隧洞盾构挖掘面推力参数的确定方法技术

本发明专利技术提供隧洞盾构挖掘面推力参数的确定方法，属于隧洞结构工程技术领域，首先建立三维有限元结构模型，然后采用生死单元法对隧洞开挖动态过程进行模拟，其次模拟掘进面推力逐渐递增，确定盾构掘进过程中河床在实测日平均高、低潮位下的应力分布，最后从土体开挖面水平法向应力及周围土体剪切应力两方面综合确定，使盾构掘进过程中土层应力状态分布与原始平衡应力状态分布相一致，达到平衡稳定状态。本发明专利技术解决了土体开挖导致一定范围内河床地层土体产生扰动，导致一定范围内应力重分布，影响工作面土体的稳定的技术问题。

Determination of thrust parameters for excavation face of tunnel shield

The invention provides a method for determining thrust parameters of tunnel shield excavation surface, which belongs to the field of tunnel structural engineering technology. Firstly, a three-dimensional finite element structural model is established, and then the dynamic process of tunnel excavation is simulated by using the life-death element method. Secondly, the progressive increment of thrust at the excavation surface is simulated to determine the river bed in the process of shield tunneling. The stress distribution under the high and low tide level is measured. Finally, the horizontal normal stress and the shear stress of the surrounding soil are determined comprehensively, so that the stress distribution of the soil layer in the shield tunneling process is consistent with the original equilibrium stress distribution and reaches the equilibrium and stable state. The invention solves the technical problem that the soil excavation causes the disturbance of the riverbed stratum soil in a certain range, causes the stress redistribution in a certain range, and affects the stability of the working face soil.

