一种盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法技术

本发明专利技术涉及地下建筑工程技术领域，公开了一种盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法，包括获取土层信息、土体参数、隧道设计参数、盾构机设计参数及盾构掘进参数；取土并通过室内固结试验形成e‑log p'曲线，并通过不排水三轴压缩试验获得各土层的q‑γs曲线；通过三维数值模型获得盾构掘进后不同位置的土体剪应变；确定扰动度SDD；基于扰动度SDD确定盾构掘进扰动后各层土体的表观自重应力、表观屈服应力、回弹指数和压缩指数，形成扰动后的e‑log p'曲线；根据盾构掘进扰动后e‑log p'曲线确定工后地表沉降量。本发明专利技术相比以前不考虑工后沉降的地表沉降预测更科学、更可靠，对周边地层变形进行控制以及建筑物保护提供理论依据及指导作用。

A Method for Determining Surface Settlement after Construction Caused by Shield Tunneling

【技术实现步骤摘要】
一种盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法
本专利技术涉及地下建筑工程
，具体地涉及一种盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法。
技术介绍
近年来，为缓解日益加剧城市交通压力，全国多地掀起了城市轨道交通的建设高潮。盾构法具备自动化程度高、施工工期短、不影响地面交通等特点，在沿海软土地区城市隧道建设中倍受青睐。由于盾尾空隙引起土体损失，盾构隧道在施工期间不可避免会引起地表沉降，同时对周边地层产生扰动。软土地层具有高灵敏度、高压缩性等特点，受扰动后抗剪强度降低，可引发长时间次固结，产生较大的工后沉降，其影响经常被忽略，从而低估了隧道建设对周边环境的影响。过大工后沉降，将会导致周边建筑物变形、倾斜、开裂，甚至房屋倒塌等重大安全事故。因此在工程建设之初，考虑盾构掘进引起的地层扰动，准确预测盾构掘进引起的工后地表沉降，并提出相应的地层变形控制措施以及周边建筑物保护措施对保证周边建筑物的安全性和服务性能具有十分重要的意义。经过对现有技术文献的检索发现，当前软土地层盾构隧道引起的地表沉降研究众多，但均以施工过程的土体损失引起的瞬时沉降为主。如Peck于1969年在第7届国际土力学和基础工程会议发表的《软土地层深基坑和隧道开挖》基于瞬时沉降监测数据提出隧道开挖引起的地表沉降经验公式。魏纲于2007年在《岩土力学》发表的《盾构施工中土体损失引起的地面沉降预测》中提出了土体损失引起的地表沉降的统一土体移动模型。李忠超等2015年于《浙江大学学报》发表的《软黏土中盾构掘进地层变形与掘进参数关系》提出盾构掘进参数对地表沉降和地层损失率影响的显著关系。LeeK.M.和RoweR.K.于1990在《计算机和岩土技术期刊》发表的《软黏土隧道开挖引起的三维地层变形有限元模拟：I分析方法》利用有限元模拟方法分析盾构掘进引起的地层沉降，此后相关的数值模拟数不胜数。然而，上述研究均只考虑盾构隧道施工的瞬时沉降，无法确定施工扰动后所引起长期工后沉降。有鉴于此，需要提供一种盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法，以准确评估盾构掘进引起的工后地表沉降量，降低盾构掘进施工对周边地层变形的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了能够更准确的评估盾构掘进引起的工后地表沉降量，提供一种盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法，包括如下步骤：S1、确定盾构施工影响深度范围内的土层信息、土体参数、隧道设计参数、盾构机设计参数及盾构掘进参数；S2、现场钻孔取土，并包括以下不分先后的子步骤：S21、通过室内固结试验获得盾构施工影响深度范围内各土层原状土和重塑土的固结试验e-logp'曲线，确定原状土的自重应力σz0、先期固结压力σpc、回弹指数Cs、压缩指数Cc和重塑土的压缩指数Ccr；S22、通过不排水三轴压缩试验获得各土层的q-γs曲线，确定各土层的破坏剪应变γf；S3、建立三维数值模型模拟隧道支护、开挖及注浆过程，以获得盾构掘进后不同位置的土体剪应变γs；S4、根据计算公式SDD＝(γs/γf)×100％，确定盾构掘进后不同位置的土体的扰动度SDD；S5、基于所述扰动度SDD结合盾构掘进前原状土的自重应力σz0、先期固结压力σpc、回弹指数Cs和压缩指数Cc和重塑土的压缩指数Ccr，确定盾构掘进扰动后各层土体的表观自重应力σzd、表观屈服应力σpd、回弹指数Csd和压缩指数Ccd，形成扰动后的e-logp'曲线；S6、根据盾构掘进扰动后e-logp'曲线确定工后地表沉降量Spt。