一种基坑开挖引起的下方盾构隧道附加围压变化预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基坑开挖引起的下方盾构隧道附加围压变化的预测方法，本方法根据基坑开挖的卸载模型，计算得到隧道横断面上的附加荷载分布；提出能考虑纵向变形环间作用力的盾构隧道横向附加围压变化模型，并得到附加围压的计算方法。本发明专利技术的方法可对基坑开挖引起的下方盾构隧道衬砌围压变化进行预测，适用于不同开挖尺寸基坑上跨盾构运营隧道的工况；为相应工况下隧道结构的受力、足尺寸盾构管片加载试验和地铁隧道运营安全提供理论支持；预警围压及受力变化过大的可能，防止引发安全事故，对工程具有预防、指导作用，可节约施工成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基坑开挖引起的下方盾构隧道附加围压变化预测方法
本专利技术属于地下工程
，具体地涉及一种基坑开挖引起的下方盾构隧道附加围压变化预测方法。
技术介绍
随着城市轨道交通发展和地下空间开发利用，基坑工程上跨运营盾构隧道的情况会越来越多。当基坑开挖时，开挖卸载作用会由开挖面直接通过土体传递至下方盾构隧道。隧道随着土层发生隆起，同时在隧道结构上产生较大附加荷载。由于基坑开挖卸载量较大，对结构产生的卸载效应会破坏管片结构的受力平衡，从而产生变形甚至损伤，对运营中盾构隧道安全产生较大影响。为保证轨道交通线路的安全运营，地铁隧道有较为严格的变形控制要求，因此研究基坑开挖对下方盾构隧道的受力变形影响具有重要的应用价值。因此基坑开挖引起下方盾构隧道围压变化的理论计算方法还需更深入的研究，为地铁隧道运营安全和相关的足尺寸结构加载试验提供理论支持。此类工程问题已经得到了国内外的关注，目前主要的研究方法主要有：实测数据统计分析、数值模拟、理论计算和离心模型试验。目前针对基坑开挖引起盾构隧道围压变化的研究结果主要由有限元模拟和离心模型得到，目前常用的有限元模拟方法得到的结果仅能作为定性判断的依据，很难得到定量的准确结果。精细化的数值模拟对计算模型和运算设备具有较高的要求，需要较高的运算成本。离心模型试验需要大型超重力离心机、高精度传感器和模型实验箱等实验设备，试验研究成本较高。采用基坑引起盾构隧道围压变化的理论计算方法研究较少，尤其是基坑开挖引起的下方盾构隧道附加围压理论计算方法成果还未见报道。
技术实现思路
r>本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基坑开挖引起的下方盾构隧道附加围压变化预测方法。该方法得到的隧道围压叠加上正常工况荷载组合，能够有效评估基坑开挖对下方盾构隧道的影响。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基坑开挖引起的下方盾构隧道附加围压变化预测方法，包括如下步骤：(1)在基坑的中心o处建立坐标系，x轴垂直于所述隧道的轴线，y轴平行于所述隧道的轴线，z轴以竖直向下为正方向。(2)根据步骤1建立的坐标系，计算上方基坑开挖引起的基坑底部开挖面卸载，并得到基坑底部开挖面卸载引起的下方盾构隧道横断面上的竖向向附加应力和水平向附加应力分布，具体包括如下子步骤：(2.1)基坑底部开挖面的卸载为基坑底部竖直向上的均布荷载，计算所述基坑底部卸载p：p＝(1-α0)γd(1)其中：γ为土的重度，取基坑底以上开挖土层的加权平均值；d为基坑开挖深度；α0为残余应力系数。(2.2)根据Mindlin应力解，以所述基坑底开挖面作为积分区域，计算得到基坑底部开挖卸载下所述下方盾构隧道横断面上的竖向附加应力σaz(θ,l)和水平向附加应力σax(θ,l)分别为：其中：θ为下方盾构隧道横断面上计算点的位置角度，以上顶点为0°，顺时针方向角度增加；B为基坑沿x轴方向的开挖尺寸；L为基坑沿y轴方向的开挖尺寸；d为基坑开挖深度；h为隧道埋深；D为下方盾构隧道外径；a为基坑中心与隧道轴线的水平距离，l为隧道轴线上任意一点在所述坐标系中对应的y坐标值；x1为第一积分变量，y1为第二积分变量，σzz为Mindlin竖向应力解，σxz为Mindlin水平应力解。(3)根据隧道纵向变形的现场监测数据，结合隧道竖向位移，得到管片竖向环间作用合力分布，具体包括以下子步骤：(3.1)测量隧道沿纵向总的竖向位移w(l)，测量管片环间转角引起的位移量，计算l处的管片环与前一节管片环之间的竖向环间剪切力QL(l)和后一节管片环之间的竖向环间剪切力QR(l)：QL(l)＝(1-j)[w(l-Dt)-w(l)]×ksl(4)QR(l)＝(1-j)[w(l)-w(l-Dt)]×ksl(5)其中，j为相邻管片环间转角引起的位移量与总的竖向位移之比，Dt为管片环的宽度，ksl为隧道的环间剪切刚度，QL(l)以作用方向向上为正，QR(l)以作用方向向下为正。(3.2)再根据QL(l)和QR(l)，得到l处的管片环所受管片竖向环间作用合力Fsz(l)：Fsz(l)＝QR(l)-QL(l)(6)(4)根据步骤(2.2)得到的下方盾构隧道横断面上的竖向附加应力σaz(θ,l)和水平向附加应力σax(θ,l)，计算下方盾构隧道衬砌上不同部分各个方向上的附加荷载分布：其中，paz(θ,l)为下方盾构隧道上半部分衬砌的竖向附加荷载，p′ax(θ,l)为下方盾构隧道左侧衬砌的水平向附加荷载，p″ax(θ,l)为下方盾构隧道右侧衬砌的水平向附加荷载。