【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道工程，尤其涉及一种盾构泥浆支护效率评价方法。
技术介绍
1、泥水压式盾构在前进中向开挖土注入泥浆的密闭式盾构。采用泥水压式盾构时，必须根据围岩条件，将开挖推进机构、工作面稳定机构、土砂输送设备、泥水处理设备等组成可充分发挥功能的系统。
2、在泥水盾构掘进阶段，现有泥浆压力的设定方法是以开挖面上存在不透水的静态泥膜为前提的，默认了泥浆压力转化为地层有效应力的效率为100％。这一假设过高地估计了盾构掘进期间泥浆对开挖面的支护力，对于开挖面稳定控制存在一定的安全隐患。特别是超大直径盾构，一旦盾构掘进参数控制不当，泥浆持续大量流失，极易造成开挖面局部支护压力严重不足的情况，存在巨大施工安全风险。
3、目前，现有技术中仅有少量考虑动态成膜的泥浆支护效率研究，并且没有系统地对泥浆支护效率的评价方法进行探讨。因此，现有开挖面稳定技术缺乏有效的理论方法对泥浆支护效率进行合理预测与评估。
技术实现思路
1、本专利技术的实施例提供了一种盾构泥浆支护效率评价方法，以实现泥水平衡盾构掘进时对泥浆支护效率进行预测和评估。
2、为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。
3、一种盾构泥浆支护效率评价方法，包括：
4、根据盾构隧道中的入渗泥浆与切削泥浆平衡态时的渗流速度和渗透系数计算得到泥水渗流距离内的压力梯度；
5、根据所述泥水渗流距离内的压力梯度采用循环迭代法计算出最危险破坏滑动面对应的临界超静水泥浆压力，考虑动
6、基于所述入渗式开挖面稳定模型计算出不同开挖面成膜情况下的超静泥浆压力，根据所述最危险破坏滑动面对应的临界超静水泥浆压力和所述不同开挖面成膜情况下的超静泥浆压力对盾构泥浆支护进行效率评价。
7、优选地，所述的根据盾构隧道中的入渗泥浆与切削泥浆平衡态时的渗流速度和渗透系数计算得到泥水渗流距离内的压力梯度，包括：
8、根据质量平衡关系，当盾构隧道中的泥水微观流动速度与掘进速度相等的时候，入渗泥浆与切削泥浆即可达到平衡态，浆液将不再向前流动，相对应的平衡条件表示为：
9、
10、式中：vt为盾构掘进速度；v为泥浆渗流速度；为土体天然孔隙率；
11、根据平衡态时的渗流速度和渗透系数计算得到在泥水渗流距离内的压力梯度，表示为：
12、
13、式中：为泥浆沉积后的地层孔隙率；γw为水的重度；k为等效渗透系数。
14、优选地，所述的根据所述泥水渗流距离内的压力梯度采用循环迭代法计算出最危险破坏滑动面对应的临界超静水泥浆压力，考虑动态泥膜效应建立渗透力支护形式的的入渗式开开挖面稳定模型，包括：
15、考虑动态泥膜效应的入渗式开挖面稳定模型，基于极限分析上限法提出旋转体模型，破坏机构的横截面由从顶部引出来的两个对数螺旋线构成，两个对数螺线共享一个旋转中心o，两个对数螺旋线的交点用f表示；
16、根据极限分析上限法理论，盾构开挖面稳定的必要条件是外力做功功率不得大于能量耗散率，即：
17、wd≥we (3)
18、式中：we为外力做功功率；wd为破坏机构中的能量耗散率；
19、破坏机构中的外力功率通过各项外力的功率求和得到，假设泥水舱中的泥浆压力较地下水的压力差为δp，局部泥膜面力和泥浆渗透力做功功率可分别表示为：
20、
21、
22、式中：ξ为泥浆成膜率，dψ为土体剪涨角的微元，为土体剪涨角：γw为天然土体孔隙率：v为水的重度：ki,j为泥浆微观空隙流速，sj为开挖面表面离散单元的表面积；为破坏机构的速度场；wf为破坏机构的角速度；ri,j、βi,j(r′i,j、β′i,j)为离散三角形单元重心的极坐标；vi,j(v′i,j)为离散单元的体积。r′i,j、β′i,j为倒三角单元中离散三角形单元重心的极坐标，ri,j、βi,j为正三角单元离散三角形单元重心的极坐标，v′i,j倒三角单元中离散单元体积，vi,j正三角单元中离散单元体积；
