一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移预测方法技术

本发明专利技术公布了一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移预测方法，包括：根据地层特点及隧道特点建立计算模型，并确定计算面、计算深度、计算范围；根据盾构穿越上软下硬土岩复合地层的特点，利用开挖面收敛模式参数γ表示了开挖面收敛模式；利用等效土体损失参数g表示土体损失大小，且g可由几何间隙G

【技术实现步骤摘要】
一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移预测方法


[0001]本专利技术属于岩土工程领域，特别涉及一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移预测方法，适用于上软下硬的土岩复合地层，用于计算盾构隧道施工引起的地表及地下土体位移值。

技术介绍

[0002]盾构在我国应用广泛，正向着大直径、大埋深、复合地层等更复杂的工程发展。近年来，国内出现了越来越多在上软下硬土岩复合地层中掘进的盾构工程，盾构在该类地层掘进时极易造成上部软土超挖，引起较大地表沉降。因此，针对盾构在上软下硬土岩复合地层中掘进引起的土体位移及地表沉降问题展开研究具备工程意义。
[0003]针对上软下硬地层中掘进引起的土体变形问题，目前常见的方法包括经验法、解析(半解析)法、数值模拟、室内模型试验，其中以数值模拟为主。针对经验法，大多数的工作主要集中在根据实测数据进行反分析，从而对经典的Peck公式进行修正，起到预测地表沉降的目的，该方法依托于单个工程进行分析研究，更多适用于该工程所在地区，缺乏普遍性，难以直接应用于其他地区工程中。数值模拟法的精度很大程度上取决于建模水平、边界条件以及参数的选取，精确度无法得到有效保证。室内模型试验无法避免缩尺寸效应的影响，且对外界扰动较为敏感，精度无法得到保障，另一方面，模型试验需根据试验要求定制试验模型，需花费大量的时间、精力及成本。而解析法(半解析)法采用等效土体损失参数g的概念，可有效分析不同工程中隧道施工引起的地表沉降规律，适用范围广，但目前大多针对均质地层，针对土岩复合地层的研究较少，因此有必要提出一种适用于上软下硬土岩复合地层中隧道施工引起的土体位移预测方法。
[0004]综上所述，经验法、数值模拟、室内模型试验三种方法存在着不少缺点，而解析(半解析)法目前大多针对均质地层，目前还没有一种盾构在复合地层中施工引起的土体位移预测方法，因此有必要提出一种有效的研究方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移预测方法，以解决现有经验法适用性低、数值模拟精度难以控制、室内模型试验需花费大量时间、精力、成本的问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移预测方法，包括：
[0008]收集相关工程地层参数、盾构隧道设计参数，建立盾构隧道、上部层状覆土和下部硬岩三者之间的三维计算模型，确定计算面x0，计算深度z0、计算半径l，将计算面x0前后各l的范围作为计算范围，在计算范围内找出土岩交界面RSI面坡度α角，隧道坡度θ角变化的位置，并在α角、θ角变化处将计算范围切割成N段，得到各段的tanα和tanθ值；
[0009]利用开挖面收敛模式参数γ、开挖断面P和收敛后断面Q的埋深H1、H2来表示实际工
程中隧道开挖面的收敛模式；
[0010]计算几何间隙G
p
、土体三维弹塑性变形U
*3d
和基于盾构偏心率κ计算考虑盾构施工纠偏、超挖而产生的径向间隙ω，将三个部分累加并结合注浆填充率δ进行修正得到等效土体损失参数g；
[0011]根据计算面x0处的地层分布及土体参数，得到计算深度z0的主要影响角正切值tanβ
i
′
。
[0012]基于随机介质理论，已知某个断面的地表土体位移实测数据，根据该断面的相关参数通过将计算范围内各段盾构开挖引起的在不同方向的地表位移分别进行叠加，获得地表土体任意一点位移计算值，然后将计算值与实测数据进行拟合，通过不断调整计算参数和反复拟合，确定注浆填充率δ、盾构偏心率κ、开挖面收敛模式参数γ，再通过调整盾构偏心率κ的方式对同一工程位于计算面x0、计算深度z0处的土体位移值进行预测。
[0013]进一步地，收集相关工程地层参数、盾构隧道设计参数，建立盾构隧道、上部层状覆土和下部硬岩三者之间的三维计算模型，具体为：
[0014]收集相关工程地层参数、盾构隧道设计参数，建立三维坐标系，其中，隧道轴线位于xoz平面上，开挖断面埋深为H1，掘进方向沿着x轴正向，与水平呈θ角；隧道上部存在多个层状地层，且隧道在掘进方向穿越上软下硬的土岩复合地层，开挖面上部为软土层，下部为硬岩层；将RSI面简化为折线段，与水平呈α角，埋深为H3，完成三维计算模型的建立。
