一种盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析方法技术

本发明专利技术公开了一种盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析方法，包括建立非连续盾构隧道模型，将盾尾非对称推力简化为盾尾总推力和始端附加弯矩并作用于修正Winkler地基上非连续盾构隧道模型；根据单个管环段始端和末端截面上状态向量间的函数关系和隧道环间接头段左右相邻管环段截面上状态向量间的函数关系，获得整个盾构隧道始端截面状态向量和末端截面状态向量之间的传递关系，推导得出盾构隧道任意截面处的位移和内力。本发明专利技术能够更真实的反应盾尾非对称推力作用下隧道的实际变形特征。形特征。形特征。

【技术实现步骤摘要】
一种盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析方法


[0001]本专利技术属于地铁盾构隧道
，具体涉及一种盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析方法。

技术介绍

[0002]随着城市地铁交通工程迅速发展，盾构法因其高效率、低成本、对周边环境影响小等优点被广泛应用于地铁隧道的修建中。然而复杂的地层条件以及较高的设计要求使得新建盾构隧道在施工过程中不可避免的遇到曲线掘进和轴线纠偏等问题。工程中通常是通过调整盾构机尾部各分区内油缸千斤顶的推力来达到曲线掘进或纠偏的目的，然而过大的非对称千斤顶推力会反过来作用于衬砌管片上，造成盾尾后方管片裂损、接头张开和错台、渗漏水等危害，严重威胁隧道的整体安全性。因此合理地评估盾构隧道在非对称推力作用下的受力变形具有重要的现实意义。
[0003]目前对于非对称推力作用下盾构隧道纵向变形的解析方法与临近施工下既有盾构隧道纵向变形的求解方法基本一致，均是将盾构隧道视为线性或非线性地基上的连续长梁，采用等效的方式赋予梁纵向刚度。然而连续梁模型忽视了管片和环间接头刚度的差异，实际上，盾构隧道由于环间采用螺栓连接会使接头处刚度低于管片，导致环间接头是盾构隧道的薄弱位置。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析方法，以解决上述技术问题。
[0005]本专利技术提供一种盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析方法，包括以下步骤：
[0006]将盾构隧道沿纵向分解为相互间隔连接的管环段和环间接头段，建立非连续盾构隧道模型；
[0007]将盾尾非对称推力简化为盾尾总推力和始端附加弯矩作用于非连续盾构隧道模型；
[0008]根据单个管环段始端和末端截面上状态向量间的函数关系和隧道环间接头段左右相邻管环段截面上状态向量间的函数关系，获得整个盾构隧道始端截面状态向量和末端截面状态向量之间的传递关系，推导得出盾构隧道任意截面处的位移和内力。
[0009]作为上述方案进一步的优选
[0010]所述盾尾非对称推力的作用方法为：将施工中的盾构隧道视为搁置于修正Winkler地基模型上的纵向非连续盾构隧道模型，将隧道始端和末端分别视为简支和固定约束，始端作用附加轴力和附加弯矩。
[0011]作为上述方案进一步的优选
[0012]所述非连续盾构隧道模型中，隧道每个环间接头段弯矩和剪力表示为：
[0013][0014]Q
j
＝k
s
Δw＝k
s
(w
r
‑
w
l
)
[0015]式中：M
j
、Q
j
分别为隧道接头处的弯矩和剪力；k
θ
、k
s
分别为隧道接头转动刚度和剪切刚度；Δw分别为接头两端隧道截面的相对转角和剪切错台；分别为接头右端和左端隧道截面转角；w
r
、w
l
分别为接头右端和左端隧道截面的位移。
[0016]作为上述方案进一步的优选
[0017]所述单个管环段始端和末端截面上状态向量间的函数关系的推导方法为：
[0018]步骤(1)、当隧道发生纵向变形w时，隧道始端作用的附加轴力P
o
在管环段产生附加弯矩P
o
w，同时Winkler地基模型会给隧道提供外荷载kwD
t
，管环段弯矩、剪力以及转角方程表示为：
[0019][0020][0021][0022][0023]式中：M为隧道弯矩；Q为隧道剪力；EI为隧道抗弯刚度；为隧道截面转角；y为隧道截面纵向位置；N为隧道前端轴力；D
t
为隧道直径；k为地基反力系数；
[0024]步骤(2)、将隧道单个管环段位移和内力方程式转化为矩阵形式并进一步无量纲化，得到以下状态方程：
[0025][0026]式中：为无量纲的状态向量，包含4个未知量，即截面位移、转角、弯矩和剪力；
[0027][0028]为系统矩阵：
[0029][0030]步骤(3)、根据矩阵理论，状态方程的标准解为，即隧道单个管环段任意截面上的状态向量与其始端截面状态向量间的函数关系
[0031][0032]式中：为单个隧道管环段始端截面的纵向位置，为单个隧道管环段始端截面的状态向量，为单个隧道管环段任意截面的状态向量，为传递矩阵；
[0033]步骤(4)、假设单个管环段末端截面的纵向位置为y1，取y＝y1得到隧道单个管环段始端截面状态向量和末端截面状态向量之间的矩阵传递关系为
[0034][0035]作为上述方案进一步的优选
[0036]所述隧道环间接头段左右相邻管环段截面上状态向量间的函数关系的推导方法为：
[0037]步骤(1)、根据接头段剪力和弯矩连续条件得到第j个接头处内力的表达式为
[0038][0039][0040]式中：M
