專利名稱：確定泥水盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面支護(hù)壓力的方法
確定泥水盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面支護(hù)壓力的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬盾構(gòu)隧道工程施工領(lǐng)域，特別是一種確定泥水盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面支護(hù)壓力的方法，可以確定泥水盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面支護(hù)壓力的合理范圍。
背景技術(shù)：
在隧道工程中，盾構(gòu)法施工由于不受季節(jié)、天氣條件等外界因素的干擾影響，以及施工速度快，施工人員少，施工精度高等特點(diǎn)，顯示了極大的優(yōu)越性。特別是泥水平衡盾構(gòu)施工適用于各種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，在世界大中型隧道建設(shè)中，尤其在城市地下工程的隧道建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
在泥水盾構(gòu)施工過(guò)程中，作為地下施工將不可避免地對(duì)地層以及周邊建筑物或構(gòu)筑物產(chǎn)生影響。這種影響若過(guò)大將造成周邊土體發(fā)生較大變形，甚至可能出現(xiàn)地層的塌陷以及周圍建筑物的破壞，從而導(dǎo)致發(fā)生重大安全事故。近年來(lái)，在上海、廣州、杭州、深圳等地的隧道施工中，由于施工條件復(fù)雜，地層坍塌事故均有發(fā)生。因此，為了減少泥水盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境的影響，確保施工的安全，必須制定專項(xiàng)施工工藝方案，設(shè)定合理的泥水盾構(gòu)施工參數(shù)，并在施工中加強(qiáng)對(duì)周圍環(huán)境的監(jiān)控。
開(kāi)挖面支護(hù)壓力是泥水盾構(gòu)施工工藝中最重要的工藝參數(shù)，是控制泥水盾構(gòu)隧道施工對(duì)周圍環(huán)境影響的最主要控制目標(biāo)之一。在泥水盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，若設(shè)定的泥水支護(hù)壓力過(guò)小，開(kāi)挖面前方土體不被支護(hù)涌入泥水艙，引起地表沉降過(guò)大，甚至發(fā)生塌陷； 而設(shè)定的泥水支護(hù)壓力過(guò)大，開(kāi)挖面前方土體受力較大則可能產(chǎn)生地表隆起，發(fā)生泥漿冒出，甚至出現(xiàn)土體劈裂破壞。因此，確定開(kāi)挖面支護(hù)壓力的合理范圍是制定泥水盾構(gòu)施工工藝方案，確保施工安全的關(guān)鍵問(wèn)題。
目前工程中確定泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面支護(hù)壓力的方法主要是采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，這種方法理論基礎(chǔ)薄弱，不可能準(zhǔn)確地確定開(kāi)挖面支護(hù)壓力，也無(wú)法保證施工安全。 由于影響泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面支護(hù)壓力的因素繁多，其中包括隧道的埋深、土質(zhì)情況、地下水位、地下構(gòu)筑物的分布、泥水特性、泥水盾構(gòu)的直徑等等，加之不同隧道的地質(zhì)條件和周圍環(huán)境都不同，在建隧道施工與已建成隧道項(xiàng)目施工狀況不會(huì)完全等同，因此，具有根據(jù)不同地質(zhì)條件、周圍環(huán)境和施工狀況，能夠準(zhǔn)確地確定泥水盾構(gòu)施工開(kāi)挖面支護(hù)壓力合理范圍的方法是十分必要的。發(fā)明內(nèi)容
為了達(dá)到準(zhǔn)確確定不同地質(zhì)條件、周圍環(huán)境和施工狀況下泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面支護(hù)壓力合理范圍的目的，本發(fā)明提供了一種開(kāi)挖面單元強(qiáng)度法，這是一種全面綜合的方法。該方法采用試驗(yàn)測(cè)試一數(shù)值模擬計(jì)算一理論判斷相結(jié)合的方法，最終通過(guò)開(kāi)挖面前方土體單元強(qiáng)度確定出開(kāi)挖面支護(hù)壓力范圍。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種確定泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面支護(hù)壓力合理范圍的方法，采用試驗(yàn)測(cè)試一數(shù)值模擬計(jì)算一理論判斷相結(jié)合的方法；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隧道施工土體取樣并進(jìn)行性能測(cè)試，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和隧道具體實(shí)際情況，建立與符合現(xiàn)場(chǎng)施工條件的泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面分析模型并進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)確定隧道施工段開(kāi)挖地層側(cè)向土壓力、開(kāi)挖面中心平衡壓力和開(kāi)挖面前方土體主應(yīng)力，并結(jié)合土體摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則判別開(kāi)挖面前方的土體單元的破壞情況，最終確定泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面支護(hù)壓力的合理范圍；本方法具體實(