本發(fā)明屬于隧道工程，具體涉及一種盾殼軸向摩擦力引起的土體豎向變形預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、盾構(gòu)施工具有對城市地面交通干擾小、施工周期短、適應(yīng)復(fù)雜多變的地下環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。是目前城市隧道的首選施工方法。隨著地下空間的不斷開發(fā)和對隧道選型要求的進(jìn)一步提高，越來越多的空間弧形盾構(gòu)隧道被設(shè)計和施工。空間線盾構(gòu)隧道的施工難度較大，對地面的影響也較為復(fù)雜。為了保證盾構(gòu)機(jī)按照預(yù)定的空間軸線進(jìn)行掘進(jìn)，對盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制要求也比較高。這些都是空間線盾構(gòu)施工中的主要問題。

2、盾構(gòu)施工過程中會對土體沉降產(chǎn)生影響的主要因素為土體損失和施工荷載，土體損失主要來源于盾尾整合間隙，在小半徑轉(zhuǎn)彎區(qū)段還存在超挖間隙；影響較大的施工荷載有：正面附加推力、盾殼對土體的軸向摩擦力和盾尾的注漿壓力。

3、針對盾殼對土體的軸向摩擦力，需要一種盾殼軸向摩擦力引起的土體豎向變形預(yù)測方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種盾殼軸向摩擦力引起的土體豎向變形預(yù)測方法，通過分析水平偏航、豎直俯仰和曲率半徑改變對異常掘進(jìn)段的終止面的影響，進(jìn)而得到盾殼軸向摩擦力各分力作用在盾殼后土體上導(dǎo)致的豎向土體損失，實(shí)現(xiàn)了對盾殼軸向摩擦力引起的土體豎向變形的預(yù)測，為實(shí)際隧道施工提供了參考。

2、本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成：

3、一種盾殼軸向摩擦力引起的土體豎向變形預(yù)測方法，所述預(yù)測方法包括以下步驟：

4、s1：建立空間直角坐標(biāo)系，并根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)構(gòu)建空間曲線盾構(gòu)隧道計算模型；

5、其中，所述空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)原點(diǎn)o、x軸和y軸均位于地表，而z軸豎直向下；

6、假定所述盾構(gòu)機(jī)位于地下h深度，始發(fā)于y軸負(fù)半軸部分，以曲率半徑q向右轉(zhuǎn)彎掘進(jìn)；所述盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至xoz面，此時發(fā)生水平偏航、豎直俯仰和曲率半徑改變，所述盾構(gòu)機(jī)從正常掘進(jìn)段進(jìn)入異常掘進(jìn)段；

7、s2：假定所述盾構(gòu)機(jī)發(fā)生了角度為β的俯仰，獲得盾殼與土體接觸面的空間參數(shù)方程；

8、其中，盾殼與土體接觸面的空間參數(shù)方程為：

9、

10、式中，r為盾構(gòu)機(jī)半徑；

11、為盾構(gòu)機(jī)的盾殼上任一點(diǎn)與盾構(gòu)機(jī)中心軸線的垂直連線同x軸之間的夾角；

12、φ為盾構(gòu)機(jī)在隧道中所屬的角度區(qū)間，其取值為：

13、φ∈[θs-α-θl,θs-α]；

14、其中，盾構(gòu)機(jī)所占長度轉(zhuǎn)化為角度θl為：l為所述盾構(gòu)機(jī)長度，qyaw為所述盾構(gòu)機(jī)在異常掘進(jìn)段掘進(jìn)過程中的曲率半徑；α為所述盾構(gòu)機(jī)的偏航角；θs為所述盾構(gòu)機(jī)在異常掘進(jìn)段掘進(jìn)過程中的轉(zhuǎn)動角度；

15、s3：計算盾殼軸向摩擦力f2、開挖面方向向量和盾尾后出口所在平面方向向量分別將盾殼軸向摩擦力f2對根據(jù)盾首方向向量與盾尾方向向量進(jìn)行分解，得到盾殼軸向摩擦力f2各分力作用在盾殼后土體上導(dǎo)致的豎向土體損失wat；

16、其中，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，盾殼軸向摩擦力應(yīng)考慮盾構(gòu)挖掘土體導(dǎo)致的土體界面軟化效應(yīng)，實(shí)際f2計算公式為：