23、土体重力、抗滑力以及地面超载做功功率产生的能量耗散率分别用下式表示：
24、
25、
26、
27、w为土体重力、抗滑力以及地面超载做功功率产生的能量耗散率，γ′为土体的浮重度；c为土体的黏聚力；si,j(s′i,j)为三角形微元的面积；σs为地表超载；r1、β1为破坏机构与地表交叉平面的节点坐标；s1为破坏机构与地表交叉平面的面积；l为突出地表单元的数量；
28、根据外力做功功率与内部能量耗散率相等的极限上限条件，将式(4)～(8)分别代入式(3)，计算出最危险破坏滑动面对应的开挖面临界超静水泥浆压力为：
29、
30、式中：nγ、nc、ng、ns为无量纲参数；ζ为开挖面泥浆成膜率，即成膜面积占盾构开挖面的比例；σf为维持开挖面稳定所需的临界超静水泥浆压力，即泥浆压力与静水压力的压力差；
31、上述公式(3)-公式(9)构成渗透力支护形式的开挖面稳定模型。
32、优选地，所述的基于所述的入渗式开开挖面稳定模型计算出不同开挖面成膜情况下的超静泥浆压力，根据所述最危险破坏滑动面对应的临界超静水泥浆压力和所述不同开挖面成膜情况下的超静泥浆压力对盾构泥浆支护进行效率评价，包括：
33、基于所述的入渗式开开挖面稳定模型计算出不同开挖面成膜情况下的超静泥浆压力σi，定义泥浆支护效率η为开挖面稳定模型所求得的临界超静水泥浆压力σf与不同开挖面成膜情况下的超静泥浆压力σi之比，即η＝σf/σi；
34、计算出不同泥浆黏度、成膜率、地层渗透性条件下的泥浆支护效率，当泥浆在开挖面全断面成膜的情况下，支护效率为100％。
35、由上述本专利技术的实施例提供的技术方案可以看出，本专利技术提出的一种盾构泥浆支护效率评价方法可以根据开挖面成膜率简单、快速评估泥浆支护效率，为泥水盾构掘进安全提供保障。
36、本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
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1.一种盾构泥浆支护效率评价方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据盾构隧道中的入渗泥浆与切削泥浆平衡态时的渗流速度和渗透系数计算得到泥水渗流距离内的压力梯度，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的根据所述泥水渗流距离内的压力梯度采用循环迭代法计算出最危险破坏滑动面对应的临界超静水泥浆压力，考虑动态泥膜效应建立渗透力支护形式的的入渗式开开挖面稳定模型，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的基于所述的入渗式开开挖面稳定模型计算出不同开挖面成膜情况下的超静泥浆压力，根据所述最危险破坏滑动面对应的临界超静水泥浆压力和所述不同开挖面成膜情况下的超静泥浆压力对盾构泥浆支护进行效率评价，包括：
【技术特征摘要】
1.一种盾构泥浆支护效率评价方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据盾构隧道中的入渗泥浆与切削泥浆平衡态时的渗流速度和渗透系数计算得到泥水渗流距离内的压力梯度，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的根据所述泥水渗流距离内的压力梯度采用循环迭代法计算出最危险破坏滑动面对应...
【专利技术属性】
技术研发人员：金大龙，袁大军，王孟伟，毛家骅，牟政，李福林，李龙辉，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：
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