一种盾构隧道施工对周围土体振动评价方法

1.本发明属于地下工程技术领域，具体涉及一种盾构隧道施工对周围土体振动评价方法。


背景技术：

2.盾构技术最早起源于18世纪未英国人提出在伦敦地下修建橫贯泰晤士河隧道的构想，并对具体的掘削工法和使用机械等问题做了讨论。到1798年开始着手希望实现这个构思，但由于竖井挖不到预定的深度，故计划受挫。但横贯泰晤士河隧道的设想与日俱增，4年后决定由另一地点建造连结两岸的隧道，随后工程再次开工。施工中克服了种种困难，当掘进到最后30m时，开挖面急剧浸水隧道被水淹没，横贯泰晤士河的设想再次破灭，工程从开工到被迫终止用了5年时间。横贯泰晤士河的计划在以后10年中未见显著进展。这是最早提出的的盾构技术模型，在1818年brunel观察了小虫腐蚀木船底板成洞的经过，从而得到启示，在此基础上提出了盾构工法，并取得了专利。这就是所谓的开放型手掘盾构的原型。
3.19世纪末到20世纪中叶盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、苏联等国，并得以不同程度的发展。美国于1892年最先开发了封闭式盾构；同年法国巴黎使用混凝土管片建意了下水道隧道；1896年-1899年德国使用钢管片建造了柏林隧道；1913年德国建洁了西面为马饰形的易北河隧道；1917年日本采用盾构工法建造国铁羽越线，后因地质条件差而停止使用；1931年苏联用英制盾构建造了莫斯科地铁隧道，施工中使用了化学注浆和冻结工法；1939年日本采用手掘圆形盾构建造了直径7m的关门隧道；1948年苏联建造了列宁格勒地铁隧道；1957年中国北京建造了2.6m的盾构下水道隧道；1957年日本采用封闭式盾构建造东京地铁隧道。总之在这50-60年的时间里盾构工法虽然也有进步，但这一时期的特点是盾构工法在世界各国得以推广普及。
4.在接下来盾构技术被广泛应用并且获得了极大的发展，目前已经开发了多种新型盾构工法，以泥水式、土压式盾构工法为主。
5.但是城市地铁的盾构施工往往会对隧道周围的岩石或土体产生过大的扰动，需要进行及时的数据监测，但很多施工地点对于现场原位试验并不是特别的支持，所以就需要引进一个新的评价方法来解决这一问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种盾构隧道施工对周围土体振动评价方法解决了进行盾构施工对周围土体产生扰动的安全性进行评价困难的问题。
7.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种盾构隧道施工对周围土体振动评价方法，包括以下步骤：
8.s1、采集施工现场的土体，得到土体样本；
9.s2、基于土体样本，得到土体样本的安全系数和土体样本的振动传导能力；
10.s3、基于土体样本，确定土体样本的振动承受能力；
11.s4、根据土体样本的安全系数、振动传导能力和振动承受能力完成土体振动评价。
12.进一步地：所述步骤s1具体为：在施工现场进行开挖面随机采集土体，并在开挖面深度方向进行固定土体采集，将采集土体带回实验室对土体进行取样，得到土体样本。
13.上述进一步方案的有益效果为：在施工现场进行随机取样可以对施工现场土体进行全面的分析。
14.进一步地：所述步骤s2中，土体样本的安全系数包括初始状态下的土体样本安全系数和振动后的土体样本安全系数；
15.所述步骤s2具体为：确定初始状态下的土体样本安全系数，再将土体样本通过振动试验得到振动后的土体样本，再确定振动后的土体样本安全系数；土体样本安全系数每间隔0.1确定为一级；
16.根据振动试验得到振动后的土体样本，记录放置土体样本的试件位移值，从而确定土体样本振动传导能力。
17.上述进一步方案的有益效果为：对土体样本的安全系数精确划分等级，有利于对施工现场土体的安全评价。
18.进一步地：得到振动后的土体样本的方法具体为：
19.采集盾构施工现场盾构机在工作时的振动频率，利用实验室振动台模拟施工频率，模拟原始地应力状态，采用盾构隧道相似强度材料对采集土样逐一进行包裹固定，置于试验台进行振动试验，得到振动后的土体样本；其中，振动时长模拟盾构机推进速度拟定为：1min/试件90mm。
