【技术实现步骤摘要】
本专利技术是盾构隧道施工，尤其涉及一种上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力计算方法。
技术介绍
1、盾构施工引起导致的地层位移是隧道工程事故发生的主要类型，往往造成一定的经济损失，社会影响严重。在大直径土压平衡盾构过程中，造成地层位移的因素很多，而在众多的影响因素中地质条件的影响尤为重要，尤其是复杂的复合地层。随着城市地下空间的开发和城市轨道交通的迅速发展，为了满足更多的功能及服务需求，对盾构隧道的直径以及埋深的要求也越来越高。
2、采用盾构法隧道建设将会不可避免地遇到更多变化的复合地层，复合地层是指将开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的地层组合。复合地层的组合方式可分为三大类：第一，在断面垂直方向上不同地层的组合；第二，在水平方向上地层的不同组合；第三，上述两者兼而有之。最为典型的是垂直方向上的复合地层即为“上软下硬”地层，这种特殊地层在隧道断面上部为松软土层，而在下部则为坚硬的岩石地层；或者上部是软岩层下部为硬岩层；或者在硬岩层中夹软岩层等。另外有学者将对上软下硬复合地层给出了明确的物理力学参数判定的标准，即上部软土的单轴抗压强度(usc)小于1/10倍的下部硬岩，且多见于中国南方地区。
3、在上软下硬复合地层中进行盾构施工，在国内外隧道施工日益常见。实际施工中遇到了诸如刀具刀盘磨损严重、掘进效能低等诸多问题。但目前还没有上软下硬地层成熟的盾构机设计及施工系统理论可以参考。该地层的特殊性也对盾构机提出了特殊的要求，若盾
4、因此，针对盾构法隧道建设中不可避免遇到的上软下硬的复合地层，基于盾构开挖面失稳的严重性以及传统经验公式存在的不足，有必要研究一种新型的、更适用于上软下硬复合地层盾构隧道开挖面支护力的计算方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力计算方法，解决上述盾构开挖面失稳的严重性以及传统经验公式存在的不足的技术问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力计算方法，包括以下步骤：
4、s101、针对上软下硬复合地层盾构开挖面特性，建立盾构开挖三维力学模型，即三维lem模型：所述盾构开挖三维力学模型包括上段模型和下段模型，所述下段模型为上部软土、下部硬岩和三维对数螺旋滑块组成的土体区域，所述上段模型为上部棱柱体，所述上部棱柱体是覆盖在所述三维对数螺旋滑块上的土体区域；
5、所述上部软土和下部硬岩的接触面为软硬地层交界面，所述上部软土和下部硬岩组合而成的圆柱体模型，所述圆柱体模型与所述三维对数螺旋滑块接触的圆环作为盾构开挖面，所述软硬地层的交界面与所述盾构开挖面具有两个相交点，所述盾构开挖面的中心o′与两个相交点的连线形成的夹角为地层复合角ω；在垂直于盾构开挖面的所述盾构开挖三维力学模型纵剖面上建立极坐标原点o；
6、s102、计算模型的基本假定：
7、盾构开挖面的不稳定滑面仅发生在上部软土部分；
8、盾构开挖面失稳破坏的滑裂面包括所述三维对数螺旋滑块的第一侧面、第二侧面和连接所述第一侧面及第二侧面形成的三维滑裂曲面；其中，所述三维滑裂曲面的形状为横向扩展的村山氏二维对数螺旋线；
9、s103、建立开挖面力矩平衡方程
10、基于太沙基松动土压力理论，将上部棱柱体作为一个整体，作用在所述三维对数螺旋滑块的顶面上，建立开挖面力矩平衡方程：
11、mw+mq-mp-ms-mf＝0
12、式中，mw为三维对数螺旋滑块重力w对极坐标原点o的力矩，mq为上部棱柱体的太沙基松动土压力σv0对极坐标原点o的力矩，mp为盾构开挖面三维支护压力σt对极坐标原点o的力矩，ms为三维对数螺旋滑块的两侧面剪切阻力s对极坐标原点o的力矩，mf为三维滑裂曲面接触合力f对极坐标原点o的力矩；
13、s104、求解力矩平衡方程，计算开挖面三维支护压力
14、(ⅰ)基于面积等效原则，将圆形盾构开挖面等效成矩形，由面积等效及质心重合原则计算所述等效矩形的宽和高，计算公式如下：
15、
16、
17、式中，leq为等效矩形的宽；heq为等效矩形的高；ω为地层复合角；d为盾构隧道的直径；
18、(ⅱ)采用极限平衡法计算盾构隧道开挖面三维支护压力σt，满足下列公式：
