一种确定盾构隧道纵向弯曲刚度的分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种确定盾构隧道纵向弯曲刚度的分析方法，适用于分析不同设计条 件下隧道结构的纵向弯曲刚度。在盾构隧道建设、特别是城市轨道建设领域具有广泛应用 前景。
【背景技术】
[0002] 盾构隧道纵向刚度的合理确定对隧道结构的安全性有着重要影响，是盾构隧道结 构设计中的重要内容。十多年前国内外的盾构隧道结构设计中就提出了纵向设计的问题， 但对如何进行纵向设计相关规范并未给出明确的规定，对盾构隧道的纵向设计还停留在指 导思路的层次上，没有形成一套完整具体的纵向设计方法。如何分析盾构隧道在地面沉降 作用下的变形规律及其分析评价方法，则更是缺乏系统研究。
[0003] 目前盾构隧道纵向结构的理论研究主要分为：理论解析法、数值分析法、模型试验 与实测分析法三个方面。
[0004] 在理论解析法方面，主要是以小泉淳为代表的纵向粱一弹簧模型和是以志波由纪 夫为代表的纵向等效连续化模型两种纵向结构理论。粱一弹簧模型中弹簧的轴向、剪切和 转动效应系数灵活，但取值都需要通过试验确定，且没有考虑隧道横向拼装方式对隧道刚 度的影响，应用受到了一定的限制。纵向等效连续化模型方法把隧道简化为一均质体，通过 纵向上的刚度折减，体现纵向螺栓在管片中的作用。这种方法概念明确，应用方便，成为了 隧道结构纵向理论性研究中的常用方法。但该方法忽略了错缝拼装对隧道刚度的影响。
[0005] 基于纵向等效连续化模型的后续研究发现环缝影响范围不一定是整个管片，而且 在分析隧道纵向刚度时还应该考虑隧道拼装方式、横向刚度、盾构螺栓作用等因素的影响， 对纵向等效连续化模型进行了修正。广义纵向等效连续化模型认为不同隧道的环缝影响范 围不同，可用环缝影响系数来表示，志波由纪夫的纵向等效连续化模型是广义纵向等效连 续化模型的特例。实际上，盾构隧道的管片系统是非常复杂的，影响盾构隧道纵向刚度的因 素也很多，现有的各种分析方法很难详细考虑。因此，隧道的纵向刚度的问题并没有得到完 善的解答，这也使得使该方法在实际应用得到了一定的限制。
[0006] 数值模拟分析方法功能强大，理论上能够考虑结构、介质的各种影响因素和参数， 是研究盾构隧道纵向沉降的主要方法之一。一般假定隧道在纵向上为均质而不考虑管片拼 装接头的影响。这就使得计算中隧道结构的纵向刚度取值缺乏依据，计算结果与实际往往 并不相符。
[0007] 研究盾构隧道的纵向刚度最可靠方法应是原型试验。但原型试验中要找到能够 开展测试的隧道是一个难题，除此以外，试验加载的条件也受到隧道环境的限制，试验规模 大，试验投入高昂，实际上很难开展，目前仅发现日本西野健三、吉田和夫等通过盾构隧道 现场载荷测试盾构隧道的纵向刚度这一例报道。实际上，目前大多采用室内模型试验进行 研究，模型试验方法以相似理论为基础，试验相似比灵活多变，是比较高效的研究手段，但 由于相似模型试验受各种因素的限制，无法做到所有物理量完全相似，只能根据试验目的 满足主要物理量相似，这无疑会在一定程度上影响相似模型试验结果的可靠性。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种盾构隧道纵向弯曲刚度的确定方法，以解决在计算盾构 隧道纵向变形时隧道纵向刚度难以确定的问题。为实现上述目的，本发明提供的盾构隧道 纵向弯曲刚度的确定方法包括如下步骤：
[0009] (1)资料的收集与整理。获取计算分析所需要的监测数据及设计资料，包括获既 有隧道的变形监测数据及监测方案，既有隧道与新建隧道的设计方案，新建隧道施工方案 及施工进度。既有隧道变形监测点的布置以及变形监测频率与监测精度需满足规范规定要 求。
[0010] (2)分析新建隧道施工条件下既有隧道结构变形曲线的形态特征。对既有隧道结 构变形监测数据进行分析计算，获得既有隧道结构变形监测曲线的最大沉降量3_与沉降 曲线的地层损失系数G这两个典型的曲线特征指标。既有隧道沉降曲线的地层损失系数 ??为地铁施工引起的既有线沉降槽的面积与新建隧道开挖的面积A的百分比。
