欠固結地層沉降引起的盾構隧道附加內力及變形確定方法技術

本發明專利技術屬于地下工程技術領域，具體涉及一種欠固結地層沉降引起的盾構隧道附加內力及變形確定方法，包括如下步驟：S1：確定隧道及其構件的設計參數、以及地質條件信息；S2：獲取欠固結地層隨時域變化的沉降值，確定隧道沉降函數，并計算隧道位置地層位移值；S3：依據隧道地層位移值，確定沉降突變段隧道結構附加荷載及其所在地層的抗力荷載；S4：基于隧道沉降函數、沉降突變段隧道結構附加荷載及其所在地層的抗力荷載、以及沿隧道豎直方向向外偏移的角度，確定欠固結地層長期沉降引起的隧道沉降突變段的附加內力以及盾構隧道結構的收斂變形；所述盾構隧道結構的收斂變形包括：豎向收斂變形和水平收斂變形。形和水平收斂變形。形和水平收斂變形。

【技術實現步驟摘要】
欠固結地層沉降引起的盾構隧道附加內力及變形確定方法


[0001]本專利技術屬于地下工程
，具體涉及一種欠固結地層沉降引起的盾構隧道附加內力及變形確定方法。

技術介紹

[0002]隨著我國城市軌道交通建設的高速發展，采用盾構法進行地鐵隧道、公路隧道、綜合管廊建設已成為一種常用手段。盾構法是指使用盾構機一邊控制開挖面及圍巖不發生坍塌失穩，一邊進行隧道掘進、出渣，并在機內逐環拼裝管片形成隧道襯砌的施工方法。然而隨著時間推移，欠固結地層會固接沉降，引發隧道管片產生較大的附加內力和變形，嚴重時會引起管片開裂、螺栓拉裂、隧道漏水等，進而影響隧道的安全和使用壽命。但現有的隧道結構設計均以正常地層作為基礎，并未考慮地層自身固接帶來附加內力和變形。因此，有必要提供欠固結地層固接因長期沉降引起的隧道結構附加內力及變形的確定方法。
[0003]經過對現有的技術文獻檢索發現，前文獻考慮地層固結對隧道的影響集中在隧道縱向變形。張勇等于2020發表在《隧道建設（中英文）》的《地面堆載誘發下既有盾構隧道縱向變形的解析解》中，將既有盾構隧道簡化為置于Pasternak地基上的Timoshenko梁，通過理論推導得到考慮盾構隧道剪切效應和地基剪切剛度的地面堆載誘發下盾構隧道縱向變形的解析解。然而上述研究僅針對縱向結構變形，實際結構設計中，考慮安全承載需求需要確定隧道橫向結構內力進行鋼筋混凝土管片進行截面設計，考慮正常使用狀態對橫向收斂變形進行驗算。因此，有必要綜合考慮地層固結蠕變過隧道結構附加內力和變形的確定方法，為欠固結地層盾構隧道的設計驗算提供依據。