0(j+1)
、M
1(j)
分别为第j个接头右边和左边管环端的弯矩；Q
0(j+1)
、Q
1(j)
分别为第j个接头右边和左边管环端的剪力；分别为第j个接头右边和左边管环端截面的转角；w
0(j+1)
、w
1(j)
分别为第j个接头右边和左边管环端的位移；
[0041]步骤(2)、将步骤(1)的表达式转化为无量纲矩阵形式，即隧道环间接头段左右相邻管环段截面上状态向量间的函数关系
[0042][0043]式中：为第隧道j+1个管环段始端截面状态向量；为第隧道j个管环段末端截面状态向量，为接头段传递矩阵
[0044][0045]接头转动和剪切刚度的无量纲形式为
[0046][0047]作为上述方案进一步的优选
[0048]所述推导得出盾构隧道任意截面处的位移和内力的方法为：
[0049]步骤(1)、根据得到的单个管环段始末端截面状态向量间的函数关以及接头段左右相邻管环段截面状态向量间的函数关系，得到包含n+1个管环段和n个环向接头段的整个盾构隧道始端截面状态向量和末端截面状态向量之间的传递关系为：，
[0050][0051]式中：X
1(n+1)
为隧道第n+1个管环段末端截面状态向量；为隧道第n+1个管环段末端截面状态向量；为隧道第n个管环段末端截面状态向量；为隧道第1个管环段始端截面状态向量；为隧道第n+1个管环段上的传递矩阵；为总的传递矩阵
[0052][0053]步骤(2)、设置边界条件：根据将隧道始端和末端分别视为简支和固定约束，得到
隧道在一端固定，一端简支下的边界条件为
[0054][0055]式中：w
0(1)
为整个隧道第1个管环段始端截面位移；w
1(n+1)
为整个隧道第n+1个管环段末端截面位移；M
0(1)
为整个隧道本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析方法，其特征在于，包括以下步骤：将盾构隧道沿纵向分解为相互间隔连接的管环段和环间接头段，建立非连续盾构隧道模型；将盾尾非对称推力简化为盾尾总推力和始端附加弯矩作用于所述非连续盾构隧道模型；根据单个管环段始端和末端截面上状态向量间的函数关系和隧道环间接头段左右相邻管环段截面上状态向量间的函数关系，获得整个盾构隧道始端截面状态向量和末端截面状态向量之间的传递关系，推导得出盾构隧道任意截面处的位移和内力。2.根据权利要求1所述的盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析方法，其特征在于：所述盾尾非对称推力的作用方法为：将施工中的盾构隧道视为搁置于修正Winkler地基模型上的纵向非连续盾构隧道模型，将隧道始端和末端分别视为简支和固定约束，始端作用附加轴力和附加弯矩。3.根据权利要求1所述的盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析方法，其特征在于：所述非连续盾构隧道模型中，隧道每个环间接头段弯矩和剪力表示为：Q
j
＝k
s
Δw＝k
s
(w
r
‑
w
l
)式中：M
j
、Q
j
分别为隧道接头处的弯矩和剪力；k
θ
、k
s
分别为隧道接头转动刚度和剪切刚度；Δw分别为接头两端隧道截面的相对转角和剪切错台；分别为接头右端和左端隧道截面转角；w
r
、w
l
分别为接头右端和左端隧道截面的位移。4.根据权利要求3所述的盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析方法，其特征在于：所述单个管环段始端和末端截面上状态向量间的函数关系的推导方法为：步骤(1)、当隧道发生纵向变形w时，隧道始端作用的附加轴力P
o
在管环段产生附加弯矩P
o
w，同时Winkler地基模型会给隧道提供外荷载kwD
t
，管环段弯矩、剪力以及转角方程表示为：为：为：为：式中：M为隧道弯矩；Q为隧道剪力；EI为隧道抗弯刚度；为隧道截面转角；y为隧道截面纵向位置；N为隧道前端轴力；D
t
为隧道直径；k为地基反力系数；步骤(2)、将隧道单个管环段位移和内力方程式转化为矩阵形式并进一步无量纲化，得到以下状态方程：
式中：为无量纲的状态向量，包含4个未知量，即截面位移、转角、弯矩和剪力；为无量纲的状态向量，包含4个未知量，即截面位移、转角、弯矩和剪力；为系统矩阵：步骤(3)、根据矩阵理论，状态方程的标准解为，即隧道单个管环段任意截面上的状态向量与其始端截面状态向量间的函数关系式中：为单个隧道管环段始端截面的纵向位置，为单个隧道管环段始端截面的状态向量，为单个隧道管环段任意截面的状态向量，为传递矩阵；步骤(4)、假设单个管环段末端截面的纵向位置为y1，取y＝y1得到隧道单个管环段始端截面状态向量和末端截面状态向量之间的矩阵传递关系为5.根据权利要求4所述的盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析方法，其特征在于：所述隧道环间接头段左右相邻管环段截面上状态向量间的函数关系的推导方法为：步骤(1)、根据接头段剪力和弯矩连续条件得到第j个接头处内力的表达式为步骤(1)、根据接头段剪力和弯矩连续条件得到第j个接头处内力的表达式为式中：M
0(j+1)
、M
1(j)
分别为第j个...

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠超，张志伟，黄超群，黄栋，刘律，梁荣柱，彭静，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：