欠固结地层沉降引起的盾构隧道附加内力及变形确定方法技术

本发明专利技术属于地下工程技术领域，具体涉及一种欠固结地层沉降引起的盾构隧道附加内力及变形确定方法，包括如下步骤：S1：确定隧道及其构件的设计参数、以及地质条件信息；S2：获取欠固结地层随时域变化的沉降值，确定隧道沉降函数，并计算隧道位置地层位移值；S3：依据隧道地层位移值，确定沉降突变段隧道结构附加荷载及其所在地层的抗力荷载；S4：基于隧道沉降函数、沉降突变段隧道结构附加荷载及其所在地层的抗力荷载、以及沿隧道竖直方向向外偏移的角度，确定欠固结地层长期沉降引起的隧道沉降突变段的附加内力以及盾构隧道结构的收敛变形；所述盾构隧道结构的收敛变形包括：竖向收敛变形和水平收敛变形。形和水平收敛变形。形和水平收敛变形。

【技术实现步骤摘要】
欠固结地层沉降引起的盾构隧道附加内力及变形确定方法


[0001]本专利技术属于地下工程
，具体涉及一种欠固结地层沉降引起的盾构隧道附加内力及变形确定方法。

技术介绍

[0002]随着我国城市轨道交通建设的高速发展，采用盾构法进行地铁隧道、公路隧道、综合管廊建设已成为一种常用手段。盾构法是指使用盾构机一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内逐环拼装管片形成隧道衬砌的施工方法。然而随着时间推移，欠固结地层会固接沉降，引发隧道管片产生较大的附加内力和变形，严重时会引起管片开裂、螺栓拉裂、隧道漏水等，进而影响隧道的安全和使用寿命。但现有的隧道结构设计均以正常地层作为基础，并未考虑地层自身固接带来附加内力和变形。因此，有必要提供欠固结地层固接因长期沉降引起的隧道结构附加内力及变形的确定方法。
[0003]经过对现有的技术文献检索发现，前文献考虑地层固结对隧道的影响集中在隧道纵向变形。张勇等于2020发表在《隧道建设（中英文）》的《地面堆载诱发下既有盾构隧道纵向变形的解析解》中，将既有盾构隧道简化为置于Pasternak地基上的Timoshenko梁，通过理论推导得到考虑盾构隧道剪切效应和地基剪切刚度的地面堆载诱发下盾构隧道纵向变形的解析解。然而上述研究仅针对纵向结构变形，实际结构设计中，考虑安全承载需求需要确定隧道横向结构内力进行钢筋混凝土管片进行截面设计，考虑正常使用状态对横向收敛变形进行验算。因此，有必要综合考虑地层固结蠕变过隧道结构附加内力和变形的确定方法，为欠固结地层盾构隧道的设计验算提供依据。

