一种地表突发堆载引起盾构隧道纵向变形的高效预测方法技术

本发明专利技术涉及隧道工程技术领域，公开了一种地表突发堆载引起盾构隧道纵向变形的高效预测方法，建立接头非连续盾构隧道计算模型，使得隧道在长度方向上是由一系列的标准环单元和接头单元构成，组建得到盾构隧道全部n个节点的纵向位移差分方程、弯矩方程以及环间张开角的矩阵

【技术实现步骤摘要】
一种地表突发堆载引起盾构隧道纵向变形的高效预测方法


[0001]本专利技术涉及隧道工程
，具体涉及一种地表突发堆载引起盾构隧道纵向变形的高效预测方法。

技术介绍

[0002]随着我国经济的快速发展，地铁里程迅速增加，地铁隧道附近的突发堆载频繁出现。突发地表堆载来源主要以临时基坑开挖弃土和建筑垃圾为主。由于地面堆载通常具有突发性的特点，这将在短时间内大大增加作用于地铁隧道上的附加荷载，造成隧道变形，特别是管片的过大变形，进而引起螺栓拉断、衬砌破损、环缝张开以及渗漏水等病害，严重影响隧道结构的服役性能，威胁地铁的运行安全。因此，评估遭遇地表突发堆载下既有服役盾构隧道的受力特点是地铁盾构隧道面临的难题之一。
[0003]针对预测盾构隧道在邻近堆载下的变形和受力响应这一问题，现有技术主要分为实地监测、实验模拟、数值分析和理论分析等四个方面。由于理论分析具有速度快、成本低等优点，许多学者利用理论解析的方法研究堆载引起的盾构隧道变形。戴宏伟等、王涛等均将隧道简化为Euler
‑
Bernoulli梁，使用Winkler地基模型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地表突发堆载引起盾构隧道纵向变形的高效预测方法，其特征在于，包括：建立盾构隧道计算模型，将盾构隧道沿长度方向划分为标准环单元和接头单元，其中标准环单元为将管片环简化后的Euler
‑
Bernoulli短梁，其长度与管片环长度一致，接头单元为模拟环间接头的无长度转动弹簧；将n1个长度为l
s
的管片环分别离散成n2个单元并得到n个节点，使得盾构隧道被n个节点离散为n
‑
1个长度为l的单元，其中l＝l
s
/n2，n
‑
1＝n1×
n2；在盾构隧道两端各增加两个虚拟节点位移差分方程，定位m个节点位于环间接头处，n
‑
3m个节点属于标准环单元；组建由盾构隧道全部n个节点的纵向位移差分方程组成的非线性方程组：[K
t
+K
s
‑
G
s
]{w}＝{P}，其中[w]为隧道纵向位移向量；[Kt]为既有隧道刚度矩阵；[P]为施加于隧道的卸荷列向量，具体为：{w}＝{w0,w1,
…
,w
n
‑2,w
n
‑1}，{P}＝{p(x0),p(x1),
…
,p(x
n
‑2),p(x
n
‑1)}，)}，)}，其中p(x
i
)(i＝0，1，2
…
n
‑
1)为作用在盾构隧道上各节点的外部应力，w
i
(i＝0，1，2
…
n
‑
1)为各节点纵向位移，q
u
为极限地层反力，k
u
＝q
u
/δ
u
，δ
u
为获得极限地层反力所需要的地基土变形值，EI为管片环的纵向有效抗弯刚度，
其中：[J
t
]
i
和[J
s
]
i
分别是盾构隧道纵向第i个环间接头和邻近节点的隧道刚度系数矩阵和地基剪切刚度系数矩阵，具体为：阵和地基剪切刚度系数矩阵，具体为：其中k
θ
为环间接头的转动刚度，为环间接头的转动刚度，为环间接头的转动刚度，为环间接头的转动刚度，组建由盾构隧道全部n个节点的弯矩方程构成的矩阵
‑
向量表达式：
其中[M
t
]为系数矩阵，具体为:组建环间接头张开角的矩阵
‑
向量表达式：其中接头处的相对转动角θ，即环间接头张开角采用牛顿迭代法进行求解分别得到盾构隧道的纵向位移、弯矩和环间接头张开角。2.根据权利要求1所述的一种地表突发堆载引起盾构隧道纵向变形的高效预测方法，其特征在于，所述盾构隧道全部n个节点的纵向位移差分方程包括：n
‑
3m个属于标准环单元的节点位移差分方程、m个位于环间接头处的节点位移差分方程和2m个与环间接头相邻的节点位移差分方程。3.根据权利要求2所述的一种地表突发堆载引起盾构隧道纵向变形的高效预测方法，其特征在于，所述n
‑
3m个属于标准环单元的节点位移差分方程通过以下步骤建立：对标准环单元的微分单元进行受力分析，得到其弯矩平衡方程和静力平衡方程：q(x)Ddx
‑
p(x)Ddx+Q
‑
(Q+dQ)＝0其中：Q为静力；M为弯矩；p(x)为作用在盾构隧道上的外部应力；q(x)为地基反力；建立标准环单元的纵向变形微分方程：结合有限差分原理，可得属于标准环单元的节点位移差分方程：其中w
i+2
、w
i+1
、w
i
、w
i
‑1、w
i
‑1和w
i
‑2代表节点i+2、i+1、i、i
‑
1和i
‑
2的纵向位移。
4.根据权利要求3所述的一种地表突发堆载引起盾构隧道纵向变形的高效预测方法，其特征在于，所述地基反力q(x)计算公式为：式中，k
u
＝q
u
/δ
u
，其中w(x)为地基土变形量；δ
u
为获得极限地层反力所需要的地基土变形值，v为土层的泊松比，E
s
为土层的弹性模量，H
t
为剪切层厚度，G
c
为地基土剪切层刚度，q
u
为极限地层反力，采用以下公式得到：c为土的粘聚力；γ为土的重度；γ
′
为土的浮重度；H为隧道轴线埋深；D为隧道外径；N
c
、N
q
和N
γ
为承载力系数，分别采用以下公式得到：为承载力系数，分别采用以下公式得到：N
γ
＝e
0.18φ
‑
2.5
，其中φ...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁荣柱，郭杨，乐腾胜，柯宅邦，王理想，陈小川，康成，陶俊，高坤，崔伟，
申请(专利权)人：安徽省建筑工程质量第二监督检测站，
类型：发明
国别省市：