一种盾构隧道下穿管道沉降预测方法技术

本发明专利技术涉及一种提供盾构隧道下穿管道沉降预测方法，包括如下步骤：估计盾构隧道开挖引起的土体沉降；将所述估计的土体沉降应用于管线上，建立管线的受荷平衡微分方程，其中所述管线视为Vlasov地基上的Timoshenko梁；以及，通过求解所述管线的所述受荷平衡微分方程获得管道沉降。本发明专利技术属于城市地下空间工程计算方法领域。算方法领域。算方法领域。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构隧道下穿管道沉降预测方法


[0001]本专利技术涉及地下空间工程计算方法领域，特别是涉及一种盾构隧道下穿管道沉降预测方法。

技术介绍

[0002]在盾构隧道开挖过程中，地层损失会引起周围地层的变形。由于紧邻隧道上方的管道必然受地层变形的影响产生沉降，管道沉降是管道稳定性控制的重点之一，也是地铁隧道建设工程中重点关注的问题。
[0003]目前，盾构隧道下穿管道沉降的计算方法，为了简便计算，大都将管道简化为Euler
‑
Bernouli梁。但在，实际隧道开挖工程中管道承担了一定的土体附加荷载。特别是在盾构隧道开挖半径较大的情况下，将管道看为Euler
‑
Bernouli梁会严重影响计算的准确性。另一方面，目前的计算方法中也会将管道周围地基简化为Winkler地基或Pasternak地基。然而，这两种地基不能准确地反映隧道开挖所引起的地基参数沿竖向的不均匀分布。上述这些弊端可能造成很大的计算误差，对工程实施造成安全隐患。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的技术问题，根据本专利技术的一个方面，提供了一种提供盾构隧道下穿管道沉降预测方法，包括估计盾构隧道开挖引起的土体沉降；将所述估计的土体沉降应用于管线上，建立管线的受荷平衡微分方程，其中所述管线视为Vlasov地基上的Timoshenko梁；以及通过求解所述管线的所述受荷平衡微分方程，获得管道沉降。
[0005]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种预估盾构隧道下穿管道沉降方法，包括根据管线受力分析获得的管道沉降预测，提供盾构隧道下穿管道沉降的预估量；其中，在所述管线受力分析中所述管线视为Timoshenko梁；所述管线周围地基简化为Vlasov地基模型。
[0006]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种盾构隧道下穿管道沉降估计方法，还包括利用如下公式估计盾构隧道下穿管道沉降：
[0007][0008]其中，ω(x)为管道沉降，q(ξ)dξ为管道轴线上的分布荷载微元，ξ为荷载微元距O的距离，x为距隧道中心线的水平距离，EI为管道抗弯刚度；ψ为管道等效修正剪切刚度，D为管道直径，管道直径，
[0009]其中，ψ＝κGA，κ为管道等效截面系数，取值为0.5；G为管道剪切模量，G＝E
p
/2(1+
υ
p
)，E
P
，υ
p
为管道泊松比；A为管道的横截面面积。
附图说明
[0010]下面，将结合附图对本专利技术的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
[0011]图1示出本专利技术实施例盾构隧道下穿管道沉降估计方法的流程框图；
[0012]图2示出本专利技术实施例隧道下穿管线计算模型；
[0013]图3示出本专利技术实施例管道与隧道斜交时坐标示意图；
[0014]图4示出本专利技术实施例管道受周围土体荷载示意图；
[0015]图5示出本专利技术实施例Timoshenko梁变形前后示意图；
[0016]图6示出本专利技术实施例预估盾构隧道下穿管道沉降方法；以及
[0017]图7示出本专利技术实施例管道沉降实测值与计算值。
具体实施方式
[0018]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0019]在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
[0020]目前关于计算盾构隧道下穿管道沉降的方法为两阶段位移法。该方法的思路是第一阶段基于Winkler地基模型将管道视作Euler
‑
Bernouli梁来计算管道轴线位置处的土体沉降；以及，第二阶段将土体沉降转化为附加荷载形式施加于管道上，求解得到管道沉降的解析表达式。因此，两阶段位移法的基础模型就是W
‑
E模型。但是，Winkler地基模型不能考虑地基变形的连续性，忽略了土体剪力对计算结果的影响。进一步地，Euler
‑
Bernouli梁的适用条件就是梁直径与梁长度之比非常小的情况。随着近几年的发展，全国部分地区出现的地下管道直径已经高达3m，直径与长度之比大幅度缩小，仍采用Euler
‑
Bernouli梁显然不合适。在本专利技术的方案中，管道被视为Vlasov地基上的Timoshenko梁，从而获得管道沉降更为准确的计算结果。