优选地，所述步骤S1中，所述土层信息为通过钻孔取土获取所述深度范围内的土样进行颗粒分析试验，确定土样各粒组土粒含量，其中钻孔取土量根据试件量确定，所述试件量至少包括三件。更优选地，所述步骤S1中，所述盾构机设计参数包括盾构机的长度、直径、盾壳弹性模量以及泊松比；所述的盾构掘进参数包括盾构支护力和注浆率。进一步优选地，所述子步骤S21中，所述现场钻孔取土是指沿隧道轴线间隔地用取土器获取现场土样，所述土样数量至少包括三个。具体地，所述子步骤S21中，所述原状土的自重应力σz0通过以下公式确定：式中，γi为第i层土的天然重度，对地下水位以下的土层取浮重度；hi为第i层土的厚度。更具体地，所述子步骤21中，所述先期固结压力σpc通过以下方法确定：从所述固结试验e-logp'曲线上找出曲率半径最小的一点A，过A点做水平线A1和切线A2；作所述水平线A1和切线A2之间夹角的平分线A3，该平分线A3与所述固结试验e-logp'曲线中的直线段的延长线相交于B点；该B点在所述固结试验e-logp'曲线上所对应的有效应力值为先期固结压力σpc。进一步具体地，所述子步骤21中，所述回弹指数Cs通过以下方法确定：根据所述现场钻孔取土的试样的初始自重应力p1和初始孔隙比e0在所述固结试验e-logp'曲线的坐标系内确定b1点；过b1点作一条斜率为室内回弹曲线和再压缩曲线的平均斜率的直线，其中所述室内回弹曲线和再压缩曲线为所述固结试验e-logp'曲线的组成部分；该直线与通过所述B点的垂线交于b点，该b1b线为试样的原始再压缩曲线，该原始再压缩曲线的斜率为回弹指数Cs；所述压缩指数Cc通过以下方法确定：由室内压缩曲线上孔隙比等于0.42e0确定c点；连接b点和c点形成bc直线，该bc直线为试样的原始压缩曲线，其斜率为压缩指数Cc。作为本专利技术的优选实施形式，所述步骤S5中，盾构掘进前原状土的先期固结压力σpc通过以下公式确定：σpc＝1.30σz0作为本专利技术的另一个优选实施形式，所述步骤S5中，所述盾构掘进扰动后各层土体的表观自重应力σzd通过以下公式确定：σzd＝(1-SDD)×σz0所述盾构掘进扰动后土体的表观屈服应力σpd通过以下公式确定：σpd＝(1-SDD)×σpc所述盾构掘进扰动后土体的回弹指数Csd通过以下公式确定：Csd＝(1-SDD)×(Cs-Ccr)+Ccr所述盾构掘进扰动后土体的压缩指数Ccd通过以下公式确定：Ccd＝(1-SDD)×(Cc-Ccr)+Ccr作为本专利技术的又一个优选实施形式，所述步骤S6中，所述工后地表沉降量Spt通过分层总和法按照以下公式确定：当σz0i+Δpi≤σpdi时，当σz0i+Δpi>σpdi时，式中，Spti为第i层土工后地层压缩量；hi为第i层土的厚度；e0i为第i层土的初始孔隙比；Csdi为盾构掘进后第i层土的回弹指数；σz0i+Δpi为盾构掘进后第i层土的竖向有效应力；σzdi为盾构掘进扰动后第i层土的表观自重应力；Ccdi为盾构掘进扰动后第i层土的压缩指数；σpdi为盾构掘进后第i层土的表观屈服应力。本专利技术的盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法可以准确地评估盾构掘进后的工后地表的沉降量，从而能够准确评估盾构施工对地表变形的影响，给实际工程土体变形预测提供了更为合理的依据。