一种软土地层盾构泥水劈裂破坏预判方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种软土地层盾构泥水劈裂破坏预判方法。


背景技术：

2.随着越来越多越江海隧道的建设，泥水盾构作为较适用于软土地层中开挖隧道的施工方法被广泛应用。泥水盾构通过泥水支护压力来平衡隧道开挖面的水土压力，营造稳定高效的隧道开挖环境，在施工中维持开挖面稳定最为关键。当盾构泥水支护压力过大时，开挖面前方地层会发生泥水劈裂被动破坏，发展至泥水劈裂破坏时会导致支护压力消散、开挖面失稳，甚至江水倒灌、隧道坍塌等严重事故，因此预测盾构泥水劈裂伸展状况，防止泥水劈裂破坏发生对泥水盾构施工安全极为关键。泥水劈裂破坏是由于盾构开挖面处起裂的泥水劈裂裂缝伸展至地表引发的，工程中这一过程受到地层参数、泥水支护压力、泥水参数和工程设计情况等多因素影响，且泥水劈裂伸展状况对是否会发生泥水劈裂破坏起决定性作用。目前急需一种预判软土地层泥水盾构泥水劈裂破坏的计算方法，对软土地层盾构泥水劈裂状况进行预测，以便合理评估泥水盾构隧道施工期间泥水劈裂发展程度和泥水劈裂破坏的风险，指导盾构掘进施工过程中采取有效的防控措施。


技术实现要素：

3.针对现有技术不能对软土地层盾构泥水劈裂状况进行预测，不能快速评估泥水盾构隧道施工期间泥水劈裂发展程度和泥水劈裂破坏的风险，在盾构掘进施工过程未能采取有效的防控措施的缺陷，本发明的实施例提供了一种软土地层盾构泥水劈裂破坏预判方法，可以全面、简便、高效的预判软土地层泥水盾构泥水劈裂破坏，适用于软土地层泥水盾构隧道工程。
4.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
5.一种软土地层盾构泥水劈裂破坏预判方法，根据裂缝最终扩展长度和伸展到地表时最大长度来判断是否发生劈裂破坏，具体包括以下步骤：
6.s1、根据工程设计和施工方案确定隧道参数、地层参数、泥水参数、泥水支护压力和预设的盾构掘进参数；
7.s2、计算在同时考虑拉伸破坏准则和剪切破坏组合判定准则情况下的盾构泥水劈裂启动压力；
8.s3、根据获得的相关参数以及所述盾构泥水劈裂启动压力建立盾构泥水劈裂伸展模型；
9.s4、基于所述盾构泥水劈裂伸展模型，计算盾构泥水劈裂裂缝的最终长度l
s
和伸展到地表的最大长度l
max
，当l
s
<l
max
时，预判盾构泥水劈裂破坏不会发生；当l
s
≥l
max
时，预判盾构泥水劈裂破坏具有发生的风险，并执行步骤s5
‑
s8；
10.s5、计算盾构泥水劈裂任意处的泥水压力和单位时间的泥水流量；
11.s6、基于所述泥水压力和泥水流量的计算结果建立盾构泥水劈裂裂缝随时间伸展长度的关系；
12.s7、根据所述盾构泥水劈裂裂缝随时间伸展长度的关系，通过简化的渐进算法来确定盾构泥水劈裂裂缝的伸展状况；
13.s8、计算盾构盾壳覆盖住劈裂裂纹裂口的时间，并根据计算获得的盾构泥水劈裂裂缝伸展状况预测数据，判断在所述盾构盾壳覆盖住劈裂裂纹裂口的时间内，盾构泥水劈裂裂缝能否伸展到地表，预测盾构泥水劈裂引起泥水劈裂破坏的风险。
14.优选地，所述s1包括：
15.根据软土地层盾构隧道设计与施工方案，确定盾构直径d，隧道覆土厚度h；在隧道沿线获取隧道上覆地层土样，对土样进行重度试验、内摩擦角、粘聚力、抗拉强度和静止侧压力系数试验，以确定施工现场内土的重度γ，内摩擦角粘聚力c，抗拉强度σ
t
，静止侧压力系数k0；同时测量所采用盾构泥水的粘度、密度和屈服应力，以确定盾构施工所用泥水的泥水粘度μ，泥水重度γ
m
，屈服应力τ；制定的盾构掘进方案中，确定对应预设的泥水支护压力p0；盾构的掘进速度v
d
。
16.优选地，所述s2包括：
17.泥水劈裂启动压力p
c
的计算公式为：
18.p
c
＝min(p
t
,p
s
)
19.式中：p
t
是由拉伸破坏模式确定的劈裂启动压力；p
s
是由剪切破坏模式确定的劈裂启动压力；
20.拉伸破坏模式下的劈裂启动压力p
t
的计算公式为：
21.p
t
＝(1 k0)γh 2cos2θ(1
‑
k0)γh σ
t
22.式中：k0是地层的静止侧压力系数；γ是地层的重度；h是隧道覆土厚度；σ
t
是抗拉强度；θ是裂缝和隧道轴线之间夹角；
23.剪切破坏模式下的劈裂启动压力p
s
的计算公式为：
[0024][0025]
式中：k0是地层的静止侧压力系数；γ是地层的重度；h是隧道覆土厚度；σ
t
是抗拉强度；是内摩擦角；c是粘聚力；
[0026]
通过以上公式可推出：
[0027][0028]
优选地，所述地层的静止侧压力系数k0<1。
[0029]
