一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法

1.本发明涉及隧道施工技术领域，特别是涉及一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法、设备及计算机存储介质。


背景技术：

2.随着许多学者通过理论分析、数值试验等方法研究了矩形顶管掌子面稳定性问题。在此基础上引入大纵坡条件，理论方面研究方法有极限平衡法，雷明锋等基于筒仓理论，采用极限平衡分析，引入线路坡度角，建立了迎坡施工条件下盾构隧道开挖面极限支护力的计算模型；梁禹等同样采用极限平衡法，将支护力求解以变分学观点来描述，并考虑隧道纵坡坡度及超孔隙水压力对极限支护力的影响，对隧道极限支护力计算公式提出了修正。周峻等采用极限分析上限法建立土体破坏模型，推导上坡条件下的开挖面极限支护压力理论公式；huang等研究了一种基于连续速度场(cvf)的考虑纵向倾斜隧道角度和各向异性纯粘性土的隧道掌子面稳定性分析方法，提出了一种改进的加压盾构驱动纵向倾斜隧道三维cvf模型；liu等采用边坡法对不同施工线边坡下的隧道工作面极限支护压力进行了分析研究了内摩擦角、土的黏结力、界面摩擦角、覆盖层厚度和隧道施工线坡度对极限支护压力的影响。
3.矩形隧道掘进机因其断面利用率高，施工扰动小等优点，被越来越多地应用于大断面隧道工程中。掘进面稳定。掘进面稳定性是隧道工程施工中重点关注的问题，掘进面失稳会对地下工程及周边环境带来非常不利的影响。矩形断面掘进机的刀盘布置通常为平行多轴小刀盘或偏心多轴大小组合刀盘，具有开口率较大的特点，因此中等体积抛石、圆砾石、钢板和钢管碎片容易通过辐条空隙进入土仓。而螺旋出土器的孔径有限，容易造成出土不畅，导致支护压力波动大，需要开仓清障才能继续进行掘进。实际工程中部分设置了人仓的掘进机可以通过人工进仓来清除障碍，有极大的安全隐患；而对于未设置人仓的掘进机，则可以通过螺旋输送机来进行清障，达到开仓效果。
4.支护压力计算是隧道安全分析中的重要部分，现有的楔形体模型是在平坡条件下矩形顶管开挖面稳定性展开研究，没有考虑土仓土体自重在大纵坡条件下对支护压力的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法、设备及计算机存储介质，以解决现有技术中没有考虑土仓土体自重在大纵坡条件下对支护压力的影响。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法，包括：
7.建立大纵坡矩形隧道模型，所述大纵坡矩形隧道模型包括下部模型和上部模型，所述下部模型为楔形体和所述楔形体正前方的土仓土体，对应隧道工作面前方土体区域，
上部模型对应为下部模型土体区域的上覆土体；
8.获取所述楔形体体积及与地面夹角，计算得所述楔形体自重g1；
9.获取所述上部模型体积与周向面积，基于土拱效应计算得所述上部模型的竖向应力σv；
10.利用所述竖向应力σv与所述楔形体上表面积计算得楔形体所受竖向力pv；
11.利用所述楔形体自重g1、所述竖向力pv、楔形体滑动面摩擦力t1和楔形体侧面摩擦力t2，建立楔形体极限平衡方程，得到土仓土体对掌子面作用力p
t1
；
12.基于土仓土体自重，利用所述土仓土体对掌子面作用力p
t1
建立土仓土体极限平衡方程，得到支护压力p
t2
。
13.优选地，所述获取所述楔形体体积及与地面夹角，计算得所述楔形体自重g1，所述楔形体自重计算公式为：
[0014][0015]
其中，γ为土体重度，l为顶管宽度，d为顶管高度，α为坡度角，θ为破坏倾角，s
δafg
为所述楔形体侧面积。
[0016]
优选地，所述获取所述上部模型体积与周向面积，基于土拱效应计算得所述上部模型的竖向应力σv，所述上部模型的竖向应力σv计算公式为：
[0017]
σv＝κ(γr-c
′
)
[0018]
其中，γ为土体重度，c
′
为土体粘聚力，为土体内摩擦角，k0为土体侧压力系数，r为土柱体积与其周向面积的比值
[0019]
优选地，所述利用所述竖向应力σv与所述楔形体上表面积计算得楔形体所受竖向力pv，所述楔形体所受竖向力pv计算公式为：
[0020]
pv＝σvs
δefgh
＝σvdl(sinα cosαcotθ)
[0021]
其中，s
δefgh
为所述上部模型的底面积。
[0022]
优选地，所述楔形体滑动面摩擦力t1和所述楔形体侧面摩擦力t2计算公式为：
