基于卸荷率的地层开挖引起下部隧道竖向变形计算方法技术

本发明专利技术公开了基于卸荷率的地层开挖引起下部隧道竖向变形计算方法，属于岩土与隧道工程技术领域，包括对土体类型及物理力学参数进行确定，获得基坑开挖深度H

【技术实现步骤摘要】
基于卸荷率的地层开挖引起下部隧道竖向变形计算方法


[0001]本专利技术涉及岩土与隧道工程
，具体涉及基于卸荷率的地层开挖引起下部隧道竖向变形计算方法。

技术介绍

[0002]随着我国经济的快速发展，城市的规模不断扩大，高层建筑不断增多，从而产生了大量的基坑工程，且深度和规模不断增大。而轨道交通已成为城市缓解拥堵的重要手段，很多城市都已实现地铁运营。因此，在用地紧张的城市中心地区，不可避免地出现在已建既有隧道上部进行基坑开挖卸荷的情况。然而，工程实践表明，地层开挖会引起下部既有隧道上浮变形，导致隧道管片及接缝位置出现开裂和渗水等问题，影响隧道结构耐久性，并严重影响地铁的安全运行。准确预测计算地层开挖引起的下部隧道竖向变形对设计中选择经济有效的隧道变形控制技术有重要指导意义。
[0003]目前对上覆地层开挖引起下部隧道竖向变形的预警及防治主要依赖于现场监测，即以地层开挖过程中隧道已有变形发展规律来推测其未来安全与否，但这无法应用于基坑设计过程中预测地层开挖引起的隧道竖向变形；而数值模拟的方法虽可以用于设计中隧道竖向变形预测分析，但建模过程和本构选取复杂，且存在计算工作量大、耗时长、计算收敛性差等问题。
[0004]因此，需要提出一种针对上述现有技术不足的地层开挖引起下部隧道竖向变形计算方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于：如何解决现有地层开挖引起下部隧道的竖向变形分析依靠数值模拟存在的建模过程相对复杂、收敛性差等问题，提供了基于卸荷率的地层开挖引起下部隧道竖向变形计算方法。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本专利技术包括以下步骤：
[0007]S1：首先对砂土或黏土的土体类型进行确定，再对土体的物理力学参数进行确定，当土体的物理力学参数在预设范围内时，则进行步骤S2；
[0008]S2：获得隧道和基坑的几何参数，包括基坑开挖深度H
e
、隧道顶部到地表的距离H
c
、基坑宽度B、基坑长度L、隧道直径D，以及隧道轴线相对基坑中心线在水平方向上的偏移距离F，当基坑宽度B、基坑长度L、隧道直径D均在预设范围内时，则进行步骤S3；
[0009]S3：计算地层卸荷率，α为基坑开挖深度H
e
与隧道顶部到地表的距离H
c
的比值；计算隧道偏移率，β为隧道轴线相对基坑中心线在水平方向上的偏移距离F与基坑0.5倍宽度的比值；计算土体模量影响系数，为土体模量；
[0010]S4：在砂土地层中，按照第一计算公式计算基坑下部既有隧道最大竖向变形；在黏土地层中，按照第二计算公式计算基坑下部既有隧道最大竖向变形；完成地层开挖引起下部隧道竖向变形的计算工作。
[0011]更进一步地，在所述步骤S1中，土体的类型通过勘察报告或进行土工试验来确定。
[0012]更进一步地，在所述步骤S1中，当土体类型为砂土时，其物理力学参数预设范围如下：
[0013]土体模量为10～30MPa；
[0014]有效粘聚力为0～3kPa；
[0015]泊松比为0.20～0.30；
[0016]有效内摩擦角为20～35
°
；
[0017]当土体类型为黏土时，其物理力学参数预设范围如下：
[0018]土体模量为5～20MPa；
[0019]有效粘聚力为0～15kPa；
[0020]泊松比为0.25～0.35；
[0021]有效内摩擦角为15～30
°
。
[0022]更进一步地，在所述步骤S1中，土体物理力学参数通过勘察报告或土工试验测试得到，其中土体模量根据三轴固结排水试验得到。
[0023]更进一步地，在所述步骤S2中，隧道和基坑的几何参数通过查询设计资料或实际测量确定。
[0024]更进一步地，在所述步骤S2中，基坑宽度B、基坑长度L、隧道直径D的预设范围分别如下：
[0025]基坑宽度B为18～60m；
[0026]基坑长度L为18～30m；
[0027]隧道直径D为3～15m；
[0028]其中，基坑宽度B为基坑平面沿隧道断面方向的边长，基坑长度L为基坑平面沿隧道轴线方向的边长。