shí)施步驟如下(1)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)隧道施工土體性能測(cè)試試驗(yàn)，具體步驟如下1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，對(duì)各層土體選取相應(yīng)的取土方案；每層土體取3-4塊試塊；在取土?xí)r，應(yīng)避免對(duì)土體的擾動(dòng)；2)將試塊放置于剪切盒中，剪切盒與試樣間隙應(yīng)用膨脹水泥砂漿填充；3)施加垂直壓力，進(jìn)行試塊土體壓縮，壓力按等量分成3至4級(jí)逐漸增大，直至試塊土體垂直變形穩(wěn)定；4)施加剪力，進(jìn)行試塊土體剪切，剪力每隔Imin等量加載一次并記錄相應(yīng)的剪切力及剪切變形量；當(dāng)試塊土體剪切變形急劇增加或者剪切變形達(dá)到試樣尺寸的1/10時(shí)，認(rèn)為土體破壞；5)繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線，確定相應(yīng)各土層土體的內(nèi)摩擦角 。以及土體的粘聚力e值；(2)進(jìn)行泥水盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬，采用有限元方法，其具體步驟如下1)根據(jù)隧道施工實(shí)際地質(zhì)條件和周圍環(huán)境，建立隧道施工非線性有限元模擬模型；2)土體采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，設(shè)置自由面、對(duì)稱面和法向位移約束等邊界條件；(3)施加隧道施工段土體自重及地面超載作用力進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計(jì)算，得到隧道施工初始地應(yīng)力場(chǎng)，從而確定泥水盾構(gòu)隧道施工段開(kāi)挖斷面地層原始側(cè)向土壓力；(4)將泥水盾構(gòu)隧道開(kāi)挖斷面原始地層側(cè)向土壓力設(shè)置為開(kāi)挖面壓力，作為力邊界條件施加并進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計(jì)算；以開(kāi)挖面中心點(diǎn)位移作為判定指標(biāo)，判別開(kāi)挖面中心是否達(dá)到力的平衡；通過(guò)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，如果開(kāi)挖面中心點(diǎn)位移為正，表示壓力過(guò)大；反之，表示壓力偏小；開(kāi)挖面中心位移絕對(duì)值最小，近似為零時(shí)，確定出開(kāi)挖面中心平衡壓力；(5)保持開(kāi)挖面中心平衡壓力不變，以開(kāi)挖面頂端和底端位移作為判定指標(biāo)，判別開(kāi)挖面整體是否達(dá)到力的平衡；開(kāi)挖面壓力沿開(kāi)挖斷面深度方向?yàn)樘菪畏植迹尸F(xiàn)為一斜線； 通過(guò)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，調(diào)整壓力斜線的斜率，如果開(kāi)挖面頂端和底端位移為正，表示壓力過(guò)大；反之，表示壓力偏??；開(kāi)挖面頂端和底端位移絕對(duì)值最小，近似為零時(shí)，確定出開(kāi)挖面平衡泥水壓力；(6)施加所確定的開(kāi)挖面平衡泥水壓力，得到開(kāi)挖面前方土體的應(yīng)力狀態(tài)，確定開(kāi)挖面前方土體單元主應(yīng)力；(7)結(jié)合莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論，即土體任一平面，即破壞面上的抗剪強(qiáng)度I該面上法向應(yīng)力σ的函數(shù)Tj. = /(σ) =c + CTtan φ式中￡；為土體的粘聚力…力土體的內(nèi)摩擦角，其值由步驟(1)試驗(yàn)中測(cè)定；在泥水盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，通常采用控制開(kāi)挖面中心點(diǎn)壓力的方法在控制開(kāi)挖面穩(wěn)定，故定義壓力比為式中P1為開(kāi)挖面中心點(diǎn)泥水壓力設(shè)定值；馬為開(kāi)挖面中心點(diǎn)初始泥水壓力值；通過(guò)調(diào)整#值，改變開(kāi)挖面壓力并進(jìn)行開(kāi)挖面前方土體單元破壞情況的判斷，確定開(kāi)挖面支護(hù)壓力的合理范圍。
本發(fā)明的有益效果是，采用試驗(yàn)測(cè)試一數(shù)值模擬計(jì)算一理論判斷相結(jié)合的方法， 根據(jù)泥水盾構(gòu)隧道施工不同地質(zhì)條件、周圍環(huán)境和施工狀況，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)合土體摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)，準(zhǔn)確地確定出泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面支護(hù)壓力的合理范圍。本方法擺脫了以往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定開(kāi)挖面支護(hù)壓力，而導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)較大的問(wèn)題；另外，本方法還能夠在隧道施工推進(jìn)的同時(shí)，根據(jù)不同施工條件和狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析確定出開(kāi)挖面支護(hù)壓力的合理范圍，具有適用廣、可靠性高、應(yīng)用方便的特點(diǎn)。


圖1本發(fā)明方法的操作流程圖。
圖2本發(fā)明的泥水盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬模型圖。
圖3本發(fā)明開(kāi)挖面前方土體單元示意圖。
圖4本發(fā)明開(kāi)挖面失穩(wěn)至劈裂破壞過(guò)程圖。