20.上述进一步方案的有益效果为：通过实验室模拟施工环境下的振动频率，能够准确获得土体样本的振动传导能力。
21.进一步地：确定土体样本安全系数的方法具体为：
22.确定土体样本滑动面和滑动面圆弧的圆心，将土体样本分成若干竖向的土条，忽略土条间的竖向剪切力的作用，得到土体样本安全系数fs的表达式具体为：
[0023][0024]
式中，i为土条的序数，n为土条的总数，wi为土条i的重力，ci为土条i的滑动面上粘聚力，为土条i的滑动面上内摩擦力，ai为土条i的滑动面上法线与竖直线的夹角，li为土条i的滑动面的长度；mi为土条i的迭代值；
[0025]
其中，土条i的迭代值mi的表达式具体为：
[0026][0027]
计算土体样本安全系数fs的方法具体为：采用迭代法计算fs，先假定fs的值，通过土条i的迭代值mi的表达式计算出迭代值mi，再将迭代值mi代入土体样本安全系数fs的表达式计算出新的土体样本安全系数fs′
；反复迭代至土体样本安全系数fs和新的土体样本安全系数fs′
之间的差值小于0.005，得到土体样本安全系数fs。
[0028]
上述进一步方案的有益效果为：确定土体样本安全系数的方法计算简单，且精度
高。
[0029]
进一步地：所述步骤s3具体为：
[0030]
将土体样本放置于试验管中，通过振动试验计算土体样本的振动作用力，进而确定土体样本的振动承受能力；其中，土体样本的振动作用力包括振动弯矩m、振动轴力n和振动剪力q。
[0031]
上述进一步方案的有益效果为：根据计算的土体样本的振动作用力可以分析得到施工现场土体的振动承受能力。
[0032]
进一步地：计算振动弯矩m、振动轴力n和振动剪力q的表达式具体为：
[0033][0034][0035][0036]
式中，β为修正系数，r为隧道半径，ls为单位长度上管片的抗弯曲度，hg为隧道地基土体的厚度，uh为土体样本振动位移，h为土体样本到土体表面的距离，gd为隧道地基动态剪切弹性模量。
[0037]
上述进一步方案的有益效果为：通过振动试验计算振动弯矩m、振动轴力n和振动剪力q可以用于分析土体样本的振动承受能力，进而确定施工现场土体的振动承受能力。
[0038]
进一步地：所述步骤s4具体为：根据初始状态下的土体样本安全系数和振动后的土体样本安全系数之间差值，进而根据土体样本的振动传导能力和振动承受能力判断是否需要对盾构隧道周围土体进行超前加固处理，完成土体振动评价；
[0039]
所述判断的是否需要对盾构隧道周围土体进行超前加固处理的方法具体为：
[0040]
根据采集的盾构隧道土体，设定土体样本安全系数之间差值的阈值、土体样本的振动传导能力的阈值和振动承受能力的阈值；
[0041]
当确定的土体样本安全系数之间差值、土体样本的振动传导能力和振动承受能力其中之一大于其设定的阈值；
[0042]
则需要对盾构隧道周围土体进行超前加固处理；否则不需要对盾构隧道周围土体进行超前加固处理。
[0043]
上述进一步方案的有益效果为：将土体样本的安全系数、振动传导能力和振动承受能力作为土体振动评价的评价指标，能够获得精确的土体振动评价。
[0044]
本发明的有益效果为：
[0045]
(1)本发明通过对土体进行实验室测定，并确定土体安全系数等级，等级分类等处理方法能够得出不同类型以及不同埋深的土质对于盾构开挖产生的振动扰动的承受能力。
[0046]
(2)本发明可以很好地处理在开挖时不易进行原位试验的施工路段，并且土体样本数据还可以进行保存，对以后施工的项目对土体振动评价仍具有指导意义，可以极大提高施工安全性。
附图说明
[0047]
图1为本发明的流程图。
[0048]
图2为确定土体样本安全系数的示意图。
具体实施方式
[0049]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0050]
实施例1：
[0051]
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种盾构隧道施工对周围土体振动评价方法，包括以下步骤：
[0052]
s1、采集施工现场的土体，得到土体样本；
[0053]
s2、基于土体样本，得到土体样本的安全系数和土体样本的振动传导能力；
[0054]
s3、通过振动试验确定土体样本的振动承受能力；