[0015]进一步地，利用开挖面收敛模式参数γ、开挖断面P和收敛后断面Q的埋深H1、H2来表示实际工程中隧道开挖面的收敛模式，具体如下：
[0016][0017]式中：γ的取值范围为[
‑
1,1]，g表示等效土体损失参数。
[0018]进一步地，等效土体损失参数g表示如下：
[0019][0020]进一步地，根据计算面x0处的地层分布及土体参数，得到计算深度z0的主要影响角正切值tanβ
i
′
，表示如下：
[0021][0022]式中：h
i
’
为计算深度z0距地层i底部的高度，计算深度z0位于地层i(1≤i≤n)中，K
i
、为从上至下第i层地层的沉降槽宽度系数及土体内摩擦角，有h为土损发生区域中心的埋深，n为地层数量。
[0023]进一步地，将计算范围内各段盾构开挖引起的在不同方向的地表位移分别进行叠加，获得地表土体位移计算值，具体如下：
[0024][0025][0026][0027]式中：b1、a1和b2、a2分别为收敛前后沿z轴的积分上下限，d1、c1和d2、c2分别为收敛前后沿y轴的积分上下限，f
j
、e
j
(1≤j≤N)分别为各小段的上下限，满足：a1＝H3、b1＝H1‑
R
d
、a2＝H3、b2＝H2‑
(R
d
‑
0.5g)、.5g)、tanβ
i
′
为深度z0处的主要影响角正切值，H3为RSI面埋深，H1为开挖断面埋深，H2收敛后断面的埋深，R
d
为开挖面半径，ξ、ζ、η分别表示计算单元在x轴、y轴、z轴上的坐标值，取值范围对应土体损失发生区V的边界值；x、y、z分别表示任意一点(x,y,z)的坐标值。
[0028]根据以上技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0029](1)本专利技术预测方法所得结果与实测数据较为吻合，准确性较高，可以用于计算上软下硬土岩复合地层中盾构施工引起的土体位移值。
[0030](2)本专利技术在建立计算模型时，考虑了RSI面沿盾构掘进方向不断起伏，开挖断面内的土岩比例不断变化的情况，考虑了隧道开挖面上部存在多个覆土层的情况，考虑了盾构掘进方向存在一定的坡度，且坡度会发生变化的情况，从而使建立的力学模型与实际工程情况更加贴合，使得计算结果更加准确。
[0031](3)本专利技术适用性广，可用于不同的上软下硬土岩复合地层工程，计算过程中只需获得相关的工程资料，通过少数断面的地表实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移预测方法，其特征在于，包括：收集相关工程地层参数、盾构隧道设计参数，建立盾构隧道、上部层状覆土和下部硬岩三者之间的三维计算模型，确定计算面x0，计算深度z0、计算半径l，将计算面x0前后各l的范围作为计算范围，在计算范围内找出土岩交界面RSI面坡度α角，隧道坡度θ角变化的位置，并在α角、θ角变化处将计算范围切割成N段，得到各段的tanα和tanθ值；利用开挖面收敛模式参数γ、开挖断面P和收敛后断面Q的埋深H1、H2来表示实际工程中隧道开挖面的收敛模式；计算几何间隙G
p
、土体三维弹塑性变形U
*3d
和基于盾构偏心率κ计算考虑盾构施工纠偏、超挖而产生的径向间隙ω，将三个部分累加并结合注浆填充率δ进行修正得到等效土体损失参数g；根据计算面x0处的地层分布及土体参数，得到计算深度z0的主要影响角正切值tanβ
i
′
。基于随机介质理论，已知某个断面的地表土体位移实测数据，根据该断面的相关参数通过将计算范围内各段盾构开挖引起的在不同方向的地表位移分别进行叠加，获得地表土体任意一点位移计算值，然后将计算值与实测数据进行拟合，通过不断调整计算参数和反复拟合，确定注浆填充率δ、盾构偏心率κ、开挖面收敛模式参数γ，再通过调整盾构偏心率κ对同一工程位于计算面x0、计算深度z0处的土体位移值进行预测。2.根据权利要求1所述的一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移预测方法，其特征在于，收集相关工程地层参数、盾构隧道设计参数，建立盾构隧道、上部层状覆土和下部硬岩三者之间的三维计算模型，具体为：收集相关工程地层参数、盾构隧道设计参数，建立三维坐标系，其中，隧道轴线位于xoz平面上，开挖断面埋深为H1，掘进方向沿着x轴正向，与水平呈θ角；隧道上部存在多个层状地层，且隧道在掘进方向穿越上软下硬的土岩复合地层，开挖面上部为软土层，下部为硬岩层；将RSI面简化为折线段，与水平呈α角，埋深为H3，完成三维计算模型的建立。3.根据权利要求1所述的一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐永洁，周建，朱建才，袁逢逢，尚肖楠，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：