优选地，所述s3包括：
[0030]
将劈裂裂缝假定为朝向地面伸展的平面，并将泥水劈裂路径假定为椭圆形，椭圆的短轴是隧道直径，长轴取决于裂缝的伸展长度，裂缝和隧道轴线之间夹角为θ，裂缝的厚度为d。
[0031]
优选地，所述s4包括：
[0032]
计算盾构泥水劈裂裂缝的最终长度l
s
，计算公式为：
[0033][0034]
式中：g是泥浆的停滞梯度；
[0035]
所述泥浆的停滞梯度g的计算公式为：
[0036][0037]
式中：α是经验系数，取决于裂缝的类型，α＝2时平面型裂缝，α＝4时管状型裂缝；
[0038]
盾构泥水劈裂劈裂裂缝的伸展到地表的最大长度l
max
的计算公式为：
[0039][0040]
优选地，所述s5包括：
[0041]
计算盾构泥水劈裂任意坐标x处的泥水压力p，计算公式为：
[0042][0043][0044]
式中：l是当前时间t对应的劈裂裂缝长度；
[0045]
计算单位时间的泥水流量q，计算公式为：
[0046][0047]
式中：w(x)任意坐标x处的是裂缝宽度；
[0048]
所述裂缝宽度w(x)的计算公式为：
[0049][0050]
式中：d是盾构直径。
[0051]
优选地，所述s6包括：
[0052]
建立盾构泥水劈裂裂缝随时间伸展长度的关系为：
[0053][0054]
优选地，所述s7包括：
[0055]
将劈裂路径分为n个等长单元，在每个单元内，影响盾构泥水劈裂裂缝伸展的因素被认为在当前时间步下是恒定的，其中，t
n
表示裂缝伸展从开始到结束所需的总时长，l
n
表示裂缝伸展的最终长度，实现方法如下：
[0056]
(1)根据步骤s4计算获得劈裂裂缝的最终长度l
s
；
[0057]
(2)假定裂缝延伸到长度l
i
，则当前时间步处的泥浆压力分布的计算公式为：
[0058]
[0059][0060]
其中：l
i
‑1是第(i
‑
1)个单元当前时间步的裂缝长度，i＝1,2，
……
n；
[0061]
p
i
是第i个单元当前时间步的泥水压力；
[0062]
p
ci
是第i个单元当前时间步所需的裂缝起始压力；
[0063]
(3)当前时间步隧道开挖面附近区域的压力梯度表示为：
[0064][0065]
其中：p
i
(δl)是x＝δl处的泥水压力；δl是裂缝单元的长度；
[0066]
(4)当前时间步每单位时间内的流量的计算公式为：
[0067][0068]
(5)浆液从l
i
流动到l
i 1
所需的时间δt
i
的计算公式为：
[0069][0070][0071]
式中，w
i
表示裂缝扩展到第i个单元时的缝宽；
[0072]
(6)下一步的长度和时间可以通过下式迭代获得，裂缝扩展将一直持续到l＝l
s
，
[0073]
l
i 1
＝l
i
δl
[0074]
t
i 1
＝t
i
δt
i
[0075]
式中，t
i
表示裂缝扩展到第i个单元的时刻；
[0076]
采用该算法进行迭代计算，可获得盾构泥水劈裂裂缝伸展状况的预测数据(t
n
,l
n
)。
[0077]
优选地，所述s8包括：
[0078]
(1)盾构盾壳覆盖住劈裂裂纹裂口的时间t
d
的计算公式为：
[0079][0080]
(2)根据步骤s7计算获得的盾构泥水劈裂裂缝伸展状况预测数据，当t
n
＝t
d
时，对比l
n
与l
max
的大小，当l
n
小于l
max
时，预测不会发生盾构泥水劈裂破坏；当l
n
大于l
max
时，预测会发生盾构泥水劈裂破坏。
[0081]
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种软土地层盾构泥水劈裂破坏预判方法，具有如下的有益效果：
[0082]
1、本发明采用拉伸破坏和剪切破坏联合准则确定劈裂启动压力，建立盾构泥水劈裂伸展模型，采用简化的渐进算法迭代计算劈裂伸展长度，可计算不同工况下盾构泥水劈裂伸展状况，能够预测泥水劈裂破坏事故发生风险，对软土地层泥水盾构隧道安全施工提供理论指导。
[0083]
2、本发明适用于软土地层，计算所得盾构泥水劈裂伸展状况预测数据可指导泥水支护压力的设定和盾构泥水参数的调节，使盾构泥水支护压力设定更加精准，使泥水劈裂破坏引起的施工安全事故得到有效防控，保障越江海软土泥水盾构隧道施工安全。
[0084]
3、本发明基于软土地层中不同地层参数、泥水支护压力和泥水参数下盾构泥水劈裂伸展状况，再结合实际工程设计中的盾构直径、覆土厚度等工况整体分析演算出盾构泥水劈裂的伸展状况，进而预判是否会发生泥水劈裂破坏，该方法简单、实用，便于推广。
