一种大直径盾构土体移动收敛模型及其计算方法技术

本发明专利技术涉及隧道与地下工程领域，具体为一种大直径盾构土体移动收敛模型及其计算方法，实现衬砌脱出盾尾后大直径盾构盾尾周围土体不同的收敛模式，更符合工程实际的一种大直径盾构土体移动收敛分析模型和计算方法，包括：步骤一：提出大直径盾构土体移动收敛模型的假定；步骤二、建立大直径盾构土体均匀竖向移动收敛模型；步骤三、建立大直径盾构土体不均匀竖向移动收敛模型；步骤四、大直径盾构土体均匀和不均匀竖向移动收敛模型下地层变形的计算方法；能够更准确的预测大直径盾构施工引起的地层变形，为规程计算提供了可靠和有效的计算方法，能够减少由于地层变形引起的工程问题，具有显著的工程价值和经济效益。

A model of soil movement convergence of large diameter shield and its calculation method

【技术实现步骤摘要】
一种大直径盾构土体移动收敛模型及其计算方法
本专利技术涉及隧道与地下工程领域，具体为一种大直径盾构土体移动收敛模型及其计算方法。
技术介绍
盾构隧道施工要求地层变形在规定范围内，而土体移动收敛模型是计算地层变形的基础。国内外的许多学者致力于提出符合隧道实际的土体移动收敛模型和计算方法。现有研究中多数集中在中小直径盾构基础上，认为衬砌脱出盾尾后，盾尾周围土体均沿着圆周径向产生向着衬砌圆心的径向收敛。因此，提出了均匀径向土体移动收敛模型和不均匀径向土体移动收敛模型，但这些模型均没有考虑土体的自重作用以及开挖卸荷效应。当盾构直径较小时，这些模型产生的误差可以忽略。随着盾构直径的增大，盾尾间隙也将相应增大，这时若仍然忽略土体自重作用和开挖卸荷效应将使结果产生较大误差。与已有模型相比，本专利技术所提出的大直径盾构土体移动收敛模型具有以下突出优势：①考虑开挖直径增大的影响、盾尾周围土体的自重作用和开挖卸荷效应，认为衬砌脱出盾尾后，周围土体并非发生沿着径向的收敛，而是上部土体在自重作用下竖向掉落，下部土体由于开挖卸荷而产生竖向的微小隆起，提出了大直径盾构隧道的均匀竖向收敛模型和不均匀竖向收敛模型。该模型更符合工程实际，更易被工程人员理解和接受。②通过典型工程案例计算值与实测值的对比，该均匀竖向收敛模型和不均匀竖向收敛模型能够更准确的预测大直径盾构施工引起的地层变形。本专利技术提出了适用于大直径盾构隧道更合理的土体移动模型，能够更准确的预测大直径盾构引起的地面最大沉降值，对大直径盾构隧道的发展和推广应用具有重要意义。
技术实现思路
为了解决这一问题，提供一种大直径盾构土体移动收敛模型及其计算方法，实现衬砌脱出盾尾后大直径盾构盾尾周围土体不同的收敛模式，更符合工程实际的一种大直径盾构土体移动收敛分析模型和计算方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种大直径盾构土体移动收敛模型，包括如下步骤：步骤一：提出大直径盾构土体移动收敛模型的假定：1.1、土体为半无限线弹性各向同性体；1.2、大直径盾构掘进为平面应变问题且仅考虑盾构掘进过程中的横向变形；1.3、分析中所有曲面均假定为圆形且关于隧道轴线对称，盾尾周围上部土体在自重作用下产生竖向收敛，下部土体在开挖卸荷作用下产生微小的竖向隆起；1.4、盾尾周围土体收敛或隆起后与衬砌紧密接触无间隙；步骤二、建立大直径盾构土体均匀竖向移动收敛模型：2.1、实际盾构掘进工程中，隧道轴线中心埋深为h，开挖半径为R0，衬砌外径为R，衬砌脱离盾尾瞬间周