一种考虑多因素的饱和土小曲率盾构施工引起土体变形预测方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑多因素的饱和土小曲率盾构施工引起土体变形预测方法，包括：对饱和土内部作用集中力引起土体竖向变形初始解进行积分处理，得到盾壳作用面上分布力引起的土体竖向变形；考虑刀盘挤土效应，得到曲线盾构推进系统各分区附加推力引起土体变形；考虑曲线盾构盾壳内、外两侧摩擦力差异、盾尾浆液蔓延以及土体软化特性，得到盾壳摩擦力引起土体变形；考虑盾尾注浆压力沿盾尾空隙环向分布的不均匀性，得到盾尾注浆压力引起土体变形；考虑曲线盾构推进过程土体呈椭圆非径向移动和线路内侧额外超挖，得到土体损失引起土体变形；综合各因素引起的土体竖向变形，得到饱和土小曲率盾构施工引起土体总变形量。

A prediction method of soil deformation caused by shield tunneling with small curvature of saturated soil considering multiple factors

【技术实现步骤摘要】
一种考虑多因素的饱和土小曲率盾构施工引起土体变形预测方法
本专利技术属于地下工程
，涉及一种考虑各种施工因素下饱和土小曲率盾构施工引起土体竖向变形的预测方法。
技术介绍
随着城市地铁隧道建设的快速发展，盾构施工安全也受到越来越多关注和重视。受场地条件限制或建(构)筑物制约，地铁线路的修建将不可避免的出现小曲率曲线隧道。盾构在实现小曲率曲线掘进的施工过程中对土体的扰动比直线掘进更加显著，主要体现在如下几个方面：(1)曲线推进过程各分区千斤顶的行程和推力不同致使开挖面附加推力分布不均。(2)线路内、外侧盾壳挤压土体致使盾壳和周围土体摩阻力产生差异，且线路内侧摩擦阻力剧增。(3)线路内侧刀盘对土体超挖较大致使盾尾间隙增大。目前关于施工荷载引起土体变形多基于Mindlin解进行计算，假设土体为单相介质，且大多应用于直线隧道模型中，在直线隧道研究各施工荷载影响效应时往往忽略了盾构掘进时刀盘对前方土体的挤土效应、盾尾注浆过程中浆液蔓延效应、盾壳与软土摩擦而引起土体软化效应以及盾尾注浆压力的不均匀性，致使结果较实测值偏大，并且考虑含水地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑多因素的饱和土小曲率盾构施工引起土体变形预测方法，其特征在于，包括：/n对饱和土内部作用集中力引起土体竖向变形初始解进行积分处理，得到盾壳作用面上分布力引起的土体竖向变形；/n考虑刀盘挤土效应，得到曲线盾构推进系统各分区附加推力引起土体变形；/n考虑曲线盾构盾壳内、外两侧摩擦力差异、盾尾浆液蔓延以及土体软化特性，得到盾壳摩擦力引起土体变形；/n考虑盾尾注浆压力沿盾尾空隙环向分布的不均匀性，得到盾尾注浆压力引起土体变形；/n考虑曲线盾构推进过程土体呈椭圆非径向移动和线路内侧额外超挖，得到土体损失引起土体变形；/n综合各因素引起的土体竖向变形，得到饱和土小曲率盾构施工引起土体总变形量。...

【技术特征摘要】
1.一种考虑多因素的饱和土小曲率盾构施工引起土体变形预测方法，其特征在于，包括：
对饱和土内部作用集中力引起土体竖向变形初始解进行积分处理，得到盾壳作用面上分布力引起的土体竖向变形；
考虑刀盘挤土效应，得到曲线盾构推进系统各分区附加推力引起土体变形；
考虑曲线盾构盾壳内、外两侧摩擦力差异、盾尾浆液蔓延以及土体软化特性，得到盾壳摩擦力引起土体变形；
考虑盾尾注浆压力沿盾尾空隙环向分布的不均匀性，得到盾尾注浆压力引起土体变形；
考虑曲线盾构推进过程土体呈椭圆非径向移动和线路内侧额外超挖，得到土体损失引起土体变形；
综合各因素引起的土体竖向变形，得到饱和土小曲率盾构施工引起土体总变形量。