[0085]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0086]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0087]
图1为本发明实施例提供的一种软土地层盾构泥水劈裂破坏预判方法流程图；
[0088]
图2为本发明实施例提供的盾构掘进过程中泥水劈裂裂缝形状的截面侧视图；
[0089]
图3为本发明实施例提供的盾构掘进过程中泥水劈裂裂缝形状的截面俯视图；
[0090]
图4为本发明实施例提供的盾构掘进过程中泥水劈裂裂缝尖端的驱动压力和裂缝扩展示意图。
具体实施方式
[0091]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0092]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0093]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0094]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0095]
本发明实施例提供了一种软土地层盾构泥水劈裂破坏预判方法，如图1所示，包括如下的步骤：
[0096]
步骤一、根据越江海软土泥水盾构隧道设计与施工方案，确定盾构直径d＝15m，水面到隧道覆土顶面的距离h＝15m。
[0097]
在隧道沿线获取隧道上覆地层土样，对土样进行重度试验、内摩擦角和粘聚力试验，确定定施工现场内土的重度γ＝18.7kn/m3、内摩擦角粘聚力c＝30.0kpa、抗拉强度σ
t
＝5.6kpa、静止侧压力系数k0＝0.65。
[0098]
盾构施工所用泥水的泥水粘度μ＝25s、泥水重度γ
m
＝12kn/m3，屈服应力τ＝5pa；对应设定的泥水支护压力p0＝400kpa；盾构的掘进速度v
d
＝0.3m/h。
[0099]
进一步地，获取隧道上覆地层土样采用钻孔取土的方法，取土量满足制作不少于三个的三轴试验仪试件。
[0100]
进一步地，获取隧道上覆地层土样的抗压强度采用径向压裂法测量。
[0101]
步骤二、计算在同时考虑拉伸破坏准则和剪切破坏组合判定准则情况下的盾构泥水劈裂启动压力p
c
为：
[0102][0103]
步骤三、建立盾构泥水劈裂伸展模型，如图2
‑
4所示。
[0104]
当所在地层的静止侧压力系数k0＝0.65时，k0<1，θ＝90
°
，裂缝厚度d取值5mm。
[0105]
步骤四、1)计算盾构泥水劈裂裂缝的最终长度l
s
为：
[0106][0107][0108]
式中：α是经验系数，取决于裂缝的类型(本实施例中为平面型裂缝，α取2)，d为裂缝厚度。
[0109]
2)计算盾构泥水劈裂裂缝的伸展到地表的最大长度l
max
为：
[0110][0111]
则有：当l
s
>l
max
时，预判盾构泥水劈裂破坏具有发生的风险，需进行下一步计算。
[0112]
步骤五、1)计算盾构泥水劈裂任意坐标x处的泥水压力p为：
[0113][0114][0115]
2)计算单位时间的泥水流量q为：
[0116][0117]
第六步、将步骤五所得结果带入建立劈裂裂缝随时间伸展长度的关系：
[0118]
步骤七、考虑影响盾构泥水劈裂裂缝伸展的因素包括流动路径、压力梯度、裂缝起始压力和流动阻力等，采用简化的渐进算法描述盾构泥水劈裂的伸展过程，进行迭代计算可获得盾构泥水劈裂裂缝伸展状况的预测数据表(t
n
,l
n
)。如附图4所示，劈裂路径被分为一系列足够小的等长单元。在每个小单元内，影响因素被认为在当前时间步下是恒定的。
[0119][0120]
步骤八、计算盾构盾壳覆盖住劈裂裂纹裂口的时间t
d
为：
[0121][0122]
根据计算获得的盾构泥水劈裂裂缝伸展状况预测数据数据表，当t
n
＝t
d
＝600s时，l
n
＝3.7m且有l
max
＝15m，则l
n
小于l
max
，预测按该施工方案掘进不会发生盾构泥水劈裂破坏，但仍需注意施工过程中不能长时间停机，停机时间过长依然有泥水劈裂破坏风险。
[0123]
综上所述，本发明提供的一种软土地层盾构泥水劈裂破坏预判方法对软土地层泥水盾构掘进过程中泥水劈裂伸展破坏过程进行了描述，计算预测了软土地层盾构泥水劈裂的伸展状况和发生泥水劈裂破坏的风险，为泥水盾构隧道安全施工提供参考。
[0124]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0125]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。