圖5本發(fā)明開(kāi)挖面失穩(wěn)至坍塌破壞過(guò)程圖。
圖6確定的泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面支護(hù)壓力的范圍圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明如圖1所示，一種確定泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面支護(hù)壓力合理范圍的方法，采用試驗(yàn)測(cè)試一數(shù)值模擬計(jì)算一理論判斷相結(jié)合的方法。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隧道施工土體取樣并進(jìn)行性能測(cè)試，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和隧道具體實(shí)際情況，建立與符合現(xiàn)場(chǎng)施工條件的泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面分析模型并進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)確定隧道施工段開(kāi)挖地層側(cè)向土壓力、開(kāi)挖面中心平衡壓力和開(kāi)挖面前方土體主應(yīng)力，并結(jié)合土體摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則判別開(kāi)挖面前方的土體單元的破壞情況，最終確定泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面支護(hù)壓力的合理范圍。
(1)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)隧道施工土體性能測(cè)試試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行土體原位直剪試驗(yàn)，得到土體的內(nèi)摩擦角P以及土體的粘聚力￡。具體步驟如下1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，對(duì)各層土體選取相應(yīng)的取土方案。每層土體取3-4塊試塊。在取土?xí)r，應(yīng)避免對(duì)土體的擾動(dòng)。
2)將試塊放置于剪切盒中，剪切盒與試樣間隙應(yīng)用膨脹水泥砂漿填充。
3)施加垂直壓力，進(jìn)行試塊土體壓縮，壓力按等量分成3至4級(jí)逐漸增大，直至試塊土體垂直變形穩(wěn)定。
4)施加剪力，進(jìn)行試塊土體剪切，剪力每隔Imin等量加載一次并記錄相應(yīng)的剪切力及剪切變形量。當(dāng)試塊土體剪切變形急劇增加或者剪切變形達(dá)到試樣尺寸的1/10時(shí)，認(rèn)為土體破壞。
5)繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線，確定相應(yīng)各土層土體的內(nèi)摩擦角P以及土體的粘聚力e值。
(2)泥水盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬方法為有限元方法，其具體步驟如下1)根據(jù)隧道施工實(shí)際地質(zhì)條件和周圍環(huán)境，建立隧道施工非線性有限元模擬模型。本例模型中隧道開(kāi)挖直徑為11. 2 !；隧道埋深為9. 59m,隧道軸向(Y向)長(zhǎng)75 m、橫向(X向) 寬50 m、豎向(Z向)深度為60 m。
2) 土體采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，設(shè)置自由面、對(duì)稱面和法向位移約束等邊界條件，如圖2所示。
(3)施加隧道施工段土體自重及地面超載作用力進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計(jì)算，得到隧道施工初始地應(yīng)力場(chǎng)，從而確定泥水盾構(gòu)隧道施工段開(kāi)挖斷面地層原始側(cè)向土壓力。
對(duì)隧道施工進(jìn)行有限元模擬，根據(jù)土體非線性建立非線性有限元求解方程為
權(quán)利要求
1. 一種確定泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面支護(hù)壓力合理范圍的方法，其特征在于，采用試驗(yàn)測(cè)試一數(shù)值模擬計(jì)算一理論判斷相結(jié)合的方法；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隧道施工土體取樣并進(jìn)行性能測(cè)試，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和隧道具體實(shí)際情況，建立與符合現(xiàn)場(chǎng)施工條件的泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面分析模型并進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)確定隧道施工段開(kāi)挖地層側(cè)向土壓力、開(kāi)挖面中心平衡壓力和開(kāi)挖面前方土體主應(yīng)力，并結(jié)合土體摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則判別開(kāi)挖面前方的土體單元的破壞情況，最終確定泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面支護(hù)壓力的合理范圍；本方法具體實(shí)施步驟如下(1)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)隧道施工土體性能測(cè)試試驗(yàn)，具體步驟如下1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，對(duì)各層土體選取相應(yīng)的取土方案；每層土體取3-4塊試塊；在取土?xí)r，應(yīng)避免對(duì)土體的擾動(dòng)；2)將試塊放置于剪切盒中，剪切盒與試樣間隙應(yīng)用膨脹水泥