[0029]更进一步地，在所述步骤S3中，地层卸荷率α用于考虑基坑开挖深度相对隧道埋深对隧道变形的影响，隧道偏移率β用于考虑隧道相对基坑中心线偏移对隧道变形的影响，土体模量影响系数ξ用于考虑土体模量对隧道变形的影响。
[0030]更进一步地，在所述步骤S4中，在砂土地层中，当且时，第一计算公式如下：
[0031][0032]其中，为隧道最大竖向变形；为砂土地层中隧道偏移引起的竖向变形减少率；为土体模量影响系数。
[0033]更进一步地，在所述步骤S4中，在黏土地层中，当且时，第二计算
公式如下：
[0034][0035]其中，为隧道最大竖向变形；为黏土地层中隧道偏移引起的竖向变形减少率；为土体模量影响系数。
[0036]本专利技术相比现有技术具有以下优点：该基于卸荷率的地层开挖引起下部隧道竖向变形计算方法，解决了现有数值模拟技术存在的建模过程相对复杂、计算量大、收敛性差等问题，能够准确计算出地层开挖引起的下部隧道竖向变形，具有计算过程简便、计算精度高、针对性强、结果合理、适用性强等优点。
附图说明
[0037]图1是本专利技术实施例一中基于卸荷率的地层开挖引起下部隧道竖向变形计算方法的流程示意图；
[0038]图2a是本专利技术实施例一中沿隧道横向基坑与下部既有隧道相对位置示意图；
[0039]图2b是本专利技术实施例一中沿隧道轴向基坑与下部既有隧道相对位置示意图；
[0040]图3a是本专利技术实施例二中砂土地层（土体模量=15MPa）开挖卸荷下位于基坑正下方隧道的竖向最大变形计算值、数值模拟值、离心模型试验实测结果对比示意图；
[0041]图3b是本专利技术实施例二中砂土地层中土体模量=20MPa时隧道竖向最大变形计算值与数值模拟值的对比示意图；
[0042]图3c是本专利技术实施例二中砂土地层中土体模量=25MPa时隧道竖向最大变形计算值与数值模拟值的对比示意图；
[0043]图4a是本专利技术实施例三中黏土地层（土体模量=15MPa）开挖卸荷下位于基坑正下方隧道的竖向最大变形计算值与数值模拟值的对比示意图；
[0044]图4b是本专利技术实施例三中黏土地层中土体模量=20MPa时隧道竖向最大变形计算值与数值模拟值的对比示意图；
[0045]图5是本专利技术实施例四中砂土地层隧道相对基坑中心存在偏移时隧道竖向最大变形计算值与数值模拟值的对比示意图。
[0046]图2a、2b中：1、既有隧道；2、基坑；3、基坑支护结构。
具体实施方式
[0047]下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于卸荷率的地层开挖引起下部隧道竖向变形计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：首先对砂土或黏土的土体类型进行确定，再对土体的物理力学参数进行确定，当土体的物理力学参数在预设范围内时，则进行步骤S2；S2：获得隧道和基坑的几何参数，包括基坑开挖深度H
e
、隧道顶部到地表的距离H
c
、基坑宽度B、基坑长度L、隧道直径D，以及隧道轴线相对基坑中心线在水平方向上的偏移距离F，当基坑宽度B、基坑长度L、隧道直径D均在预设范围内时，则进行步骤S3；S3：计算地层卸荷率，α为基坑开挖深度H
e
与隧道顶部到地表的距离H
c
的比值；计算隧道偏移率，β为隧道轴线相对基坑中心线在水平方向上的偏移距离F与基坑0.5倍宽度的比值；计算土体模量影响系数，为土体模量；S4：在砂土地层中，按照第一计算公式计算基坑下部既有隧道最大竖向变形；在黏土地层中，按照第二计算公式计算基坑下部既有隧道最大竖向变形；完成地层开挖引起下部隧道竖向变形的计算工作。2.根据权利要求1所述的基于卸荷率的地层开挖引起下部隧道竖向变形计算方法，其特征在于：在所述步骤S1中，土体的类型通过勘察报告或进行土工试验来确定。3.根据权利要求2所述的基于卸荷率的地层开挖引起下部隧道竖向变形计算方法，其特征在于：在所述步骤S1中，当土体类型为砂土时，其物理力学参数预设范围如下：土体模量为10～30MPa；有效粘聚力为0～3kPa；泊松比为0.20～0.30；有效内摩擦角为20～35
°
；当土体类型为黏土时，其物理力学参数预设范围如下：土体模量为5～20MPa；有效粘聚力为0～15kPa；泊松比为0.25～0.35...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳军修，胡斌，黄旭辉，李凯，曹广勇，马巍，
申请(专利权)人：安徽建筑大学，
类型：发明
国别省市：