一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法与流程

技术特征：

1.一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步、根据隧道设计与施工方案，确定隧道埋深h、隧道直径R；在隧道沿线获取施工现场土样，对施工现场土样进行重度试验、内摩擦角和粘聚力试验、静止侧压力试验，以确定施工现场各土层的重度γ_a、内摩擦角内粘聚力c_a和静止侧压力系数K_0a；确定施工现场地质情况并对施工现场进行土层划分，判断施工现场是否为上覆软土岩溶地区；a为由地面向下第a层土层；

第二步、对隧道沿线进行地质钻探，确定隧道沿线溶洞的分布情况，并确定溶洞与隧道之间各土层的厚度l_e；e为由隧道底部起至溶洞顶部第e层土层；

第三步、根据溶洞边界面上的力学平衡，建立关于溶洞顶托力M、土体摩擦力F、土体重力G和注浆传递力T的溶洞安全平衡公式：M+F＝G+T；

第四步、根据溶洞安全平衡公式，确定安全传递压力t的计算公式，计算各溶洞的安全传递压力；其中：所述安全传递压力t的计算公式为：

式中：K₀为溶洞顶部土层的静止侧压力系数；γ为溶洞顶部土层的重度，kN/m³；l_e为溶洞与隧道之间各土层的厚度，m；为溶洞顶部土层的内摩擦角，°；c为溶洞顶部土层的内粘聚力，kN/m²；γ'_e为溶洞与隧道之间各土层的重度，kN/m³；

第五步、计算各溶洞的安全注浆压力P，则各溶洞施工段的安全盾尾注浆压力为安全注浆压力P，若两个及其以上溶洞处于同一溶洞施工段，则取安全注浆压力P中的最小值；

所述安全注浆压力P的计算方法为建立如下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}t=2\mathrm{Re}\left({\mathrm{\φ}}^{\′}\right(Z))+\mathrm{Re}\left(\stackrel{\‾}{Z}{\mathrm{\φ}}^{\′\′}\right(Z)+{\mathrm{\ψ}}^{\′}\left(Z\right))\\ \mathrm{\φ}\left(Z\right)=iq\[-2(1+m^2)+\frac{2(Z-n)}{Z+n}+\frac{2m^2(Z+n)}{Z-n}\]\\ \mathrm{\ψ}\left(Z\right)=iq\[-3(1+m^2)+\frac{2m^2(Z-n)}{Z+n}+\frac{2(Z+n)}{Z-n}+\frac{m^2{(Z+n)}^2}{{(Z-n)}^2}\]\\ m=\frac{d-\sqrt{d^2-r^2}}{r}\\ n=-id\frac{1-m^2}{1+m^2}\\ q=-\frac{m^{2}Pd}{(1-m^2)(1-m^4)}\end{array}\right.$

式中：t为特征传递压力，kPa；Re表示取实部；Z为复变函数，Z＝x+iy，其中，x、y为自变量；φ(Z)和ψ(Z)为解析函数；φ'(Z)为解析函数φ(Z)的一阶导数；φ”(Z)为解析函数φ(Z)的二阶导数；ψ'(Z)为解析函数ψ(Z)的一阶导数；i为虚数单位；m、n、q为计算参数，不具有实际意义；r为隧道半径，m；i为虚数单位；d为隧道轴线至地表的竖直距离，m；P为安全注浆压力，kPa；

求解上述关系式，然后令x的值为0，令y的值为溶洞埋深h'，得安全注浆压力P的值。

2.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第一步中：

所述获取施工现场土样采用钻孔取土的方法，取土深度为H，取土量满足每层土的取土量制作不少于三个的三轴试验仪试件；其中：所述取土深度H按公式：H＝h+2R计算，式中：h为隧道埋深，m；R为隧道直径，m；

所述上覆软土岩溶地区为：岩溶岩层上面覆盖有砂土或粘土的地区。

3.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第一步中：

所述重度试验为：采用环刀密度试验法测得各土层的湿密度ρ_a，并计算各土层重度γ_a＝ρ_ag，其中g为重力加速度，g取9.81m/s²；

所述内摩擦角和粘聚力试验为：把施工现场土样制成圆柱体试件，每层土不少于三个圆柱体试件，圆柱体试件的直径和高度由三轴试验仪的技术参数确定；对圆柱体试件进行三轴压缩试验，得到多组破坏时主应力差σ_1a-σ_3a与围压σ_3a的数据；根据得到的多组数据确定多个破坏莫尔圆，再根据摩尔-库伦破坏准则确定破坏包络线，其中：破坏包络线与水平方向的夹角为内摩擦角破坏包络线在纵轴上截距的大小为内粘聚力c_a；

所述静止侧压力试验为把施工现场土样制成圆柱体试件，每层土不少于三个圆柱体试件，圆柱体试件的直径和高度由三轴试验仪的技术参数确定；对圆柱体试件进行三轴侧压力仪试验，得到轴向压力σ′_1a、侧向压力σ'_3a和孔隙水压力u_a，计算静止侧压力系数K_0a＝(σ′_1a-ua)/(σ'_3a-u_a)。

4.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第二步中，所述溶洞与隧道之间各土层的厚度l_e为：隧道底部至溶洞顶部之间区域内各土层的厚度。

5.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第三步中，所述溶洞顶托力M的表达式为：

M＝Y/b

式中：Y为托力；b为溶洞宽度。

6.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第三步中，所述土体摩擦力F的表达式为：

F＝bf

式中：f为单位宽度摩擦力；b为溶洞宽度；其中：所述单位宽度摩擦力f的表达式为：

式中：K₀为溶洞顶部土层的静止侧压力系数；γ为溶洞顶部土层的重度；l_e为溶洞与隧道之间各土层的厚度；为溶洞顶部土层的内摩擦角；c为溶洞顶部土层的内粘聚力。

7.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第三步中，所述土体重力G的表达式为：

G＝∑(bl_eγ'_e)

式中：b为溶洞宽度；l_e为溶洞与隧道之间各土层的厚度；γ'_e为溶洞与隧道之间各土层的重度。

8.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第三步中，所述注浆传递力T的表达式为：

T＝tb

式中：t为安全传递压力；b为溶洞宽度。

9.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第四步中，所述安全传递压力t的计算公式的确定方法为：

根据溶洞边界处的力学平衡得到溶洞安全平衡公式M+F＝G+T，由溶洞安全平衡公式得到：

$b^2=\frac{Y}{\mathrm{\Σ}\left(l_e{\mathrm{\γ}}_e\right)+t-f}$

令得到安全传递压力t的计算公式：

其中：M为溶洞顶托力，F为土体摩擦力，G为土体重力，T为注浆传递力，t为安全传递压力，Y为托力，b为溶洞宽度，f为单位宽度摩擦力，l_e为溶洞与隧道之间各土层的厚度，γ'_e为溶洞与隧道之间各土层的重度，γ为溶洞顶部土层的重度，K₀为溶洞顶部土层的静止侧压力系数，为溶洞顶部土层的内摩擦角，c为溶洞顶部土层的内粘聚力。

10.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第五步中：

所述隧道半径r按公式：r＝R/2计算，式中R为隧道直径，m；

所述隧道轴线至地表的竖直距离d按公式：d＝h+r计算，式中：h为隧道埋深，m；r为隧道半径，m；

所述溶洞施工段为：在隧道横截面上有该溶洞分布的隧道施工段。