一种盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法及系统与流程

本发明专利涉及隧道工程，具体涉及盾构隧道穿越断层的支护压力确定方法及系统。

背景技术：

1、盾构具有施工速度快、性能高等优势，被广泛应用于各类地下工程建设。盾构施工过程中时常出现穿越断层破碎带的情况，维持开挖面稳定是盾构穿越断层破碎带安全施工的关键。

2、为保障开挖面稳定，盾构开挖过程中通常向开挖面施加泥水压力或土压力等支护压力保障掌子面力学平衡，对此，精确施加开挖面支护压力是保障掌子面稳定与施工安全的前提。但是断层破碎带存与常规地层差异性大、与隧道掘进轴线具有倾角等特征，导致盾构穿越断层破碎带时地层呈现非均质、各向异性的力学特征，从而加剧了断层破碎带地层盾构支护压力计算困难。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提出了一种盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法及系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法，包括以下步骤：

4、步骤1、获取隧道及地质相关参数；

5、步骤2、初度确定下部地层破裂角β2的初始值；

6、步骤3、根据下部地层破裂角β2、下层完整岩体内摩擦角φ2、上层断层土体的内摩擦角φ1，计算上部地层破裂角β1的初始值；

7、步骤4、计算楔形体上覆土体的竖向荷载以及土压力；

8、步骤5、计算楔形体的重力；

9、步骤6、计算楔形体各个部位垂直滑动面上的剪切力；

10、步骤7、计算开挖面支护压力；

11、步骤8、将步骤3中得到的上部地层破裂角β1的初始值+1°后，返回步骤4-7再次进行相应的计算，不断循环，直到满足β1大于89°；

12、步骤9、选取破裂角度1°-89°中最大支护压力为计算结果，即极限支护压力。

13、作为进一步的技术方案，所述的上部地层破裂角度β1的计算方法如下：

14、；

15、其中，φ1为上层断层的内摩擦角；φ2为下层完整岩的内摩擦角。

16、作为进一步的技术方案，楔形体上覆土体竖向荷载pv计算方法如下:

17、;

18、其中，b为隧道等效直径； σv0为土压力。

19、作为进一步的技术方案，楔形体上覆土体的土压力σv0计算方法如下：

20、

21、其中，l为棱柱体长度，计算表达式为：

22、

23、

24、

25、

26、其中：b为隧道等效直径； d为隧道开挖直径；γ1为上层断层土体重度 、 c1为上层断层土体粘聚力、φ1为上层断层土体内摩擦角；γ2为下层完整岩体重度 、c2为下层完整岩体粘聚力、φ2为下层完整岩体内摩擦角；k0为侧向土压力系数；q0为地表荷载 ；z为覆土厚度。

27、作为进一步的技术方案，在所述步骤5中，将楔形体从下至上分成五个楔块，分别是第一楔块、第二楔块、第三楔块、第四楔块；第一楔块与第二楔块的分界位置在β1=0的位置；第二楔块与第三楔块的分界位置为断层分界面，第三楔块与第四楔块的分界位置为断层分界面以上由破裂角转折线确定的倾斜分界面；然后分别计算四个楔块的重力。

28、作为进一步的技术方案，在所述步骤6中，计算楔形体各个部位垂直滑动面上的剪切力的方法是：根据步骤5中分解的楔块，依次计算四个楔块垂直滑动面上的剪切力。

29、作为进一步的技术方案，基于楔形体极限平衡，确定支护压力。

30、第二方面，本发明提供了一种盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算系统，包括以下步骤：

31、第一模块，用于获取隧道及地质相关参数；

32、第二模块，被配置为初度确定下部地层破裂角β2的初始值；

33、第三模块，被配置为根据下部地层破裂角β2、下层完整岩体内摩擦角φ2、上层断层土体的内摩擦角φ1，计算上部地层破裂角β1的初始值；

34、第四模块，被配置为计算楔形体上覆土体的竖向荷载以及土压力；；

35、第五模块、被配置计算楔形体的重力；

36、第六模块，被配置为计算楔形体各个部位垂直滑动面上的剪切力；

37、第七模块，被配置为计算开挖面支护压力；

38、第八模块，被配置为将上部地层破裂角β1的初始值+1°后，再次进行相应的计算，不断循环，直到满足β1大于89°；

39、第九模块，被配置为选取破裂角度1°~89°中最大支护压力为计算结果，即极限支护压力。

40、第三方面，本发明提供了一种电子设备，所述电子设备包括：处理器以及存储器；

41、所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

42、所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行所述的一种盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法的步骤。

43、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现所述的盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法方法。

44、第五方面，本发明还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，其中，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行所述的盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法方法。

45、本发明的有益效果如下:

46、本发明针对盾构穿越断层破碎带时，断层土体与完整岩体之间材料参数差异大、且断层与隧道掘进轴线存在倾角，导致开挖面前方失稳楔形体被断层分界面分割为上、下两部分、失稳破裂角不再唯一的问题，通过引入相关联流动法则，建立上部断层土体破裂角β1与下部完整岩体破裂角β2之间的对应关系，使失稳模型满足上、下两地层的变形协调条件，无需人为假定破裂角，计算依据充分、结果更为可靠。

47、本发明以断层分界面及破裂角控制线为界，将跨断层楔形体自下而上分解为材料参数单一、滑动面规则的四个楔块，分别计算各楔块的重力以及垂直滑动面、倾斜滑动面上的剪切力，并基于极限平衡原理求解开挖面支护压力，能够同时考虑断层倾角以及上、下两地层的强度差异对支护压力的影响，适用于水平断层与倾斜断层、盾构进入断层前及进入断层中的全过程工况。

48、本发明在1°～89°范围内对破裂角逐度扫描，并取对应支护压力中的最大值作为开挖面极限支护压力，其取值偏于安全，可避免因支护压力不足导致的开挖面坍塌，亦可避免因支护压力过大引起的地表隆起，能够为泥水盾构穿越断层破碎带时的泥水压力设定提供安全、可靠的理论依据。

49、本发明还提供相应的计算系统、电子设备、计算机可读存储介质及计算机程序产品，可将上述计算方法程序化、自动化执行，便于在盾构施工监控系统中实时调用，为施工现场泥水压力调控提供及时、准确的支撑。

1.一种盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法，其特征在于，所述的上部地层破裂角度β1的计算方法如下：

3.如权利要求1所述的盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法，其特征在于，楔形体上覆土体竖向荷载pv计算方法如下:

4.如权利要求1所述的盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法，其特征在于，楔形体上覆土体的土压力σv0计算方法如下：

5.如权利要求1所述的盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法，其特征在于，在所述步骤5中，将楔形体从下至上分成四个楔块，分别是第一楔块、第二楔块、第三楔块、第四楔块；第一楔块与第二楔块的分界位置在β1=0的位置；第二楔块与第三楔块的分界位置为断层分界面，第三楔块与第四楔块的分界位置为断层分界面以上由破裂角转折线确定的倾斜分界面；然后分别计算四个楔块的重力。

6.如权利要求1所述的盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法，其特征在于，在所述步骤6中，计算楔形体各个部位垂直滑动面上的剪切力的方法是：根据步骤5中分解的楔块，依次计算四个楔块垂直滑动面上的剪切力。

7.一种盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算系统，其特征在于，包括以下步骤：

8.一种电子设备，所述电子设备包括：处理器以及存储器；

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现权利要求1-6任一所述的盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法方法。

10.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，其中，其特征在于，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行权利要求1-6任一所述的盾构穿越断层开挖面极限支护压力计算方法方法。