[0021]图1示出了本申请实施例提供的一种盾构隧道下穿管道沉降估计方法的流程框图。如图所示，该方法包括如下步骤：在步骤110，估计盾构隧道开挖引起的土体沉降。本实施例中采用了如图2所示的计算模型。当隧道轴线与邻近管线轴线垂直时，根据Loganathan公式(1)，盾构隧道开挖引起的土体沉降u(x)可以表示为：
[0022][0023]式中，ε0为平均地层损失比；R为隧道半径；Z0为既有管线轴线深度；H为隧道轴线深度；υ为土体泊松比；x为距隧道中心线的水平距离。
[0024]在一些实施例中，当隧道轴线与邻近管线轴线斜交时，如图3所示隧道与管线以角度θ斜交，管线上任意一点A在XOY投影上A
’
到隧道中心线的水平距离为xsinθ，而式(1)中x为距隧道中心线的水平距离。因此，将xsinθ代替公式(1)中x得到公式(2)：
[0025][0026]在步骤120，将所述估计的土体沉降应用于管线上，建立管线的受荷平衡微分方程。在本实施例中，管线被视为Vlasov地基上的Timoshenko梁。参考图4，假定管道与周围地层始终接触，当隧道开挖时，管线受到的竖向外荷载为土体沉降作用在管线上所产生的土体附加荷载，根据Vlasov地基模型，土体沉降u(x,θ)和土体附加荷载q(x)之间的关系为公式(3)：
[0027][0028]式中，k为弹簧系数，t为土层剪切系数。
[0029]参考图5，管道为Timoshenko梁发生变形前后特征，梁截面发生变形前垂直于中性轴，变形后梁截面与中性轴法线方向成角，不再垂直。
[0030]进一步的，根据Vlasov地基模型，获得公式(3)得到土地沉降和土体附加荷载之间的函数关系。
[0031][0032]进一步的，根据Vlasov地基模型，获得公式(4)得到管线挠度ω(x)与地基反力为关系：
[0033][0034]进一步的，根据管线受力分析，根据公式(5)和公式(6)表示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提供盾构隧道下穿管道沉降预测方法，包括：估计盾构隧道开挖引起的土体沉降；将所述估计的土体沉降应用于管线上，建立管线的受荷平衡微分方程，其中所述管线视为Vlasov地基上的Timoshenko梁；以及通过求解所述管线的所述受荷平衡微分方程，获得管道沉降。2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：根据以下基于Loganathan的公式(1)估计土体沉降：其中，u(x)为；ε0为平均地层损失比；R为隧道半径；Z0为既有管线轴线深度；H为隧道轴线深度；υ为土体泊松比；x为距隧道中心线的水平距离。3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：当所述盾构隧道的轴线与所述管线的轴线斜交时，根据以下公式(2)估计所述土体沉降：其中，θ为管道与隧道斜交角度。4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：根据以下公式(3)确定作用于管道轴线上的土体附加荷载函数q(x):其中，k为弹簧系数，t为土层剪切系数。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述管道Timoshenko梁的梁截面发生变形前垂直于中性轴；发生变形后，所述梁截面与中性轴法线方向成角，其中角不等于90
°
。6.根据权利要求1所述的方法，其中根据公式(7)确定所述管道受荷平衡微分方程：
其中，ω(x)为管道沉降；EI为管道抗弯刚度；Ψ为管道等效修正剪切刚度；D为管道直径；其中，ψ＝κGA：κ为管线等效截面系数，取值0.5；G为管线剪切模量，G＝E
p
/2(1+υ
p
)，υ
p
为管道泊松比；A为管道的横截面面积。7.根据权利要求1所述的方法,进一步包括：利用分布荷载微元代替集中荷载计算管道沉降。8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：在管道轴线上取分布荷载微元q(ξ)dξ，荷载微元距管道与隧道投影交点的距离为ξ，采用q(ξ)dξ替换集中荷载P，在所述土体附加荷载作用下，利用以下公式(11)计算所述管道沉降ω(x)：其中，9.一种预估盾构隧道下穿管道沉降方法，包括：根据管线受力分析获得的管道沉降预测，提供盾构隧道下穿管道沉降的预估量；其中，在所述管线受力分析中所述管线视为Timoshenko梁；所述管线周围地基简化为Vlasov地基模型。10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：在所述管线分析中，土体沉降基于以下公式(1)计算：其中，u(x)为，ε0为平均地层损失比，R为隧道半径，Z0为既有管线轴线深度，H为隧道轴线深度，υ为土体泊松比，x为距隧道中心线的水平距离。11.根据权利要求10所述的方法，其中当所述盾构隧道的轴线与所述管线的轴线斜交时，根据以下公式(2)估计所述土体沉降：
其中，θ为管道与隧道斜交角度。12.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，彭昊，吴丽杰，吴雨停，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：