一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法与流程

技术特征：
1.一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立组合拱模型，确定隧道顶部位置的地层变形g；步骤2，确定隧道上方摩擦拱高度h2，然后根据端承拱厚度与摩擦拱的关系确定相对应的端承拱效应；步骤3，确定端承拱初始应力、摩擦拱初始应力及隧道开挖完成后的地层应力；步骤4，根据步骤3确定端承拱回弹变形量、摩擦拱回弹变形量；步骤5，根据步骤4确定隧道中心线处的地层变形；步骤6，综合所预测的地层变形及周围既有结构变形控制标准，确定土拱松动区加固范围。2.根据权利要求1所述的一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法，其特征在于，所述步骤1中，隧道顶部位置的地层变形g的计算公式为：g=g
p
；其中，g
p
为盾构直径与衬砌直径差。3.根据权利要求1所述的一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法，其特征在于，所述步骤2中，隧道上方摩擦拱高度h2为：为：为：其中，η0为等效地层损失率，r为隧道半径，α为土体体积膨胀系数，β=45
°
φ/2，φ为土体内摩擦角，k1和b为无量纲系数。4.根据权利要求3所述的一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法，其特征在于，所述步骤2中，端承拱顶部在地表以下，端承拱厚度h1= 0.4b；根据端承拱厚度与摩擦拱的关系确定相对应的端承拱效应，其具体包括如下情况：当c
‑ꢀ
h2≤ 0时，c
1 = 0且h
1 = 0，此时不考虑端承拱效应；当0 < c
‑ꢀ
h2≤ 0.4b时, h
1 = c
ꢀ‑ꢀ
h2且c
1 = 0，此时部分考虑端承拱效应；当c
‑ꢀ
h2> 0.4b时, h
1 = 0.4b且 c
1 = c
ꢀ‑ꢀ
h2ꢀ‑ꢀ
0.4b，此时完全考虑端承拱效应；其中，c1为端承拱顶部距地表高度；b为摩擦拱宽度；h1为端承拱厚度；h2为摩擦拱高度，c为隧道顶部至地表距离。5.根据权利要求4所述的一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法，其特征在于，所述步骤3中，端承拱初始应力为：于，所述步骤3中，端承拱初始应力为：
其中，σ
r
为端承拱内土体径向应力，σ
θ
为端承拱内土体切向应力，k
p
为朗肯被动土压力系数，c1为端承拱顶部距地表高度，b为摩擦拱宽度，h1为端承拱厚度，r是极坐标值，γ为土体重度，φ为土体内摩擦角。6.根据权利要求5所述的一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法，其特征在于，所述步骤3中，摩擦拱初始应力包括摩擦拱顶部作用应力和摩擦拱平均竖向应力；所述摩擦拱顶部作用应力为：所述摩擦拱平均竖向应力为：其中，k
av
为平均侧向土压力系数，其公式为：其中，k
a
为朗肯主动土压力系数，θ0=π/4 φ/2，φ为土体内摩擦角，c1为端承拱顶部距地表高度，k
p
为朗肯被动土压力系数，b为摩擦拱宽度，h1为端承拱厚度；h2为摩擦拱高度，γ为土体重度。7.根据权利要求6所述的一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法，其特征在于，竖向土压力分布系数，其公式为：摩擦拱区域竖向土压力为：摩擦拱区域水平土压力为：卸载回弹模量为：其中，e
ur
为卸载回弹模量，为参考卸载回弹模量，σ'3为小主应力,所述小主应力由端承拱及摩擦拱区域应力计算公式计算得出，p
ref
为刚度参考应力；m为刚度应力水平相关幂指数，m
x
为竖向土压力分布系数，c为土体粘聚力。8.根据权利要求7所述的一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法，其特征在于，所述步骤4中，端承拱回弹变形量为：
其中，r
bi
及r
ti
分别为端承拱i层土的底部及顶部坐标值，为端承拱i层土的卸载回弹模量，为端承拱初始竖向应力，为端承拱初始水平应力，为隧道开挖后端承拱竖向应力，c1为端承拱顶部距地表高度，h1为端承拱厚度，b为摩擦拱宽度，μ为土体泊松比，为隧道开挖后端承拱内水平应力，k
p
为朗肯被动土压力系数，k0为静止土压力系数，γ为土体重度。9.根据权利要求8所述的一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法，其特征在于，所述步骤4中，所述摩擦拱回弹量为：于，所述步骤4中，所述摩擦拱回弹量为：于，所述步骤4中，所述摩擦拱回弹量为：于，所述步骤4中，所述摩擦拱回弹量为：
其中，z
bj
及z
tj
分别为摩擦拱j层土的底部及顶部坐标值，为摩擦拱j层土的卸载回弹模量，为摩擦拱初始竖向应力，为摩擦拱初始水平应力，为隧道开挖后摩擦拱竖向应力，为隧道开挖后摩擦拱水平应力,c1为端承拱顶部距地表高度，h1为端承拱厚度，b为摩擦拱宽度，φ为土体内摩擦角，k0为静止土压力系数，γ为土体重度，μ为土体泊松比，q1为摩擦拱顶部作用应力。10.根据权利要求9所述的一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：通过隧道顶部位置地层变形g减去任意位置至隧道顶部总的回弹变形量，得到任意点的地层变形u
z
；摩擦拱顶部地层变形量为：u
z2
=g
‑
u2端承拱顶部地层变形量为：u
z1
=g
‑
u1‑
u2其中，u2为摩擦拱回弹量，u1为端承拱回弹变形量。

技术总结
本发明涉及城市地下工程技术领域，具体涉及一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法。包括：确定隧道顶部位置的地层变形；确定隧道上方摩擦拱高度，然后根据端承拱厚度与摩擦拱的关系确定相对应的端承拱效应；确定端承拱、摩擦拱初始应力及隧道开挖完成后的地层应力；确定端承拱、摩擦拱回弹变形量；确定隧道中心线处的地层变形；综合所预测的地层变形及周围既有结构变形控制标准，确定加固范围。本发明基于组合拱模型将由于隧道开挖引起土拱效应导致的地层应力变化结合到地层变形计算的过程中，在进行盾构掘进地层变形评估预测中考虑了土拱效应的影响；并且对土拱进行处理防止地层产生过大变形，加固土拱松动区并防止土拱坍塌。坍塌。坍塌。


技术研发人员：孟凡衍 陈仁朋 宋旭 吴怀娜 程红战 刘源
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2021.10.14
技术公布日：2021/11/14