17、

18、式中，βs表示土體軟化系數(shù)；表示作用在盾殼上的徑向正應(yīng)力；δ為盾殼與土體界面摩擦角；

19、計算可得開挖面方向向量為：

20、

21、計算可得盾尾后出口所在平面方向向量為：

22、

23、分別將盾殼軸向摩擦力f2對根據(jù)盾首方向向量與盾尾方向向量進(jìn)行分解：

24、

25、式中，f2，head，x、f2，head，y和f2，head，z表示以盾首部分中心截面為控制截面時f2在x、y和z方向上的分力，f2，tail，x、f2，tail，y和f2，tail，z表示以盾尾部分中心截面為控制截面時f2在x、y和z方向上的分力；

26、盾殼軸向摩擦力f2各分力作用在盾殼后土體上導(dǎo)致的豎向土體損失為：

27、

28、式中：

29、ωx為x軸方向上的超挖層厚度，ωy為y軸方向上的超挖層厚度，ωz為z軸方向上的超挖層厚度；

30、

31、土體軟化系數(shù)βs的值介于0.83至0.97之間；作用在盾殼上的徑向正應(yīng)力式中，水平土壓力σh＝k0σv，豎向土壓力k0為側(cè)向靜止土壓力系數(shù)，γ為土體容重；δ的值介于6.5°至9°之間。

32、ωx、ωy和ωz為經(jīng)典mindlin位移解的改寫，即將集中力f的作用點(diǎn)(0,0,c)修改為任意點(diǎn)(x0,y0,z0)，得到作用在半無限彈性體內(nèi)的任意一點(diǎn)(x0,y0,z0)，沿x，y和z軸正方向的單位力時，引起土體內(nèi)某點(diǎn)(x,y,z)的豎向位移計算公式：

33、

34、式中，g為剪切彈性模量，μ為泊松比，r為點(diǎn)(x,y,z)與點(diǎn)(x0,y0,z0)的距離，為點(diǎn)(x,y,z)與點(diǎn)(x0，y0，–z0)的距離。

35、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：通過分析水平偏航、豎直俯仰和曲率半徑改變對異常掘進(jìn)段的終止面的影響，進(jìn)而得到盾殼軸向摩擦力各分力作用在盾殼后土體上導(dǎo)致的豎向土體損失，實(shí)現(xiàn)了對盾殼軸向摩擦力引起的土體豎向變形的預(yù)測，為實(shí)際隧道施工提供了參考。

技術(shù)特征：

1.一種盾殼軸向摩擦力引起的土體豎向變形預(yù)測方法，其特征在于所述預(yù)測方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盾殼軸向摩擦力引起的土體豎向變形預(yù)測方法，其特征在于土體軟化系數(shù)βs的值介于0.83至0.97之間；作用在盾殼上的徑向正應(yīng)力式中，水平土壓力σh＝k0σv，豎向土壓力k0為側(cè)向靜止土壓力系數(shù)，γ為土體容重；δ的值介于6.5°至9°之間。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盾殼軸向摩擦力引起的土體豎向變形預(yù)測方法，其特征在于ωx、ωy和ωz為經(jīng)典mindlin位移解的改寫，即將集中力f的作用點(diǎn)(0,0,c)修改為任意點(diǎn)(x0,y0,z0)，得到作用在半無限彈性體內(nèi)的任意一點(diǎn)(x0,y0,z0)，沿x，y和z軸正方向的單位力時，引起土體內(nèi)某點(diǎn)(x,y,z)的豎向位移計算公式：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種盾殼軸向摩擦力引起的土體豎向變形預(yù)測方法，包括以下步驟：S1：建立空間直角坐標(biāo)系，并根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)構(gòu)建空間曲線盾構(gòu)隧道計算模型；S2：假定盾構(gòu)機(jī)發(fā)生了角度為β的俯仰，獲得盾殼與土體接觸面的空間參數(shù)方程；S3：計算盾殼軸向摩擦力f<subgt;2</subgt;、開挖面方向向量和盾尾后出口所在平面方向向量分別將盾殼軸向摩擦力f<subgt;2</subgt;對根據(jù)盾首方向向量與盾尾方向向量進(jìn)行分解，得到盾殼軸向摩擦力f<subgt;2</subgt;各分力作用在盾殼后土體上導(dǎo)致的豎向土體損失W<subgt;AT</subgt;。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：實(shí)現(xiàn)了對盾殼軸向摩擦力引起的土體豎向變形的預(yù)測，為實(shí)際隧道施工提供了參考。

技術(shù)研發(fā)人員：李少華,黃昌富,王鵬,杜修力,李文兵,李建旺,姚鐵軍,李鵬飛,周建軍,李鳳遠(yuǎn),劉中欣,欒煥強(qiáng),謝劍楠,王振勇,田國文
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中鐵十五局集團(tuán)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30