技术实现思路

[0004]本专利技术在于提供一种欠固结地层沉降引起的盾构隧道附加内力及变形确定方法，用于准确确定欠固结地层因长期沉降引起的盾构隧道附加内力和变形，进而为欠固结地层隧道设计提供依据。
[0005]一种欠固结地层沉降引起的盾构隧道附加内力及变形确定方法，包括如下步骤：S1：确定隧道及其构件的设计参数、以及地质条件信息；S2：获取欠固结地层随时域变化的沉降值，确定隧道沉降函数，并计算隧道位置地层位移值；S3：依据隧道地层位移值，确定沉降突变段隧道结构附加荷载及其所在地层的抗力荷载；S4：基于隧道沉降函数、沉降突变段隧道结构附加荷载及其所在地层的抗力荷载、以及沿隧道竖直方向向外偏移的角度，确定欠固结地层长期沉降引起的隧道沉降突变段的附加内力以及盾构隧道结构的收敛变形；所述盾构隧道结构的收敛变形包括：竖向收敛变形和水平收敛变形。
[0006]通过确定隧道结构的设计信息和欠固结地层的地质信息，构建欠固结地层随时域变化的沉降函数，并结合沉降突变段的隧道结构附加荷载和所在地层的抗力荷载，准确计算长期沉降下隧道沉降突变段的附加内力以及确定隧道结构的收敛变形，通过综合性考量竖向收敛变形和水平收敛变形，为后续欠固结地层盾构隧道的设计验算提供依据。
[0007]进一步的，所述S1中，隧道及其构件的设计参数是指：隧道埋深，隧道管片的内、外直径，管片混凝土弹性模量、管片厚度；地质条件信息是指：土体弹性模量、地层抗力系数、土体粘滞系数、渗透系数、泊松比。
[0008]进一步的，所述S2中，隧道沉降函数的计算表达式为：；式中，为附加应力，即，
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为隧道上方均布荷载，为下属系数，即，为地面荷载宽度； 为附加应力是隧道上方均布荷载的10%处的埋深，为隧道顶部的埋深，作为沉降上限，两者之间的埋深土层共划分为N层，为埋深土层的第层土层，即，为每层埋深土层层厚，即；常取第一项，即；均为计算下属系数，其中，，为渗透系数，为水重度；；，为粘滞系数，为弹性系数。
[0009]进一步的，所述S2中，隧道地层位移值包括：隧道顶部位置位移，其计算表达式为：；隧道底部位置位移，其计算表达式为：；式中， 为隧道底部层数编号，即，D为隧道外直径。
[0010]进一步的，
所述S3中，欠固结地层沉降突变段隧道结构附加荷载的计算表达式为：；式中，为沿隧道竖直方向向外偏移的角度； 为地基弹性系数，满足Biot公式，即，C为常系数，一般取1.1，为土体弹性模量，为泊松比，为管片混凝土弹性模量，为隧道惯性矩，即，取1，为管片厚度。
[0011]进一步的，所述S3中，欠固结地层沉降突变段隧道结构地层抗力荷载的计算表达式为：；式中，为地层抗力系数；为衬砌水平收敛初值。
[0012]进一步的，所述S4中，所述隧道沉降突变段的附加内力包括：隧道沉降突变段的附加弯矩 ，其计算表达式为： ；式中，；；隧道沉降突变段的附加剪力 ，其计算表达式为：；式中，；
；其中，；；式中，；；；式中， 为等效抗弯刚度，为第i个铰接点相对竖向夹角，n为铰接点个数；其中，的计算表达式为：；式中， ；；其中，的计算表达式为：；式中， ；
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。
[0013]进一步的，所述S4中，盾构隧道结构的竖向收敛变形，其计算表达式为：；式中，； ； ； 。
[0014]进一步的，所述S4中，盾构隧道结构的横向收敛变形，其计算表达式为：；式中，；； ； 。
[0015]本专利技术的有益效果为：本专利技术通过确定隧道结构的设计信息和欠固结地层的地质信息，构建欠固结地层随时域变化的沉降函数，并结合沉降突变段的隧道结构附加荷载和所在地层的抗力荷载，准确计算长期沉降下隧道沉降突变段的附加内力以及确定隧道结构的收敛变形，通过综合性考量竖向收敛变形和水平收敛变形，为后续欠固结地层盾构隧道的设计验算提供依据。本专利技术方法精确、实用，便于推广，具有很大的应用价值。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的流程示意图；图2为两阶段法计算模型示意图；图3为实施例2中隧道弯矩值示意图；图4为实施例2中隧道剪力值示意图；图5为实施例2中隧道收敛变形示意图。
具体实施方式
[0017]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，所描述的实施例仅仅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。
[0018]需要说明的是，下述实施方案中实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本专利技术的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0019]此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0020]在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种欠固结地层沉降引起的盾构隧道附加内力及变形确定方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：确定隧道及其构件的设计参数、以及地质条件信息；S2：获取欠固结地层随时域变化的沉降值，确定隧道沉降函数，并计算隧道位置地层位移值；S3：依据隧道地层位移值，确定沉降突变段隧道结构附加荷载及其所在地层的抗力荷载；S4：基于隧道沉降函数、沉降突变段隧道结构附加荷载及其所在地层的抗力荷载、以及沿隧道竖直方向向外偏移的角度，确定欠固结地层长期沉降引起的隧道沉降突变段的附加内力以及盾构隧道结构的收敛变形；所述盾构隧道结构的收敛变形包括：竖向收敛变形和水平收敛变形。2.根据权利要求1所述的一种欠固结地层沉降引起的盾构隧道附加内力及变形确定方法，其特征在于，所述S1中，隧道及其构件的设计参数是指：隧道埋深，隧道管片的内、外直径，管片混凝土弹性模量、管片厚度；地质条件信息是指：土体弹性模量、地层抗力系数、土体粘滞系数、渗透系数、泊松比。3.根据权利要求1所述的一种欠固结地层沉降引起的盾构隧道附加内力及变形确定方法，其特征在于，所述S2中，隧道沉降函数的计算表达式为： ；式中，为附加应力，即，
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为隧道上方均布荷载，为下属系数，即，为地面荷载宽度； 为附加应力是隧道上方均布荷载的10%处的埋深，为隧道顶部的埋深，作为沉降上限，两者之间的埋深土层共划分为N层，为埋深土层的第层土层，即，为每层埋深土层层厚，即；常取第一项，即；均为计算下属系数，其中，，为渗透系数，为水重度；；
，为粘滞系数，为弹性系数。4.根据权利要求3所述的一种欠固结地层沉降引起的盾构隧道附加内力及变形确定方法，其特征在于，所述S2中，隧道地层位移值包括：隧道顶部位...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐耀明，吴怀娜，杨鑫歆，凡猛，陈仁朋，程红战，孟凡衍，许啸鹏，冯东林，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：