[0011] (3)新建隧道开挖的面积A=πr2，rS新建隧道的开挖半径。计算既有线沉降槽 的面积需要先根据既有隧道结构变形监测数据拟合得到既有线沉降槽变形曲线公式的参 数，然后根据沉降槽曲线公式求沉降槽面积。新建隧道下穿施工时既有线沉降槽变形曲线 用公式s
.进行预测计算。公式中A为新建隧道开挖的面积； 闪为既有隧道沉降曲线的地层损失系数；Γ为既有线沉降槽宽度系数；z为既有隧道中心 点埋深；为新建隧道中心点埋深；X为从沉降曲线中心到所计算点的水平距离。
[0012] (4)从公另
f知，在下穿隧道施工的影响下， 既有线隧道的沉降变形曲线主要和其埋深、地层损失系数以及其自身结构刚度有关，即： 。也就是说，当隧道的埋深确定、地层损失系数一定时，既有线隧道的沉降变 形规律仅和其自身刚度有关。
[0013] (5)假定实际既有线盾构隧道的实际刚度为M，在某一个外界因素作用下（例如外 荷载）下产生的实测的沉降（曲线）为^。假定有一个等效的均匀刚度的管状隧道，其材 料、厚度和实际隧道相同，其结构的原始弯曲刚度为MJMPM)。通过减小该假想隧道的刚度， 即将M。降低至τι 为折减系数，τι'1)，则会计算得到一个假定的等效均匀隧道的沉 降曲线，记为sEqu。调整L，使sfe=sEqu，此时M=riA，由此即可获得盾构隧道的实际纵 向弯曲刚度。
[0014] (6)构建新建隧道施工对既有隧道影响的数值分析模型。包括地层模型与隧道结 构模型。确定模型边界条件以及隧道开挖施工模拟分析步骤。
[0015] (7)确定土体本构关系及模型的物理力学参数。土体的本构模型采用修正剑桥模 型，地层模型参数根据新建隧道的岩土工程勘察报告进行取值。隧道结构采用均质结构单 元进行模拟（在FLAC3D软件中采用shell结构单元进行模拟），物理力学参数根据材料的 试验报告进行取值。
[0016] (8)模拟新建隧道的开挖施工过程，计算不同开挖阶段隧道施工对既有隧道结构 的变形影响。隧道开挖施工的进度模拟要与隧道变形监测时间对应的实际施工进度相对 应。
[0017] (9)提取计算模型中隧道结构变形监测点位置的变形数据，按照（1)、⑵中所述 的分析方法获得既有隧道的最大沉降量s_和沉降曲线的地层损失系数F丨，并和相同开挖 施工条件下实测曲线进行对比。
[0018] (10)对比隧道变形实测与模拟计算结果，分析既有隧道最大沉降量S_和沉降曲 线地层损失系数F丨的实测值与计算值的误差。将这两个指标的相对误差控制在10 %以内。 如果这两项指标的相对误差有一项超过10%，则需要通过调整既有隧道的纵向刚度折减系 数Hi进行重新计算。
[0019] (11)当既有隧道最大沉降量S_和沉降曲线地层损失系数G的实测值与计算值 的误差均小于10%时，可以认为计算得到的沉降槽曲线与实测曲线吻合较好。此时计算模 型中隧道的纵向等效弯曲刚度与真实隧道的纵向弯曲刚度近似。
[0020] 本发明的分析方法具有如下优势：
[0021] (1)提出了一种盾构隧道纵向等效弯曲刚度的量化分析方法，规避了目前计算分 析中难以综合考虑盾构隧道拼装方式、横向刚度、螺栓作用等诸多因素的影响问题，获得了 实际盾构纵向刚度的规律，为盾构隧道的理论解析方法或数值模拟方法中，盾构隧道纵向 刚度的取值问题提供了简便可靠的确定思路。
[0022] (2)该分析方法以实际隧道为分析对象，基于下穿既有区间隧道的结构变形监测 数据进行分析，比较客观的反映了隧道的实际情况。而且实际投入较少，方便快捷。
[0023] (3)该分析方法适用于分析不受地层条件、隧道直径、管片尺寸以及连接方式的影 响，适应性强。
【附图说明】
[0024] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0025] 图1是盾构隧道纵向等效弯曲刚度分析方法的原理。其中a实际隧道，b等效均 质隧道
[0026] 图2是新建隧道引起既有隧道及地表变形示意图。
[0027] 图3是根据沉降槽曲线求沉降槽面积示意图。
[0028] 图4是隧道变形实测与模拟结果对比图
【具体实施方式】
[0029] 本发明通过提供一种盾构隧道纵向弯曲刚度的确定方法，利用既有隧道沉降变形 监测数据反演分析隧道的纵向弯曲刚度，给出了相应的分析原理与计算公式，具有良好的 推广应用价值。
[0030] 为实现上述目的，本发明的技术解决方案包括如下步骤：
[0031] (1)资料的收集与整理。获