19、σt＝γheqnγ-cnc+σsns
20、其中，σt为开挖面三维支护压力；nγ为土体重度影响系数，γ为土体重度；nc为土体粘聚力影响系数，c为土体粘聚力；ns为地表超载影响系数，σs为地表超载。
21、优选地，步骤s101中所述地层复合角ω表征上软下硬复合地层的不同软硬占比情况：当ω＝0°表示全硬地层；当ω＝180°表示软硬占比均半；当ω＝360°表示全软地层。
22、优选地，步骤s103中，建立开挖面力矩平衡方程还包括以下步骤：
23、(ⅰ)在三维对数螺旋滑块上取微分土条，通过条分法计算所述三维对数螺旋滑块两侧面的剪切阻力s和滑裂曲面接触合力f，所述三维滑裂曲面接触合力是由摩擦阻力和支持力形成的；
24、(ⅱ)通过对微型土条微力矩的积分，计算力矩mf、ms和mw；
25、(iii)计算太沙基松动土压力对极坐标原点o的力矩mq时，考虑盾构开挖面松动土压力σv0的影响范围宽度b。
26、优选地，所述影响范围宽度，结合上软下硬复合地层特性的地层复合角ω，对影响范围宽度b的修正计算公式如下：
27、
28、式中，b为影响范围宽度；d为隧道直径；为土体内摩擦角。
29、本专利技术还提供一种计算上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力的设备，包括：
30、数据采集器，用于采集盾构隧道数据；
31、存储器，用于存储计算机程序；
32、处理器，用于执行所述计算机程序时实现一种上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力计算方法的步骤。
33、本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力计算方法。
34、综上所述，与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
35、本专利技术针对上软下硬复合地层特性，对盾构隧道开挖面破坏的形状建立三维力学模型，并根据模型特性和计算需求做出基本假定，在基本假定框架下，对开挖面进行受力分析，建立力矩平衡方程，并基于已知基本参数值，求解方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力计算方法，其特征在于，步骤S101中所述地层复合角ω表征上软下硬复合地层的不同软硬占比情况：当ω＝0°表示全硬地层；当ω＝180°表示软硬占比均半；当ω＝360°表示全软地层。
3.根据权利要求1所述的一种上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力计算方法，其特征在于，步骤S103中，建立开挖面力矩平衡方程还包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力计算方法，其特征在于：所述影响范围宽度，结合上软下硬复合地层特性的地层复合角ω，对影响范围宽度B的修正计算公式如下：
5.一种计算上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力的设备，其特征在于，包括：
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力计算方法。
【技术特征摘要】
1.一种上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力计算方法，其特征在于，步骤s101中所述地层复合角ω表征上软下硬复合地层的不同软硬占比情况：当ω＝0°表示全硬地层；当ω＝180°表示软硬占比均半；当ω＝360°表示全软地层。
3.根据权利要求1所述的一种上软下硬复合地层盾构开挖面三维支护压力计算方法，其特征在于，步骤s103中，建立开挖面力矩平衡方程还包括以下步骤...
【专利技术属性】
技术研发人员：温友鹏，武坤鹏，毛凤山，吕述晖，陈浩哲，朱明星，
申请(专利权)人：中交第四航务工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：
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