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明图1是本专利技术实施例中确定方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例中原状土的e-logp'曲线示意图；图3是本专利技术实施例中原状土的q-γs曲线示意图；图4是本专利技术实施例中盾构掘进模型示意图；图5是本专利技术实施例中盾构掘进模型示意图；图6是本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、确定盾构施工影响深度范围内的土层信息、土体参数、隧道设计参数、盾构机设计参数及盾构掘进参数；S2、现场钻孔取土，并包括以下不分先后的子步骤：S21、通过室内固结试验获得盾构施工影响深度范围内各土层原状土(4)和重塑土(6)的固结试验e‑log p'曲线，确定原状土(4)的自重应力σz0、先期固结压力σpc、回弹指数Cs、压缩指数Cc和重塑土(6)的压缩指数Ccr；S22、通过不排水三轴压缩试验获得各土层的q‑γs曲线，确定各土层的破坏剪应变γf；S3、建立三维数值模型模拟隧道支护、开挖及注浆过程，以获得盾构掘进后不同位置的土体剪应变γs；S4、根据计算公式SDD＝(γs/γf)×100％，确定盾构掘进后不同位置的土体的扰动度SDD；S5、基于所述扰动度SDD结合盾构掘进前原状土(4)的自重应力σz0、先期固结压力σpc、回弹指数Cs和压缩指数Cc和重塑土(6)的压缩指数Ccr，确定盾构掘进扰动后各层土体的表观自重应力σzd、表观屈服应力σpd、回弹指数Csd和压缩指数Ccd，形成扰动后的e‑log p'曲线；S6、根据盾构掘进扰动后e‑log p'曲线确定工后地表沉降量Spt。...

【技术特征摘要】
1.一种盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、确定盾构施工影响深度范围内的土层信息、土体参数、隧道设计参数、盾构机设计参数及盾构掘进参数；S2、现场钻孔取土，并包括以下不分先后的子步骤：S21、通过室内固结试验获得盾构施工影响深度范围内各土层原状土(4)和重塑土(6)的固结试验e-logp'曲线，确定原状土(4)的自重应力σz0、先期固结压力σpc、回弹指数Cs、压缩指数Cc和重塑土(6)的压缩指数Ccr；S22、通过不排水三轴压缩试验获得各土层的q-γs曲线，确定各土层的破坏剪应变γf；S3、建立三维数值模型模拟隧道支护、开挖及注浆过程，以获得盾构掘进后不同位置的土体剪应变γs；S4、根据计算公式SDD＝(γs/γf)×100％，确定盾构掘进后不同位置的土体的扰动度SDD；S5、基于所述扰动度SDD结合盾构掘进前原状土(4)的自重应力σz0、先期固结压力σpc、回弹指数Cs和压缩指数Cc和重塑土(6)的压缩指数Ccr，确定盾构掘进扰动后各层土体的表观自重应力σzd、表观屈服应力σpd、回弹指数Csd和压缩指数Ccd，形成扰动后的e-logp'曲线；S6、根据盾构掘进扰动后e-logp'曲线确定工后地表沉降量Spt。2.根据权利要求1所述的盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述土层信息为通过钻孔取土获取所述深度范围内的土样进行颗粒分析试验，确定土样各粒组土粒含量，其中钻孔取土量根据试件量确定，所述试件量至少包括三件。3.根据权利要求1所述的盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述盾构机设计参数包括盾构机(1)的长度、直径、盾壳弹性模量以及泊松比；所述的盾构掘进参数包括盾构支护力和注浆率。4.根据权利要求1所述的盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法，其特征在于，所述子步骤S21中，所述现场钻孔取土是指沿隧道轴线间隔地用取土器获取现场土样，所述土样数量至少包括三个。5.根据权利要求1所述的盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法，其特征在于，所述子步骤S21中，所述原状土(4)的自重应力σz0通过以下公式确定：式中，γi为第i层土的天然重度，对地下水位以下的土层取浮重度；hi为第i层土的厚度。6.根据权利要求1所述的盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法，其特征在于，所述子步骤21中，所述先期固结压力σpc通过以下方法确定：从所述固结试验e-logp'曲线上找出曲率...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈仁朋，孟凡衍，吴怀娜，陈拴，杨微，刘源，康馨，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43