2.根据权利要求1所述的一种考虑多因素的饱和土小曲率盾构施工引起土体变形预测方法，其特征在于，对饱和土内部作用集中力引起土体竖向变形初始解进行积分处理，得到盾壳作用面上分布力引起的土体竖向变形，具体包括：
基于半无限空间饱和土内部作用集中力时土体任意位置变形初始解，经坐标转化，得到竖向和水平方向集中力作用下土体的竖向变形公式分别为：






式中：μzv为竖直力作用下z方向的土体位移，单位：m；μzh为水平力作用下z方向的土体位移，单位：m；F1为竖向集中力，单位：kPa；F2为水平集中力，单位：kPa；h为作用力与自由表面的垂直距离，单位：m；π为圆周率；G为剪切弹性模量，单位：kPa。


3.根据权利要求1所述的一种考虑多因素的饱和土小曲率盾构施工引起土体变形预测方法，其特征在于，考虑刀盘挤土效应，得到曲线盾构推进系统各分区附加推力引起土体变形，具体包括：
取盾构开挖面内任一微元的面积dA1＝rdrdθ1，开挖面任一单元所受集中力为：dF1＝qrdrdθ1，
式中：A1、r、θ1分别为开挖面单元面积、半径、角度，单位分别为mm2、mm、°；F1、q分别为开挖面任一单元所受的集中力、开挖面单位面积上的正面附加推力，单位：kPa；
经过坐标转换，得到用于代入半无限饱和土内部受集中力的位移初始解的等效坐标：



考虑盾构掘进时刀盘对开挖面前方土体的挤土效应，得到刀盘附加推力计算公式：



式中：μ为泊松比；Eu为土体不排水弹性模量，单位：MPa；ν为盾构掘进速度，单位：cm/min；ξ为刀盘开口率，单位：％；D为刀盘直径，单位：m；k为刀盘闭口部分幅数；w为刀盘转速，单位：r/min；Δp′为刀盘切入土体产生的挤压力，单位：kPa。
由于曲线盾构线路各分区刀盘附加推力不同而采取分区间积分，可得曲线盾构掘进过程中在盾构开挖面受到不均匀正面附加推力作用下土体的竖向变形表达式：



其中：






式中：μz-q为切口附加推力引起的土体竖向变形，单位：m；z0为隧道轴线埋深，单位：m；Rs为隧道半径，单位：m；q1为刀盘上、下分区附加推力，单位：kPa；q2、q3分别为刀盘右、左分区附加推力，单位：kPa。


4.根据权利要求1所述的一种考虑多因素的饱和土小曲率盾构施工引起土体变形预测方法，其特征在于，考虑曲线盾构盾壳内、外两侧摩擦力差异、盾尾浆液蔓延以及土体软化特性，得到盾壳摩擦力引起土体变形，具体包括：
由于盾构机为一圆柱刚体，取盾壳表面任一微单元dA2＝Rsdsdθ2，受力点埋深h＝z0-Rssinθ2，盾壳圆周土体任一单位面积所受集中力dF2＝fRsdsdθ2；
式中：A2、r、θ2分别为为盾壳任一单元面积、半径、角度，单位为mm2、mm、°；F2、f分别为盾壳圆周任一单元所受的集中力、开挖面单位面积上的摩擦力，单位：kPa；
经过坐标转换，得到用于代入半无限饱和土内部受集中力的位移初始解的等效坐标：



考虑盾壳刚体表面和饱和软土相互运动过程，土体会发生软化，得到软土区盾壳与土体摩擦力：
f＝βsσθtanδ′
其中：



式中：f为盾壳摩擦力，单位：kPa；为作用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁智，董毓庆，冯丛烈，张默爆，张霄，何绍衡，虞键刚，黄君彦，
申请(专利权)人：浙大城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33