围存在一个厚度为u0的均匀间隙；2.2、上部土体在自重作用下竖向掉落，下部土体在开挖卸荷作用下发生竖向隆起；2.3、建立大直径盾构土体均匀竖向移动收敛模型；步骤三、建立大直径盾构土体不均匀竖向移动收敛模型：3.1、建立大直径盾构土体均匀竖向移动收敛模型；3.2、衬砌从盾尾中脱离后在自重作用下竖直向下发生偏移，衬砌中心与开挖断面中心将不再重合，导致盾尾周围土体产生竖直向下的位移，盾尾间隙在衬砌周围呈现非均匀分布；3.3、建立大直径盾构土体不均匀竖向移动收敛模型；为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种大直径盾构土体移动收敛模型的计算方法，包括大直径盾构土体均匀和不均匀竖向移动收敛模型下地层变形的计算方法：基于土体均匀和不均匀竖向移动收敛模型，结合镜像法原理和平面应变条件下无限土体某点地层损失引起的任意一点地层变形，推导出适合于计算大直径盾构掘进引起地层变形的计算公式，计算公式表达式如下：1、土体均匀竖向收敛模型下大直径盾构掘进引起地层变形的计算公式：①水平变形：②竖向变形：2、土体不均匀竖向收敛模型下大直径盾构掘进引起地层变形的计算公式：①水平变形②竖向变形：Sz-大直径盾构掘进引起的地层竖向总变形；Vl-大直径盾构掘进引起的地层损失率；R-大直径盾构的衬砌外径；x、z-三维坐标中隧道任意点的横坐标和竖坐标；z0-盾构隧道引起地层损失对应点的竖坐标；c-开挖面中心与衬砌中心之间的距离；h-隧道轴线埋深。本专利技术所达到的有益效果：本专利技术的大直径盾构土体移动收敛模型及其计算方法充分考虑开挖直径增大的影响、盾尾周围土体的自重作用和开挖卸荷效应，提出了更符合工程实际的大直径盾构土体均匀竖向收敛模型和不均匀竖向收敛模型；明确了上述模型的适用条件和建立方法；给出了土体均匀竖向收敛模型和不均匀竖向收敛模型下大直径盾构掘进引起地层变形的理论计算公式，能够更准确的预测大直径盾构施工引起的地层变形，为规程计算提供了可靠和有效的计算方法，能够减少由于地层变形引起的工程问题，具有显著的工程价值和经济效益。附图说明图1为大直径盾构土体均匀竖向移动收敛模型示意图；图2为大直径盾构土体不均匀竖向移动收敛模型示意图；图3为本专利技术的土体移动收敛模型与均匀径向移动收敛模型、实测数据的水平变形对比图；图4为本专利技术的土体移动收敛模型与均匀径向移动收敛模型、实测数据的竖向变形对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。(1)图1为大直径盾构土体均匀竖向移动收敛模型示意图，土体均匀竖向收敛模型的思想认为地层损失并非集中于隧道中心点O，而是集中于隧道的直径线2R上，在此等效地层损失直径线上任意取一微地层损失单元dx，则该微元所代表的地层损失为该微元所引起的地层变形计算公式为：水平位移竖向位移(2)将式(1)、(2)在[-R,R]上积分即可得总的地层损失引起的任意一点地层变形：水平位移竖向位移(3)在实际工程应用中，地层损失Vs与地层损失率Vl之间的关系为：Vs＝Vl·π·R2(5)(4)将式(5)代入(3)、(4)中可得：水平位移竖向位移(5)根据镜像计算方法可得均匀竖向膨胀产生的变形：水平位移竖向位移(6)分别将式(6)和(8)、(7)和(9)进行叠加，即可以得到大直径盾构土体在本专利技术所述均匀竖向土体移动收敛模型下的地层变形：水平位移竖向位移(7)假定衬砌从盾尾中脱离后在自重作用下竖直向下发生偏移，衬砌中心与开挖断面中心将不再重合。