【技术实现步骤摘要】
隧洞盾构挖掘面推力参数的确定方法
本专利技术属于隧洞结构工程
，具体涉及隧洞盾构挖掘面推力参数的确定方法。
技术介绍
对于隧洞施工过程中确定挖掘面参数，近年来有不少研究，如同济大学联合上海市城建设计研究院以上海地铁7号线上行线隧道为例，基于隧道变形实测值，采用位移反分析正演优化方法对盾构掘进面土压力进行计算分析。中铁隧道集团以南京地铁一号线为例，对土仓压力高低与地表隆沉之间的关系作定性分析，得到土仓压力设置的经验公式和相应参数的取值。中铁四局集团第二工程有限公司以上海地铁M8线为例，通过水土压力、土体重度、附加压力、经验公式计算土舱压力，然后根据施工过程中土舱压力和地表沉降之间的关系进行土压力的及时调整。对于隧洞施工过程中挖掘面参数的确定，现有方案基本均基于地表隆沉实测值，采用位移反分析法，对土仓压力高低与地表隆沉之间的关系作定性分析并及时调整。但一方面：地表隆沉实测工作繁琐，尤其水下河床地形监测更是不易，造成掘进面参数控制困难；另一方面，地表隆沉实测相较盾构掘进具有滞后性，造成无法对潜在的施工险情提供安全预报，无法保障盾构安全过江。地铁盾构施工是在地层土体内部进行的，在盾构推进的过程中，土体开挖必然对一定范围内土体产生扰动，导致应力重分布，土体原有平衡状态受到破坏，影响土层稳定，甚至发生坍塌。盾构挖掘面土推力是直接作用于盾构前方土体的应力，挖掘面推力过大，前方土体将产生很大的隆起变形，同时会增加刀盘的磨损；挖掘面推力过小，前方土体将产生过大的下沉变形，并会增加盾构通过后的地面沉降。
技术实现思路
（1）要解决的技术问题本专利技术为了克服现有技术方案基本均基于地表隆沉实测值，而地表隆沉实测工作繁琐，尤其水下河床地形监测更是不易，造成掘进面参数控制困难，并且地表隆沉实测相较盾构掘进具有滞后性，造成无法对潜在的施工险情提供安全预报，无法保障盾构安全过江的缺点，为解决以上技术问题，本专利技术提供隧洞盾构挖掘面推力参数的确定方法，该方法首先建立三维有限元结构模型，然后采用生死单元法对隧洞开挖动态过程进行模拟，其次模拟掘进面推力逐渐递增，确定盾构掘进过程中河床在实测日平均高、低潮位下的应力分布，最后从土体开挖面水平法向应力及周围土体剪切应力两方面综合确定，使盾构掘进过程中土层应力状态分布与原始平衡应力状态分布相一致，达到平衡稳定状态。本专利技术解决了土体开挖导致一定范围内河床地层土体产生扰动，导致一定范围内应力重分布，影响工作面土体的稳定的技术问题。（2）技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供本专利技术提供隧洞盾构挖掘面推力参数的确定方法，首先建立三维有限元结构模型，然后采用生死单元法对隧洞开挖动态过程进行模拟，其次模拟掘进面推力逐渐递增，确定盾构掘进过程中河床在实测日平均高、低潮位下的应力分布，最后从土体开挖面水平法向应力及周围土体剪切应力两方面综合确定，使盾构掘进过程中土层应力状态分布与原始平衡应力状态分布相一致，达到平衡稳定状态。所述三维有限元结构模型以北京54坐标系（430662.10，2883005.70）的0.00m高程为模型坐标原点，横河向指向右岸为X轴正方向，顺河向指向下游为Y轴正方向，沿高程向上为Z轴正方向，坐标系满足右手螺旋，所述三维有限元结构模型采用三维8节点六面体和4节点四面体结构单元进行离散，模型离散网格共104966个节点，451202个单元。所述生死单元法采用ANSYS三维有限元软件进行隧洞开挖过程的模拟，利用ANSYS有限元分析软件的生死单元功能进行模拟，具体为对开挖部分单元进行杀死和对衬砌进行激活来模拟材料的消去和添加，从而真实模拟隧洞工程开挖过程。基于盾构掘进过程中所引发的土体应力状态变化机理，引起掘进工作面失稳的主要原因：开挖面土体受到的水平法向应力小于原始侧压力，导致开挖面失稳；盾构与土体的摩擦引起土体的剪切扰动，周围一定范围内土体的剪切应力超过了原始剪切强度。（3）有益效果本专利技术的有益效果：通过分析盾构掘进过程中所引发的土体应力状态变化机理，提出判断引起掘进工作面失稳的主要原因，提出了复杂力学环境下，采用开挖面水平法向应力及周围土体剪切应力综合法确定盾构挖掘面推力参数获得成功，实现土压力平衡掘进模式，可为盾构施工险情快速提供安全预报与加固防护的技术保障。附图说明图1是实测日平均低潮位下开挖前水平法向应力云图；图2是实测日平均低潮位下开挖后水平法向应力云图；图3是实测日平均低潮位下土仓压力为0.180Mpa的水平法向应力云图；图4是实测日平均低潮位下土仓压力为0.185Mpa的水平法向应力云图；图5是实测日平均低潮位下土仓压力为0.190Mpa的水平法向应力云图；图6是实测日平均低潮位下土仓压力为0.195Mpa的水平法向应力云图；图7是实测日平均低潮位下土仓压力为0.200Mpa的水平法向应力云图；图8是实测日平均低潮位下土仓压力为0.215Mpa的水平法向应力云图；图9是实测日平均低潮位下土仓压力为0.220Mpa的水平法向应力云图；图10是实测日平均低潮位下土仓压力为0.225Mpa的水平法向应力云图；图11是实测日平均低潮位下开挖前的隧洞轴线剪切应力云图；图12是实测日平均低潮位下开挖后的隧洞轴线剪切应力云图；图13是实测日平均低潮位下土仓压力为0.180Mpa的隧洞轴线剪切应力云图；图14是实测日平均低潮位下土仓压力为0.185Mpa的隧洞轴线剪切应力云图；图15是实测日平均低潮位下土仓压力为0.190Mpa的隧洞轴线剪切应力云图；图16是实测日平均低潮位下土仓压力为0.195Mpa的隧洞轴线剪切应力云图；图17是实测日平均低潮位下土仓压力为0.200Mpa的隧洞轴线剪切应力云图；图18是实测日平均低潮位下土仓压力为0.205Mpa的隧洞轴线剪切应力云图；图19是实测日平均低潮位下土仓压力为0.210Mpa的隧洞轴线剪切应力云图；图20是实测日平均低潮位下土仓压力为0.215Mpa的隧洞轴线剪切应力云图；图21是实测日平均高潮位下开挖前水平法向应力云图；图22是实测日平均高潮位下开挖后水平法向应力云图；图23是实测日平均高潮位下土仓压力为0.200Mpa的水平法向应力云图；图24是实测日平均高潮位下土仓压力为0.205Mpa的水平法向应力云图；图25是实测日平均高潮位下土仓压力为0.210Mpa的水平法向应力云图；图26是实测日平均高潮位下土仓压力为0.215Mpa的水平法向应力云图；图27是实测日平均高潮位下土仓压力为0.220Mpa的水平法向应力云图；图28是实测日平均高潮位下土仓压力为0.225Mpa的水平法向应力云图；图29是实测日平均高潮位下土仓压力为0.230Mpa的水平法向应力云图；图30是实测日平均高潮位下土仓压力为0.235Mpa的水平法向应力云图；图31是实测日平均高潮位下开挖前的隧洞轴线剪切应力云图；图32是实测日平均高潮位下开挖后的隧洞轴线剪切应力云图；图33是实测日平均高潮位下土仓压力为0.200Mpa的隧洞轴线剪切应力云图；图34是实测日平均高潮位下土仓压力为0.205Mpa的隧洞轴线剪切应力云图；图35是实测日平均高潮位下土仓压力为0.210Mpa的隧洞轴线剪切应力云图；图36是实测日平均高潮位下土仓压力为0.215Mpa的隧洞轴线剪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.隧洞盾构挖掘面推力参数的确定方法，其特征是，首先建立三维有限元结构模型，然后采用生死单元法对隧洞开挖动态过程进行模拟，其次模拟掘进面推力逐渐递增，确定盾构掘进过程中河床在实测日平均高、低潮位下的应力分布，最后从土体开挖面水平法向应力及周围土体剪切应力两方面综合确定，使盾构掘进过程中土层应力状态分布与原始平衡应力状态分布相一致，达到平衡稳定状态。

【技术特征摘要】
1.隧洞盾构挖掘面推力参数的确定方法，其特征是，首先建立三维有限元结构模型，然后采用生死单元法对隧洞开挖动态过程进行模拟，其次模拟掘进面推力逐渐递增，确定盾构掘进过程中河床在实测日平均高、低潮位下的应力分布，最后从土体开挖面水平法向应力及周围土体剪切应力两方面综合确定，使盾构掘进过程中土层应力状态分布与原始平衡应力状态分布相一致，达到平衡稳定状态。2.根据权利要求1所述的隧洞盾构挖掘面推力参数的确定方法，其特征是，所述三维有限元结构模型以北京54坐标系（430662.10，2883005.70）的0.00m高程为模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄梅琼，杨首龙，何承农，王乐乐，柯明辉，夏厚兴，薛泷辉，
申请(专利权)人：福建省水利水电勘测设计研究院，
类型：发明
国别省市：福建,35