隧道外部高，单位符号为m；l为隧道外部宽，单位符号为m；θ为计算点与隧道水平夹角，单位符号为°，取值为‑π/2到π/2；π为圆周率，一般取3.14；P

【技术特征摘要】
1.一种矩形顶管隧道施工工后地表沉降计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：土体初始超孔隙水压力计算方法本发明研究对象为软土地区矩形顶管施工引起的工后地表沉降，包括施工期间沉降和固结沉降；在研究土体初始超孔隙水压力前，作以下假设：(1)文中出现的初始超孔隙水压力为土体中最大超孔隙水压力；(2)土体开挖应力释放导致初始超孔隙水压力的产生，且隧道周围土体的应力释放率大小相等；(3)矩形顶管隧道一侧视为一挡土墙；根据挡土墙理论，选择起拱点A作为矩形顶管隧道初始超孔隙水压力的计算点，以下简称隧道角点处；计算出隧道脚点处土体超孔隙水压力大小以及该点围压大小，相除得到应力释放率；再根据应力释放理论，得出隧道周围土体初始超孔隙水压力大小及分布；构建矩形顶管隧道的围压受力模式图：H为隧道顶部覆土埋深，单位符号为m；h为隧道外部高，单位符号为m；l为隧道外部宽，单位符号为m；θ为计算点与隧道水平夹角，单位符号为°，取值为-π/2到π/2；π为圆周率，一般取3.14；P1为上覆土压力，单位符号为Pa；P2为侧面土压力，单位符号为Pa；P3为隧道自身重量，单位符号为Pa；由上述矩形顶管隧道的围压受力模式图可得，上部应力：σ1＝γH侧向应力：σ2＝γK0(H+h/2-ltanθ/2)下部应力：σ3＝γH+P3(1)式中：σ1为上部应力，单位符号为Pa；σ2为侧向应力，单位符号为Pa；σ3为下部应力，单位符号为Pa；γ为上覆土体平均重度，单位符号为N/m3；K0为静止土压力系数；隧道角点处土体的初始超孔隙水压力计算公式为：式中：△σr＝Ps-(K0σ′0+u0)；△σθ＝σ′0+u0-Ps；△σz＝μ(△σr+△σθ)；U′0为隧道角点处土体的初始超孔隙水压力，单位符号为Pa；Δσz为平面应变条件下第二主应力的变化量，单位符号为Pa；Δσr为径向应力的变化量，单位符号为Pa；Δσθ为切向应力的变化量，单位符号为Pa；Ps为隧道对土体的支护应力，单位符号为Pa；ε、λ均为孔隙水压力系数，在饱和土中A＝0.5，λ＝1；σ′0为土体初始有效应力，单位符号为Pa；u0为静止孔隙水压力，单位符号为Pa；G为土体Lame弹性系数，单位符号为Pa，G＝E/2(1+μ)；E为土体的弹性模量，单位符号为Pa；μ为土体泊松比；ηCF＝12(R′/tc)2；R′为隧道的等效半径，单位符号为m，以隧道几何中心为圆心，根据矩形隧道超孔隙水压力计算点的位置作出半径为R′的外接圆，A点的等效半径等于隧道外部尺寸对角线长度的一半；tc为隧道的厚度，单位符号为m；D0＝Ectc/(1-μc2)；Ec为隧道混凝土的弹性模量，单位符号位Pa；μc为隧道混凝土的泊松比；由公式(1)、(2)可得隧道角点处的水土压力值和土体初始超孔隙水压力值，则土体应力释放率为：α＝U′0/σ3式中：α为土体应力释放率；矩形顶管隧道周围的土体初始超孔隙水压力，可以通过隧道围压乘以土体应力释放率α得到；由于矩形隧道存在转角，周围土体中隧道侧面超孔隙水压力与顶部及底部超孔隙水压力区域中间存在四个过渡区；本发明提出过渡区域可假定由一组对数螺旋线组成，螺旋线的表达式为：ρ＝r0exp(a0θ')；式中：ρ为对数螺旋线函数的变量，代表超孔隙水压力大小；θ，为对数螺旋线函数的变量，代表该位置处与水平方向的夹角；r0、a0为对数螺旋线参数，可以通过曲线两端已知的初始超孔隙水压力大小联立计算得到；由此可计算得到四个过渡区域中土体的初始超孔隙水压力；取隧道右半横截面为例；推导得出剪切扰动区半径r′(扰动区边缘到隧道轴心距离)约为：式中：r′为剪切扰动区半径，单位符号为m；D为矩形顶管的尺寸高和宽的平均数，单位符号为m；为土的内摩擦角，单位符号为°；曲线ABC三点及圆心O的坐标为：A(0，H+h/2+r’)B(e，H...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏纲，李志渊，王彬，林雄，朱田宇，洪子涵，许讯，蔡诗淇，黄絮，张佳，
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