[0023]
楔形体倾斜滑动面应力均匀分布，土体满足m-c破坏准则，
[0024][0025]
其中，n1为滑移面所受法向压力；
[0026]
楔形体侧向滑动面的竖向应力随深度呈线性增加，
[0027][0028]
其中，为土体侧压力系数，楔形体侧向滑动面竖向应力
[0029]
优选地，所述利用所述楔形体自重g1、所述竖向力pv、楔形体滑动面摩擦力t1和楔形体侧面摩擦力t2，建立楔形体极限平衡方程，得到土仓土体对掌子面作用力p
t1
，所述作用
力p
t1
计算公式为：
[0030][0031]
其中，θ为破坏倾角，α为坡度角。
[0032]
优选地，所述基于土仓土体自重，利用所述土仓土体对掌子面作用力p
t1
建立土仓土体极限平衡方程，得到支护压力p
t2
，所述支护压力p
t2
计算公式为：
[0033][0034]
其中，d为土仓土体厚度。
[0035]
优选地，利用所述支护压力p
t2
得均布支护压力s，所述均布支护压力s无量纲表达式为：
[0036][0037]
其中，n
γ
为重度对极限支护压力影响系数，nc为粘聚力对极限支护压力影响系数。
[0038]
本发明还提供一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的设备，包括：
[0039]
数据采集器，用于采集隧道数据；
[0040]
存储器，用于存储计算机程序；
[0041]
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任一项所述一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力方法的步骤。
[0042]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法。
[0043]
本发明所提供的一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法，通过建立大纵坡矩形隧道模型，针对工程建设中所遇到的大纵坡条件下矩形隧道掘进，提供了特有情况下计算极限支护压力和评价隧道开挖面稳定性的方法，有效规避工程风险，达到预期规划要求。
附图说明
[0044]
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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。
[0045]
图1为本发明所提供的一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力方法的第一种具体实施例的流程图；
[0046]
图2为楔形体受力分析图；
[0047]
图3为楔形体平面受力分析图；
[0048]
图4为土仓土体受力分析图；
[0049]
图5为重度对极限支护压力影响系数图；
[0050]
图6为粘聚力对极限支护压力影响系数图；
[0051]
图7为无粘性土极限支护压力对比图；
[0052]
图8为粘性土极限支护压力对比图；
[0053]
图9为φ'对极限支护压力的影响图；
[0054]
图10为顶管宽度比对极限支护压力的影响图；
[0055]
图11为坡度角对极限支护压力影响图。
具体实施方式
[0056]
本发明的核心是提供一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法、设备及计算机存储介质，通过建立大纵坡矩形隧道模型，对土仓土体自重影响下的支护压力进行计算，提供了特有情况下计算极限支护压力和评价隧道开挖面稳定性的方法，有效规避工程风险，达到预期规划要求。
[0057]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0058]
请参考图1，图1为本发明所提供的一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力方法的第一种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
[0059]
如图2所示，建立大纵坡矩形隧道模型，所述大纵坡矩形隧道模型包括下部模型和上部模型，所述下部模型为楔形体和所述楔形体正前方的土仓土体，对应隧道工作面前方土体区域，上部模型对应为下部模型土体区域的上覆土体；
[0060]