这也将导致盾尾周围土体产生竖直向下的位移，盾尾间隙在衬砌周围呈现非均匀分布，考虑到土体的自重作用，认为盾尾周围土体产生非均匀竖向收敛，其收敛计算模型如图2所示。(8)从图2中可以看出，与图1相比，非均匀竖向土体移动收敛模型实际上是在均匀竖向土体移动收敛模型的基础上，通过衬砌竖直向下的移动造成的。因此，令衬砌竖直向下移动的距离为c，即开挖面中心与衬砌中心之间的距离为c，c∈[0，u0]。则依据步骤(7)所得的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大直径盾构土体移动收敛模型，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：提出大直径盾构土体移动收敛模型的假定：/n1.1、土体为半无限线弹性各向同性体；/n1.2、大直径盾构掘进为平面应变问题且仅考虑盾构掘进过程中的横向变形；/n1.3、分析中所有曲面均假定为圆形且关于隧道轴线对称，盾尾周围上部土体在自重作用下产生竖向收敛，下部土体在开挖卸荷作用下产生微小的竖向隆起；/n1.4、盾尾周围土体收敛或隆起后与衬砌紧密接触无间隙；/n步骤二、建立大直径盾构土体均匀竖向移动收敛模型：/n2.1、实际盾构掘进工程中，隧道轴线中心埋深为h，开挖半径为R0，衬砌外径为R，衬砌脱离盾尾瞬间周围存在一个厚度为u0的均匀间隙；/n2.2、上部土体在自重作用下竖向掉落，下部土体在开挖卸荷作用下发生竖向隆起；/n2.3、建立大直径盾构土体均匀竖向移动收敛模型；/n步骤三、建立大直径盾构土体不均匀竖向移动收敛模型：/n3.1、建立大直径盾构土体均匀竖向移动收敛模型；/n3.2、衬砌从盾尾中脱离后在自重作用下竖直向下发生偏移，衬砌中心与开挖断面中心将不再重合，导致盾尾周围土体产生竖直向下的位移，盾尾间隙在衬砌周围呈现非均匀分布；/n3.3、建立大直径盾构土体不均匀竖向移动收敛模型。/n...

【技术特征摘要】
1.一种大直径盾构土体移动收敛模型，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：提出大直径盾构土体移动收敛模型的假定：
1.1、土体为半无限线弹性各向同性体；
1.2、大直径盾构掘进为平面应变问题且仅考虑盾构掘进过程中的横向变形；
1.3、分析中所有曲面均假定为圆形且关于隧道轴线对称，盾尾周围上部土体在自重作用下产生竖向收敛，下部土体在开挖卸荷作用下产生微小的竖向隆起；
1.4、盾尾周围土体收敛或隆起后与衬砌紧密接触无间隙；
步骤二、建立大直径盾构土体均匀竖向移动收敛模型：
2.1、实际盾构掘进工程中，隧道轴线中心埋深为h，开挖半径为R0，衬砌外径为R，衬砌脱离盾尾瞬间周围存在一个厚度为u0的均匀间隙；
2.2、上部土体在自重作用下竖向掉落，下部土体在开挖卸荷作用下发生竖向隆起；
2.3、建立大直径盾构土体均匀竖向移动收敛模型；
步骤三、建立大直径盾构土体不均匀竖向移动收敛模型：
3.1、建立大直径盾构土体均匀竖向移动收敛模型；
3.2、衬砌从盾尾中脱离后在自重作用下竖直向下发生偏移，衬砌中心与开挖断面中心将不再重合，导致盾尾周围土体产生竖直向下的位移，盾尾间隙在衬砌周围...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴昌胜，冯宁宁，李雄威，朱建群，戴磊，王正义，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32