一种不考虑地表超载工况下盾构隧道环向开挖面极限支护力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种不考虑地表超载工况下盾构隧道环向开挖面极限支护力计算方法，步骤S1：构建盾构隧道环向开挖面土体刚性滑块破坏理论模型，确认影响盾构隧道环向开挖面极限支护力的关键参数；步骤S2：基于步骤S1中的理论模型和关键参数，推导重点中间指标；步骤S3：构建模型核心公式，代入步骤S2中的重点中间指标，求解极限支护力；步骤S4：循环优化步骤S1的关键参数，求解盾构隧道环向开挖面极限支护力最优上限解。本发明专利技术创造性提出地表水平并且无超载情况下，盾构隧道环向开挖面土体刚性滑块破坏理论模型，精度较高且适用无地表超载工况，以降低盾构隧道掘进施工成本，满足隧道建设发展需要。

【技术实现步骤摘要】
一种不考虑地表超载工况下盾构隧道环向开挖面极限支护力计算方法
本专利技术涉及一种分析盾构隧道环向开挖面稳定性的方法，尤其涉及一种不考虑地表超载工况下盾构隧道环向开挖面极限支护力计算方法，属于盾构施工

技术介绍
在交通基础领域建设中，隧道和地铁等地下交通基础设施具有节省路面土地资源，运量大、效率高、环保，立体化建设可缓解城市交通运输压力等优点，成为各大城市解决交通恶化等问题的首选方案，因而隧道工程建设成为交通基础设施建设的重点组成，产生的隧道工程建设安全问题更是成为基础设施建设的重点问题。在隧道建设过程的掘进施工中，需要及时对隧道开挖周边地层提供合理的支护压力，以防止引起隧道工作面垮塌、地表沉降等问题，造成地上地下构筑物损坏、车辆陷落及周边管道破坏等严重事故。因此合理地确定隧道掘进过程中的隧道开挖面支护压力是施工中的一项关键技术，对于隧道施工具有重要的现实意义。极限分析法基于塑性极限分析理论，构造运动许可的速度场和静力许可应力场，根据关联流动法则和虚功原理，利用上下限定理确定极限荷载上下限，极限分析法考虑了岩土体材料的应力应变关系且具有更严格的理论基础，求解结果更加精确，是研究隧道开挖稳定性分析中一种有效的方法。在假定破坏模式极限分析法的基础上，学者针对地表超载施工工况(如：黄茂松,宋春霞,吕玺琳.非均质黏土地基隧道环向开挖面稳定上限分析[J].岩土工程学报,2013,35(08):1504-1512.)、考虑隧道失稳地表实际沉降(如：OsmanAS,MairRJ,BoltonMD.Onthekinematicsof2Dtunnelcollapseinundrainedclay[J].Géotechnique,2006,56(9):585-595.)、引入土体非关联流动法则(如：赵炼恒,孙秋红,黄阜,邹金锋.非关联流动准则对浅埋隧道稳定性影响的上限分析[J].公路交通科技,2012,29(12):101-106；)等不同情况进行了一系列的研究工作。但针对排水条件下不考虑地表超载工况的盾构隧道环向开挖面稳定性问题求解较少。另一方面，随着计算软件的发展成熟，采用数值模拟方法求解隧道稳定性问题(如：秦建设,尤爱菊.盾构隧道开挖面稳定数值模拟研究[J].采矿与安全工程学报,2005,22(1):27-30；UkritchonB,KeawsawasvongS,YingchaloenkitkhajornK.UndrainedfacestabilityoftunnelsinBangkoksubsoils[J].InternationalJournalofGeotechnicalEngineering,2016:1-16.)也取得了许多研究成果。但采用数值模拟手段求解稳定性问题时，分析大多需要多次试算求解，且目前尚未有明确的失稳判据，即难以精确找到隧道失稳临界状态，采用数值模拟手段往往不能得到精度较高的极限支护力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种不考虑地表超载工况下盾构隧道环向开挖面极限支护力计算方法，精度较高且适用无地表超载工况，以降低盾构隧道掘进施工成本，满足隧道建设发展需要。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案具体如下：一种不考虑地表超载工况下盾构隧道环向开挖面极限支护力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：构建盾构隧道环向开挖面土体刚性滑块破坏理论模型，确认影响盾构隧道环向开挖面极限支护力的关键参数；步骤S2：基于步骤S1中的理论模型和关键参数，推导重点中间指标；步骤S3：构建模型核心公式，代入步骤S2中的重点中间指标，求解极限支护力；步骤S4：循环优化步骤S3的关键参数，求解盾构隧道环向开挖面极限支护力最优上限解。其中步骤S1中的理论模型包括：模型条件：地表水平并且无超载，仅在隧道内轮廓作用均布支护力荷载；破坏区域由隧道轴线侧向及隧道顶板上方的n个凸形刚性滑块构成，所述刚性滑块与隧道的接触边为圆弧边，第1个刚性滑块为隧道轴线侧向底部的三边形滑块，第i个滑块是隧道轴线侧向的凸四边形滑块，i＝2,3,4,5,n-1，第n个滑块是隧道顶板上方的滑块。优选的，凸形刚性滑块个数n＝7进一步的，第一种假定模块模式，即一般情况下，第n个滑块为隧道顶板上方的五边形滑块。第二种假定模块模式，即当隧道开挖失稳地层塑性破坏未延伸至地表的破坏情况，第n个滑块为四边形。步骤S2中，重点中间指标包括：滑块的边长、面积、绝对速度和相对速度。步骤S3中，所述核心公式为：pr+pw＝pc(1)其中，pr为体系重力功率，pw是隧道内轮廓作用均布支护力荷载σT所作功率，pc是破坏区域内部能量耗散功率，其中，ξi为第i个刚性滑块速度与竖直方向的夹角，vi为第i个刚性滑块的绝对速度，Si为第i个刚性滑块的面积，γ为土体容重。其中，c为土体粘聚力，vir为第i个刚性滑块与第i+1个刚性滑块的相对速度，ai+1bi为第i+1个刚性滑块的底边长度，bibi+1为第i+1个刚性滑块的侧边，φ为内摩擦角，其中，σT为隧道内轮廓作用均布支护力荷载，为支护力作用下隧道开挖面滑块向隧道内坍塌的速度场，是隧道开挖面外法向方向速度，即环向支护力作用方向速度，S代表隧道开挖面发生塑性变形区域，即刚性滑块总面积。步骤S3中，关键参数包括第i个刚性滑块圆弧边对应圆心角度αi和两个对角β2i-1,β2i。隧道环向开挖面极限支护力上限解为：本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：本专利技术提供一种不考虑地表超载工况下盾构隧道环向开挖面极限支护力计算方法，精度较高且适用无地表超载工况，以降低盾构隧道掘进施工成本，满足隧道建设发展需要。1、创造性提出地表水平并且无超载工况下，盾构隧道环向开挖面极限支护力理论模型，用以研究盾构管片对隧道周边地层的支护效应。2、创造性提出了针对排水条件下盾构隧道环向开挖面土体刚性滑块破坏模式，填补现有研究针对排水条件研究空白。3、通过优化变量来优化求解的极限荷载，使之不断接近真实极限荷载，理论上可以较好地找到失稳临界状态。4、本专利技术考虑无超载工况，在不排水条件下求解结果等效于现有考虑地表超载工况求解结果，通过实验数据论证不排水条件下本专利技术相比现有考虑地表超载工况研究具有更高的精度。附图说明图1(a)是所提出的第一种盾构隧道失稳假定刚性滑块破坏模式区域图，图1(b)是相应的角度变量示意图；图2(a)是所提出的第二种盾构隧道失稳假定刚性滑块破坏模式区域图，图2(b)是相应的角度变量示意图；图3是所提出的两种假定破坏模式分别对应的几何构成图；图4(a)是两种破坏模式对应的侧向滑块速度场关系，图4(b)是两种破坏模式对应的顶部滑块速度场关系；图5是数值模拟使用的数值模型图；图6是不排水条件下典型工况本专利技术求解隧道失稳破坏形态与数值模拟求解对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不考虑地表超载工况下盾构隧道环向开挖面极限支护力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤S1：构建盾构隧道环向开挖面土体刚性滑块破坏理论模型，确认影响盾构隧道环向开挖面极限支护力的关键参数；/n步骤S2：基于步骤S1中的理论模型和关键参数，推导重点中间指标；/n步骤S3：构建理论模型的核心公式，代入步骤S2中的重点中间指标，求解极限支护力；/n步骤S4：循环优化步骤S1的关键参数，求解盾构隧道环向开挖面极限支护力最优上限解。/n