步骤s101：获取所述楔形体体积及与地面夹角，计算得所述楔形体自重g1；
[0061]
如图3所示，
[0062][0063]
其中，γ为土体重度，l为顶管宽度，d为顶管高度，α为坡度角，θ为破坏倾角，s
δafg
为所述楔形体侧面积。
[0064]
步骤s102：获取所述上部模型体积与周向面积，基于土拱效应计算得所述上部模型的竖向应力σv；
[0065]
σv＝κ(γr-c
′
)
[0066]
其中，γ为土体重度，c
′
为土体粘聚力，为土体内摩擦角，k0为土体侧压力系数，r为土柱体积与其周向面积的比值
[0067]
步骤s103：利用所述竖向应力σv与所述楔形体上表面积计算得楔形体所受竖向力pv；
[0068]
pv＝σvs
δefgh
＝σvdl(sinα cosαcotθ)
[0069]
其中，s
δefgh
为所述上部模型的底面积。
[0070]
步骤s104：利用所述楔形体自重g1、所述竖向力pv、楔形体滑动面摩擦力t1和楔形体侧面摩擦力t2，建立楔形体极限平衡方程，得到土仓土体对掌子面作用力p
t1
；
[0071][0072]
其中，θ为破坏倾角，α为坡度角。
[0073]
步骤s105：基于土仓土体自重，利用所述土仓土体对掌子面作用力p
t1
建立土仓土体极限平衡方程，得到支护压力p
t2
；
[0074]
如图4所示，
[0075][0076]
其中，d为土仓土体厚度；
[0077]
均布支护压力s无量纲表达式为：
[0078][0079]
其中，n
γ
为重度对极限支护压力影响系数，nc为粘聚力对极限支护压力影响系数；
[0080][0081][0082]
其中，ξ＝sinα cosαcotθ，ψ＝cos2α(tanα cosθ)，
[0083]
本实施例提供的一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法，针对大纵坡条件下矩形顶管开挖面稳定性问题，在传统筒仓模型基础上，引入线路坡度角，建立了迎坡条件下矩形顶管开挖面失稳模型，并基于极限平衡理论推导了支护压力表达式，提供了特有情况下计算极限支护压力和评价隧道开挖面稳定性的方法，有效规避工程风险，达到预期规划要求。
[0084]
基于上述实施例，本实施例通过具体数据计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力，具体如下：
[0085]
为对大纵坡矩形顶管掘进面极限支护压力影响系数进行参数分析，统一计算参数为：
[0086]
γ'＝9.8kn/m3，d＝6m，d＝0.5m，c'/γ'd＝0、0.01，φ
′
＝15
°
～45
°
，l/d＝1.0～2.0，c/d＝1.0～2.0，α＝1％～10％；
[0087]
如图5所示，其他参数不变条件下，土体重度对极限支护压力影响系数nγ随有效摩擦角φ'增加呈非线性减小。l/d＝2.0，α＝3％，φ
′
＝45
°
条件下，nγ值为0.15，近似接近于0。不同坡度角α条件下，可以明显看出nγ随φ'变化曲线近似等间距分布，表明α对极限支护压力的影响为近似线性。
[0088]
如图6所示，φ'对nc的影响与nγ类似，皆为非线性减小，但不同α条件下的nc变化曲线几乎重合，这主要由于α主要影响顶管上覆地层埋深及土压力的大小，与黏聚力关系不大。
[0089]
如图7、图8所示，无黏性土(c'/γ'd＝0)中，本文解随φ'增加而非线性减小，这主要由于土体抗剪强度随φ'增加而提高，土体自稳能力增强。以α＝6％为例，φ'由15
°
增加至45
°
导致极限支护压力降低约76.1％。与传统筒仓模型对比发现，由于同时考虑了坡度角及土仓土体对开挖面的支撑作用，本文解偏保守。进一步观察可知，坡度角等间距变化引起的极限支护压力曲线也近似为等间距分布，表明坡度角α对极限支护压力的影响近似为线性，对比图7、图8可知，对于黏性土(c'/γ'd》0)，极限支护压力随φ'的变化规律与无黏性土类似，但变化不明显，表明c'对极限支护压力的影响小于φ'。
[0090]
采用有限差分软件flac3d建立大纵坡矩形顶管掘进面稳定性数值模型，通过极限支护压力及破坏模式的对比验证理论模型的合理性。三维数值模型采用对称建模，考虑模型边界效应，模型尺寸为：x:-2.5l～0m，y:0～40m，z:-2.0d～2.0d。土体采用实体单元模拟，赋予mohr-coulomb本构。模型竖向边界约束水平位移，底边界约束水平和竖向两个方向自由度。l/d＝2.0、d＝6m时，模型共有4250个单元，4456个节点。计算参数如表1所示，其中γ'为土体重度，e为土体弹性模量，υ为土体泊松比，c'为土体有效黏聚力，φ'为土体有效摩擦角。