砂漿填充；3)施加垂直壓力，進(jìn)行試塊土體壓縮，壓力按等量分成3至4級(jí)逐漸增大，直至試塊土體垂直變形穩(wěn)定；4)施加剪力，進(jìn)行試塊土體剪切，剪力每隔Imin等量加載一次并記錄相應(yīng)的剪切力及剪切變形量；當(dāng)試塊土體剪切變形急劇增加或者剪切變形達(dá)到試樣尺寸的1/10時(shí)，認(rèn)為土體破壞；5)繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線，確定相應(yīng)各土層土體的內(nèi)摩擦角筍以及土體的粘聚力e值；(2)進(jìn)行泥水盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬，采用有限元方法，其具體步驟如下1)根據(jù)隧道施工實(shí)際地質(zhì)條件和周圍環(huán)境，建立隧道施工非線性有限元模擬模型；2)土體采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，設(shè)置自由面、對(duì)稱面和法向位移約束等邊界條件；(3)施加隧道施工段土體自重及地面超載作用力進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計(jì)算，得到隧道施工初始地應(yīng)力場(chǎng)，從而確定泥水盾構(gòu)隧道施工段開(kāi)挖斷面地層原始側(cè)向土壓力；(4)將泥水盾構(gòu)隧道開(kāi)挖斷面原始地層側(cè)向土壓力設(shè)置為開(kāi)挖面壓力，作為力邊界條件施加并進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計(jì)算；以開(kāi)挖面中心點(diǎn)位移作為判定指標(biāo)，判別開(kāi)挖面中心是否達(dá)到力的平衡；通過(guò)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，如果開(kāi)挖面中心點(diǎn)位移為正，表示壓力過(guò)大；反之，表示壓力偏??；開(kāi)挖面中心位移絕對(duì)值最小，近似為零時(shí)，確定出開(kāi)挖面中心平衡壓力；(5)保持開(kāi)挖面中心平衡壓力不變，以開(kāi)挖面頂端和底端位移作為判定指標(biāo)，判別開(kāi)挖面整體是否達(dá)到力的平衡；開(kāi)挖面壓力沿開(kāi)挖斷面深度方向?yàn)樘菪畏植?，呈現(xiàn)為一斜線； 通過(guò)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，調(diào)整壓力斜線的斜率，如果開(kāi)挖面頂端和底端位移為正，表示壓力過(guò)大；反之，表示壓力偏??；開(kāi)挖面頂端和底端位移絕對(duì)值最小，近似為零時(shí)，確定出開(kāi)挖面平衡泥水壓力；(6)施加所確定的開(kāi)挖面平衡泥水壓力，得到開(kāi)挖面前方土體的應(yīng)力狀態(tài)，確定開(kāi)挖面前方土體單元主應(yīng)力；(7)結(jié)合莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論，即土體任一平面，即破壞面上的抗剪強(qiáng)度1/是該面上法向應(yīng)力τ的函數(shù)Tj — /(σ) c + crtan φ 2式中C為土體的粘聚力，P為土體的內(nèi)摩擦角，其值由步驟(1)試驗(yàn)中測(cè)定； 在泥水盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，通常采用控制開(kāi)挖面中心點(diǎn)壓力的方法在控制開(kāi)挖面穩(wěn)定，故定義壓力比為式中巧為開(kāi)挖面中心點(diǎn)泥水壓力設(shè)定值；巧為開(kāi)挖面中心點(diǎn)初始泥水壓力值；通過(guò)調(diào)整A值，改變開(kāi)挖面壓力并進(jìn)行開(kāi)挖面前方土體單元破壞情況的判斷，確定開(kāi)挖面支護(hù)壓力的合理范圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種確定泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面支護(hù)壓力合理范圍的方法，采用試驗(yàn)測(cè)試—數(shù)值模擬計(jì)算—理論判斷相結(jié)合的方法；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隧道施工土體取樣并進(jìn)行性能測(cè)試，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和隧道具體實(shí)際情況，建立與符合現(xiàn)場(chǎng)施工條件的泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面分析模型并進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)確定隧道施工段開(kāi)挖地層側(cè)向土壓力、開(kāi)挖面中心平衡壓力和開(kāi)挖面前方土體主應(yīng)力，并結(jié)合土體摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則判別開(kāi)挖面前方的土體單元的破壞情況，最終確定泥水盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖面支護(hù)壓力的合理范圍。本方法能夠在隧道施工推進(jìn)的同時(shí)，根據(jù)不同施工條件和狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析確定出開(kāi)挖面支護(hù)壓力的合理范圍，具有適用廣、可靠性高、應(yīng)用方便的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N3/24GK102519790SQ20111040127
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者吳惠明, 寧寅, 楊森森, 白福濃, 董軼, 趙辛瑋, 陸幸, 馬永其 申請(qǐng)人:上海大學(xué)