本發(fā)明屬于隧道工程，具體涉及一種空間曲線盾構(gòu)豎直俯仰導(dǎo)致地層沉降的預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、盾構(gòu)施工具有對城市地面交通干擾小、施工周期短、適應(yīng)復(fù)雜多變的地下環(huán)境等優(yōu)點。是目前城市隧道的首選施工方法。隨著地下空間的不斷開發(fā)和對隧道選型要求的進一步提高，越來越多的空間弧形盾構(gòu)隧道被設(shè)計和施工?？臻g線盾構(gòu)隧道的施工難度較大，對地面的影響也較為復(fù)雜。為了保證盾構(gòu)機按照預(yù)定的空間軸線進行掘進，對盾構(gòu)機的姿態(tài)控制要求也比較高。這些都是空間線盾構(gòu)施工中的主要問題。

2、盾構(gòu)施工過程中會對土體沉降產(chǎn)生影響的主要因素為土體損失和施工荷載，土體損失主要來源于盾尾整合間隙，在小半徑轉(zhuǎn)彎區(qū)段還存在超挖間隙；影響較大的施工荷載有：正面附加推力、盾殼對土體的軸向摩擦力和盾尾的注漿壓力。

3、盾構(gòu)掘進偏航會將原本完整的一段隧道區(qū)間分隔為正常掘進段與異常掘進段，發(fā)生前后分隔的情況還有豎直俯仰。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種空間曲線盾構(gòu)豎直俯仰導(dǎo)致地層沉降的預(yù)測方法，對異常掘進段的盾構(gòu)機開挖面進行投影處理，并基于三維空間柱坐標變換，得到豎直俯仰情況下各類土體損失導(dǎo)致的土體沉降，實現(xiàn)了對空間曲線盾構(gòu)豎直俯仰導(dǎo)致地層沉降的預(yù)測，為實際隧道施工提供了參考。

2、本發(fā)明目的實現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成：

3、一種空間曲線盾構(gòu)豎直俯仰導(dǎo)致地層沉降的預(yù)測方法，涉及大型長距離大斷面盾構(gòu)隧道，所述預(yù)測方法包括以下步驟：

4、s1：建立空間直角坐標系，并根據(jù)盾構(gòu)機的掘進姿態(tài)構(gòu)建空間曲線盾構(gòu)隧道計算模型；

5、其中，所述空間直角坐標系中的坐標原點o、x軸和y軸均位于地表，而z軸豎直向下；

6、假定所述盾構(gòu)機位于地下h深度，始發(fā)于y軸負半軸部分，以曲率半徑q向右轉(zhuǎn)彎掘進，掘進距離轉(zhuǎn)化為繞z軸旋轉(zhuǎn)θ的角度；所述盾構(gòu)機掘進至xoz面，此時發(fā)生瞬時的豎直方向的俯仰，所述盾構(gòu)機從正常掘進段進入異常掘進段，將繞新旋轉(zhuǎn)軸l1以曲率半徑q向右轉(zhuǎn)彎掘進，掘進距離轉(zhuǎn)化為繞新旋轉(zhuǎn)軸l1旋轉(zhuǎn)θs的角度，新旋轉(zhuǎn)軸l1與z軸同處一平面但不平行，且均經(jīng)過(0，0，h)點，新旋轉(zhuǎn)軸l1與z軸之間形成有俯仰角β；所述盾構(gòu)機在異常掘進段前進了θs·q的距離結(jié)束；

7、s2：對異常掘進段的盾構(gòu)機開挖面進行投影處理，并確定盾構(gòu)機仰俯高度；

8、s3：基于三維空間柱坐標變換，可得豎直俯仰情況下各類土體損失導(dǎo)致的土體沉降為：

9、超挖間隙的計算公式為：

10、

11、盾尾整合間隙的計算公式為：

12、

13、式中，gt為盾尾整合間隙；ω為計算超挖層厚度，由理論超挖量ga乘以折減系數(shù)1/3得到，ga根據(jù)曲率半徑q與盾構(gòu)機開挖半徑r決定；l為盾構(gòu)機長度；q為曲率半徑變化值；sz為在彈性半無限體中點(x0,y0,z0)處的半徑為1的球形空隙引起的半空間中任意一點的豎向位移。