[0091]
表1模拟参数表
[0092][0093]
采用数值计算流程为：(1)初始地应力平衡；(2)开挖至20m处，固定掘进面后方节点位移，并施加与掘进面中心a点的水平静止土压力相等的支护压力，力的方向与掘进面垂直且沿y正方向；(3)按一定速率减小支护力，记录不同支护压力水平下的a点水平位移。采用位移控制法作为掘进面破坏模式判别依据，即将因支护压力微小变化而引起掘进面中心点水平位移突变时的支护压力作为极限支护压力。
[0094]
由表2可知，φ'＝20
°
时，α由5％增加至10％，破坏倾角由51.0
°
增加至52.5
°
。对比发现，理论解与数值模拟破坏模式整体吻合较好，尤其对隧道底部滑移面的预测效果较好，φ'＝30
°
、α＝10％条件下，两者预测的破坏倾角仅差1.6
°
。随着土体抗剪强度不断提高，数值破坏区域逐渐缩小，尤其在高摩擦性土体中(φ'＝40
°
)，隧道底部滑移破坏面的倾斜程度已十分明显。
[0095]
表2数值解与理论解破坏角对比
[0096][0097]
如图9所示，随着土体抗剪强度提高，数值解极限支护压力呈非线性减小。与数值解对比发现，由于考虑了土仓土体重力对掘进面稳定性的影响，本文解计算结果偏保守，极限支护压力预测值整体大于数值解。以α＝6％为例，两者相差约9.1％，且差距随增加而逐渐减小。
[0098]
如图10所示，顶管宽高比l/d的增加使得极限支护压力水平有所提高，且相对关系表现为非线性，主要原因在于顶管宽、高的变化影响了上覆地层土压力、失稳土体自重及滑移面摩阻力。同样以α＝6％为例，l/d扩大1倍导致极限支护压力增加约20.9％。与数值解的对比发现，理论解仍大于数值解，但两者差距随l/d的增加有所减小，即在大断面矩形顶管中理论解与数值解更接近。
[0099]
如图11所示，顶管迎坡掘进时，理论解随坡度角α增加而线性增大，有效摩擦角对变化曲线的斜率影响不大。数值解极限支护压力随坡度角α的变化规律仍为线性，且变化曲线几乎与理论解平行，表明两者对α变化的敏感度相似，验证了理论解对大纵坡矩形顶管掘进面失稳预具有较好的适应性。
[0100]
本实施例提供的一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法，采用具体数据进行计算分析，并与数值模拟及现场实测进行对比，随着顶管环数增加，上部覆土厚度不断减小，静止土压力与主动土压力呈线性减小趋势，严格控制土仓压力，有效规避工程风险，针对工程建设中所遇到的大纵坡条件下矩形隧道掘进，提供了特有情况下计算极限支护压力和评价隧道开挖面稳定性的方法，达到预期规划要求。
[0101]
本发明具体实施例还提供一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的设备，包括：
[0102]
数据采集器，用于采集隧道数据；
[0103]
存储器，用于存储计算机程序；
[0104]
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述所述一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力方法的步骤。
[0105]
本发明具体实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法的步骤。
[0106]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装
置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0107]
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0108]
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
[0109]
以上对本发明所提供的一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法以及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。