再根据下方盾构隧道衬砌上不同部分各个方向上的附加荷载分布，建立下方盾构隧道衬砌附加围压变化模型：其中，Fsx为水平向的环间作用合力，Fsz为竖直向的环间作用合力，ΔqR为拱底竖向反力的卸载量。(5)根据评估需求选取下方盾构隧道待分析的计算断面，将步骤(4)得到的计算断面位置处隧道衬砌上附加荷载和步骤(3)得到的计算断面位置处管片竖向环间作用合力导入到步骤(4)建立的下方盾构隧道衬砌附加围压变化模型中，得到计算断面处水平环间作用合力Fsx以及拱底竖向反力的卸载量ΔqR。(6)根据下方盾构隧道衬砌上不同部分各个方向上的附加荷载的分布及拱底竖向反力的卸载量ΔqR，得到变形稳定后的下方盾构隧道衬砌附加围压par(θ,l)：与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术可适用于不同基坑开挖尺寸和不同位置关系的基坑跨越运营盾构隧道工况；(2)本专利技术在基坑施工开挖前预测下方盾构隧道的围压变化情况过程中采用的都是相应工程所必需的工程地质水文信息和设计参数，无需增加额外的勘察设计成本投入。(3)本专利技术可对基坑开挖引起的下方盾构隧道的围压变化进行预测，为相应工况下隧道结构的受力、足尺寸盾构管片加载试验和地铁隧道运营安全提供理论支持；预警围压及受力变化过大的可能，防止引发安全事故，对工程具有预防、指导作用，可节约施工成本。附图说明图1是基坑开挖对下方盾构隧道影响的示意图；图2是基坑与盾构隧道位置关系图；图3是基坑开挖附加荷载作用下隧道围压重分布示意图，其中，(a)是第一阶段示意图，(b)是第二阶段示意图，(c)是第三阶段示意图；图4是初始荷载组合与附加荷载组合示意图，其中，(a)是隧道初始工况下的荷载组合示意图，(b)是隧道变形稳定后的隧道衬砌附加围压示意图；图5是基坑开挖前后的围压对比图；图6是上方基坑开挖引起的盾构隧道附加围压对比图；图7是基坑开挖引起下方隧道水平向附加收敛变形的实测值与计算值对比图。具体实施方式下面通过实施例和附图对本专利技术作进一步的说明。图1为基坑开挖对下方盾构隧道影响的示意图，如图1所示，基坑工程上跨下方盾构隧道不仅会使下方盾构隧道轴线产生纵向的隆起变形，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基坑开挖引起的下方盾构隧道附加围压变化预测方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)在基坑的中心o处建立坐标系，x轴垂直于所述隧道的轴线，y轴平行于所述隧道的轴线，z轴以竖直向下为正方向。/n(2)根据步骤1建立的坐标系，计算上方基坑开挖引起的基坑底部开挖面卸载，并得到基坑底部开挖面卸载引起的下方盾构隧道横断面上的竖向向附加应力和水平向附加应力分布，具体包括如下子步骤：/n(2.1)基坑底部开挖面的卸载为基坑底部竖直向上的均布荷载，计算所述基坑底部卸载p：/np＝(1-α

【技术特征摘要】
1.一种基坑开挖引起的下方盾构隧道附加围压变化预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在基坑的中心o处建立坐标系，x轴垂直于所述隧道的轴线，y轴平行于所述隧道的轴线，z轴以竖直向下为正方向。
(2)根据步骤1建立的坐标系，计算上方基坑开挖引起的基坑底部开挖面卸载，并得到基坑底部开挖面卸载引起的下方盾构隧道横断面上的竖向向附加应力和水平向附加应力分布，具体包括如下子步骤：
(2.1)基坑底部开挖面的卸载为基坑底部竖直向上的均布荷载，计算所述基坑底部卸载p：
p＝(1-α0)γd(1)
其中：γ为土的重度，取基坑底以上开挖土层的加权平均值；d为基坑开挖深度；α0为残余应力系数。
(2.2)根据Mindlin应力解，以所述基坑底开挖面作为积分区域，计算得到基坑底部开挖卸载下所述下方盾构隧道横断面上的竖向附加应力σaz(θ,l)和水平向附加应力σax(θ,l)分别为：






其中：θ为下方盾构隧道横断面上计算点的位置角度，以上顶点为0°，顺时针方向角度增加；B为基坑沿x轴方向的开挖尺寸；L为基坑沿y轴方向的开挖尺寸；d为基坑开挖深度；h为隧道埋深；D为下方盾构隧道外径；a为基坑中心与隧道轴线的水平距离，l为隧道轴线上任意一点在所述坐标系中对应的y坐标值；x1为第一积分变量，y1为第二积分变量，σzz为Mindlin竖向应力解，σxz为Mindlin水平应力解。
(3)根据隧道纵向变形的现场监测数据，结合隧道竖向位移，得到管片竖向环间作用合力分布，具体包括以下子步骤：
(3.1)测量隧道沿纵向总的竖向位移w(l)，测量管片环间转角引起的位移量，计算l处的管片环与前一节管片环之间的竖向环间剪切力QL(l)和后一节管片环之间的竖向环间剪切力QR(l)：
QL(l)＝(1-j)[w(...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏纲，张鑫海，林心蓓，丁玉琴，齐永洁，刘亚宇，周鑫鑫，
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