14、理論超挖量ga的計算公式為：

15、

16、式中，ltail＝2d，d為管片寬度。

17、基于三維鏡像理論以及三維空間積分方法，得到在彈性半無限體中點(x0,y0,z0)處的半徑為1的球形空隙引起的半空間中任意一點的豎向位移sz的計算公式為：

18、

19、其中：

20、

21、式中，s為x軸上的變量，t為y軸上的變量，b和c為積分上下限變量，μ為泊松比。

22、對異常掘進段的盾構(gòu)機開挖面進行投影處理方法如下：

23、將俯仰后的盾構(gòu)機開挖面向xoz平面投影，得到直角坐標方程式為：

24、

25、式中，r0為盾構(gòu)機開挖面的界面的半徑。

26、盾構(gòu)機仰俯高度的確定方法如下：

27、根據(jù)幾何關(guān)系，所述盾構(gòu)機在柱坐標中的前進距離與實際掘進距離有如下關(guān)系：

28、dpitch＝θs·q.cosβ；

29、柱坐標積分參數(shù)θ在異常掘進段的取值范圍為：θ∈[0,θs·cosβ]；

30、當盾構(gòu)機繞z軸轉(zhuǎn)動θ時，即盾構(gòu)機在異常掘進段前進θ·q時，盾構(gòu)機會俯仰-θ·q·sinβ的高度。

31、俯仰角β定義如下：

32、盾構(gòu)機開挖面沿x軸進行了一定角度的旋轉(zhuǎn)，該角度記為β；當z軸分量為負時，β為負值，z軸分量為正時，β為正值。

33、本發(fā)明的優(yōu)點是：對異常掘進段的盾構(gòu)機開挖面進行投影處理，并基于三維空間柱坐標變換，得到豎直俯仰情況下各類土體損失導(dǎo)致的土體沉降，實現(xiàn)了對空間曲線盾構(gòu)豎直俯仰導(dǎo)致地層沉降的預(yù)測，為實際隧道施工提供了參考。

技術(shù)特征：

1.一種空間曲線盾構(gòu)豎直俯仰導(dǎo)致地層沉降的預(yù)測方法，涉及大型長距離大斷面盾構(gòu)隧道，其特征在于所述預(yù)測方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間曲線盾構(gòu)豎直俯仰導(dǎo)致地層沉降的預(yù)測方法，其特征在于理論超挖量ga的計算公式為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間曲線盾構(gòu)豎直俯仰導(dǎo)致地層沉降的預(yù)測方法，其特征在于基于三維鏡像理論以及三維空間積分方法，得到在彈性半無限體中點(x0,y0,z0)處的半徑為1的球形空隙引起的半空間中任意一點的豎向位移sz的計算公式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間曲線盾構(gòu)豎直俯仰導(dǎo)致地層沉降的預(yù)測方法，其特征在于對異常掘進段的盾構(gòu)機開挖面進行投影處理方法如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間曲線盾構(gòu)豎直俯仰導(dǎo)致地層沉降的預(yù)測方法，其特征在于盾構(gòu)機仰俯高度的確定方法如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間曲線盾構(gòu)豎直俯仰導(dǎo)致地層沉降的預(yù)測方法，其特征在于俯仰角β定義如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種空間曲線盾構(gòu)豎直俯仰導(dǎo)致地層沉降的預(yù)測方法，預(yù)測方法包括以下步驟：S1：建立空間直角坐標系，并根據(jù)盾構(gòu)機的掘進姿態(tài)構(gòu)建空間曲線盾構(gòu)隧道計算模型；盾構(gòu)機從正常掘進段進入異常掘進段，將繞新旋轉(zhuǎn)軸l<subgt;1</subgt;以曲率半徑Q向右轉(zhuǎn)彎掘進，掘進距離轉(zhuǎn)化為繞新旋轉(zhuǎn)軸l<subgt;1</subgt;旋轉(zhuǎn)θ<subgt;s</subgt;的角度，新旋轉(zhuǎn)軸l<subgt;1</subgt;與z軸之間形成有俯仰角β；S2：對異常掘進段的盾構(gòu)機開挖面進行投影處理，并確定盾構(gòu)機仰俯高度；S3：基于三維空間柱坐標變換，可得豎直俯仰情況下各類土體損失導(dǎo)致的土體沉降。本發(fā)明的優(yōu)點為：實現(xiàn)了對空間曲線盾構(gòu)豎直俯仰導(dǎo)致地層沉降的預(yù)測，為實際隧道施工提供了參考。

技術(shù)研發(fā)人員：李少華,黃昌富,王鵬,杜修力,李文兵,李建旺,姚鐵軍,張明聚,李鵬飛,周建軍,李鳳遠,劉中欣,欒煥強,謝劍楠
受保護的技術(shù)使用者：中鐵十五局集團有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9