【技术特征摘要】
1.一种不考虑地表超载工况下盾构隧道环向开挖面极限支护力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：构建盾构隧道环向开挖面土体刚性滑块破坏理论模型，确认影响盾构隧道环向开挖面极限支护力的关键参数；
步骤S2：基于步骤S1中的理论模型和关键参数，推导重点中间指标；
步骤S3：构建理论模型的核心公式，代入步骤S2中的重点中间指标，求解极限支护力；
步骤S4：循环优化步骤S1的关键参数，求解盾构隧道环向开挖面极限支护力最优上限解。


2.根据权利要求1所述的一种不考虑地表超载工况下盾构隧道环向开挖面极限支护力计算方法，其特征在于：
步骤S1中的理论模型包括：
理论模型条件：地表水平并且无超载，仅在隧道内轮廓作用均布支护力荷载；
破坏区域由隧道轴线侧向及隧道顶板上方的n个刚性滑块构成，所述刚性滑块与隧道的接触边为圆弧边，第1个刚性滑块为隧道轴线侧向底部的三边形滑块，第i个滑块是隧道轴线侧向的凸四边形滑块，i＝2,3,4,5,n-1，第n个滑块是隧道顶板上方的滑块。


3.根据权利要求2所述的一种不考虑地表超载工况下盾构隧道环向开挖面极限支护力计算方法，其特征在于：凸形刚性滑块个数n＝7。


4.根据权利要求3所述的一种不考虑地表超载工况下盾构隧道环向开挖面极限支护力计算方法，其特征在于，
第一种假定模式，即一般情况下，第n个滑块为隧道顶板上方的五边形滑块。
第二种假定模式，即当隧道开挖失稳地层塑性破坏未延伸至地表的破坏情况，第n个滑块为四边形。


5.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：张箭，丰土根，宗晶瑶，张坤勇，钟小春，张福海，孔纲强，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32