技術實現思路

[0004]本專利技術在于提供一種欠固結地層沉降引起的盾構隧道附加內力及變形確定方法，用于準確確定欠固結地層因長期沉降引起的盾構隧道附加內力和變形，進而為欠固結地層隧道設計提供依據。
[0005]一種欠固結地層沉降引起的盾構隧道附加內力及變形確定方法，包括如下步驟：S1：確定隧道及其構件的設計參數、以及地質條件信息；S2：獲取欠固結地層隨時域變化的沉降值，確定隧道沉降函數，并計算隧道位置地層位移值；S3：依據隧道地層位移值，確定沉降突變段隧道結構附加荷載及其所在地層的抗力荷載；S4：基于隧道沉降函數、沉降突變段隧道結構附加荷載及其所在地層的抗力荷載、以及沿隧道豎直方向向外偏移的角度，確定欠固結地層長期沉降引起的隧道沉降突變段的附加內力以及盾構隧道結構的收斂變形；所述盾構隧道結構的收斂變形包括：豎向收斂變形和水平收斂變形。
[0006]通過確定隧道結構的設計信息和欠固結地層的地質信息，構建欠固結地層隨時域變化的沉降函數，并結合沉降突變段的隧道結構附加荷載和所在地層的抗力荷載，準確計算長期沉降下隧道沉降突變段的附加內力以及確定隧道結構的收斂變形，通過綜合性考量豎向收斂變形和水平收斂變形，為后續欠固結地層盾構隧道的設計驗算提供依據。
[0007]進一步的，所述S1中，隧道及其構件的設計參數是指：隧道埋深，隧道管片的內、外直徑，管片混凝土彈性模量、管片厚度；地質條件信息是指：土體彈性模量、地層抗力系數、土體粘滯系數、滲透系數、泊松比。
[0008]進一步的，所述S2中，隧道沉降函數的計算表達式為：；式中，為附加應力，即，
??
為隧道上方均布荷載，為下屬系數，即，為地面荷載寬度； 為附加應力是隧道上方均布荷載的10%處的埋深，為隧道頂部的埋深，作為沉降上限，兩者之間的埋深土層共劃分為N層，為埋深土層的第層土層，即，為每層埋深土層層厚，即；常取第一項，即；均為計算下屬系數，其中，，為滲透系數，為水重度；；，為粘滯系數，為彈性系數。
[0009]進一步的，所述S2中，隧道地層位移值包括：隧道頂部位置位移，其計算表達式為：；隧道底部位置位移，其計算表達式為：；式中， 為隧道底部層數編號，即，D為隧道外直徑。
[0010]進一步的，
所述S3中，欠固結地層沉降突變段隧道結構附加荷載的計算表達式為：；式中，為沿隧道豎直方向向外偏移的角度； 為地基彈性系數，滿足Biot公式，即，C為常系數，一般取1.1，為土體彈性模量，為泊松比，為管片混凝土彈性模量，為隧道慣性矩，即，取1，為管片厚度。
[0011]進一步的，所述S3中，欠固結地層沉降突變段隧道結構地層抗力荷載的計算表達式為：；式中，為地層抗力系數；為襯砌水平收斂初值。
[0012]進一步的，所述S4中，所述隧道沉降突變段的附加內力包括：隧道沉降突變段的附加彎矩 ，其計算表達式為： ；式中，；；隧道沉降突變段的附加剪力 ，其計算表達式為：；式中，；
；其中，；；式中，；；；式中， 為等效抗彎剛度，為第i個鉸接點相對豎向夾角，n為鉸接點個數；其中，的計算表達式為：；式中， ；；其中，的計算表達式為：；式中， ；
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。
[0013]進一步的，所述S4中，盾構隧道結構的豎向收斂變形，其計算表達式為：；式中，； ； ； 。
[0014]進一步的，所述S4中，盾構隧道結構的橫向收斂變形，其計算表達式為：；式中，；； ； 。
[0015]本專利技術的有益效果為：本專利技術通過確定隧道結構的設計信息和欠固結地層的地質信息，構建欠固結地層隨時域變化的沉降函數，并結合沉降突變段的隧道結構附加荷載和所在地層的抗力荷載，準確計算長期沉降下隧道沉降突變段的附加內力以及確定隧道結構的收斂變形，通過綜合性考量豎向收斂變形和水平收斂變形，為后續欠固結地層盾構隧道的設計驗算提供依據。本專利技術方法精確、實用，便于推廣，具有很大的應用價值。
附圖說明
[0016]圖1為本專利技術的流程示意圖；圖2為兩階段法計算模型示意圖；圖3為實施例2中隧道彎矩值示意圖；圖4為實施例2中隧道剪力值示意圖；圖5為實施例2中隧道收斂變形示意圖。
具體實施方式
[0017]下面將結合本專利技術實施例中的附圖，對本專利技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本專利技術一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本專利技術中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本專利技術保護的范圍。
[0018]需要說明的是，下述實施方案中實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法，試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得；在本專利技術的描述中，術語“橫向”、“縱向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本專利技術和簡化描述，并不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本專利技術的限制。
[0019]此外，術語“水平”、“豎直”、“懸垂”等術語并不表示要求部件絕對水平或懸垂，而是可以稍微傾斜。如“水平”僅僅是指其方向相對“豎直”而言更加水平，并不是表示該結構一定要完全水平，而是可以稍微傾斜。
[0020]在本申請的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種欠固結地層沉降引起的盾構隧道附加內力及變形確定方法，其特征在于，包括如下步驟：S1：確定隧道及其構件的設計參數、以及地質條件信息；S2：獲取欠固結地層隨時域變化的沉降值，確定隧道沉降函數，并計算隧道位置地層位移值；S3：依據隧道地層位移值，確定沉降突變段隧道結構附加荷載及其所在地層的抗力荷載；S4：基于隧道沉降函數、沉降突變段隧道結構附加荷載及其所在地層的抗力荷載、以及沿隧道豎直方向向外偏移的角度，確定欠固結地層長期沉降引起的隧道沉降突變段的附加內力以及盾構隧道結構的收斂變形；所述盾構隧道結構的收斂變形包括：豎向收斂變形和水平收斂變形。2.根據權利要求1所述的一種欠固結地層沉降引起的盾構隧道附加內力及變形確定方法，其特征在于，所述S1中，隧道及其構件的設計參數是指：隧道埋深，隧道管片的內、外直徑，管片混凝土彈性模量、管片厚度；地質條件信息是指：土體彈性模量、地層抗力系數、土體粘滯系數、滲透系數、泊松比。3.根據權利要求1所述的一種欠固結地層沉降引起的盾構隧道附加內力及變形確定方法，其特征在于，所述S2中，隧道沉降函數的計算表達式為： ；式中，為附加應力，即，
??
為隧道上方均布荷載，為下屬系數，即，為地面荷載寬度； 為附加應力是隧道上方均布荷載的10%處的埋深，為隧道頂部的埋深，作為沉降上限，兩者之間的埋深土層共劃分為N層，為埋深土層的第層土層，即，為每層埋深土層層厚，即；常取第一項，即；均為計算下屬系數，其中，，為滲透系數，為水重度；；
，為粘滯系數，為彈性系數。4.根據權利要求3所述的一種欠固結地層沉降引起的盾構隧道附加內力及變形確定方法，其特征在于，所述S2中，隧道地層位移值包括：隧道頂部位...

【專利技術屬性】
技術研發人員：唐耀明，吳懷娜，楊鑫歆，凡猛，陳仁朋，程紅戰，孟凡衍，許嘯鵬，馮東林，
申請(專利權)人：湖南大學，
類型：發明
國別省市：