[0055]
s4、根据土体样本的安全系数、振动传导能力和振动承受能力完成土体振动评价。
[0056]
所述步骤s1具体为：在施工现场进行开挖面随机采集土体，并在开挖面深度方向进行固定土体采集，将采集土体带回实验室对土体进行取样，得到土体样本。
[0057]
所述步骤s2中，土体样本的安全系数包括初始状态下的土体样本安全系数和振动后的土体样本安全系数；
[0058]
所述步骤s2具体为：确定初始状态下的土体样本安全系数，再将土体样本通过振动试验得到振动后的土体样本，再确定振动后的土体样本安全系数；土体样本安全系数每间隔0.1确定为一级；
[0059]
根据振动试验得到振动后的土体样本，记录放置土体样本的试件位移值，从而确定土体样本振动传导能力。
[0060]
得到振动后的土体样本的方法具体为：
[0061]
采集盾构施工现场盾构机在工作时的振动频率，利用实验室振动台模拟施工频率，模拟原始地应力状态，采用盾构隧道相似强度材料对采集土样逐一进行包裹固定，置于试验台进行振动试验，得到振动后的土体样本；其中，振动时长模拟盾构机推进速度拟定为：1min/试件90mm。
[0062]
确定土体样本安全系数的方法具体为：
[0063]
如图2所示，确定土体样本滑动面和滑动面圆弧的圆心，将土体样本分成若干竖向的土条，忽略土条间的竖向剪切力的作用，得到土体样本安全系数fs的表达式具体为：
[0064][0065]
式中，i为土条的序数，n为土条的总数，wi为土条i的重力，ci为土条i的滑动面上粘聚力，为土条i的滑动面上内摩擦力，ai为土条i的滑动面上法线与竖直线的夹角，li为土条i的滑动面的长度；mi为土条i的迭代值；
[0066]
其中，土条i的迭代值mi的表达式具体为：
[0067][0068]
计算土体样本安全系数fs的方法具体为：采用迭代法计算fs，先假定fs的值，通过土条i的迭代值mi的表达式计算出迭代值mi，再将迭代值mi代入土体样本安全系数fs的表达式计算出新的土体样本安全系数fs′
；反复迭代至土体样本安全系数fs和新的土体样本安全系数fs′
之间的差值小于0.005，得到土体样本安全系数fs。
[0069]
通过上述方法确定土体样本安全系数的计算简单，且精度高。
[0070]
所述步骤s3具体为：
[0071]
将土体样本放置于试验管中，通过振动试验计算土体样本的振动作用力，进而确定土体样本的振动承受能力；其中，土体样本的振动作用力包括振动弯矩m、振动轴力n和振动剪力q。
[0072]
算振动弯矩m、振动轴力n和振动剪力q的表达式具体为：
[0073][0074][0075][0076]
式中，β为修正系数，r为隧道半径，ls为单位长度上管片的抗弯曲度，hg为隧道地基土体的厚度，uh为土体样本振动位移，h为土体样本到土体表面的距离，gd为隧道地基动态剪切弹性模量。
[0077]
通过振动试验计算振动弯矩m、振动轴力n和振动剪力q可以用于分析土体样本的振动承受能力，进而确定施工现场土体的振动承受能力。
[0078]
所述步骤s4具体为：根据初始状态下的土体样本安全系数和振动后的土体样本安全系数之间差值，进而根据土体样本的振动传导能力和振动承受能力判断是否需要对盾构隧道周围土体进行超前加固处理，完成土体振动评价；
[0079]
所述判断的是否需要对盾构隧道周围土体进行超前加固处理的方法具体为：
[0080]
根据采集的盾构隧道土体，设定土体样本安全系数之间差值的阈值、土体样本的振动传导能力的阈值和振动承受能力的阈值；
[0081]
当确定的土体样本安全系数之间差值、土体样本的振动传导能力和振动承受能力其中之一大于其设定的阈值；
[0082]
则需要对盾构隧道周围土体进行超前加固处理；否则不需要对盾构隧道周围土体进行超前加固处理。
[0083]
将土体样本的安全系数、振动传导能力和振动承受能力作为土体振动评价的评价指标，能够获得精确的土体振动评价。
[0084]
本发明的方法实施过程为：在施工现场进行开挖面随机取样，开挖面深度方向固
定取样，将土体带回实验室对土体进行取样，通过计算土体在无振动情况下逐一确定初始状态下的土体样本安全系数，安全系数每间隔0.1确定为一级，对土体进行分级从而确定土体安全系数等级；利用实验室振动台模拟施工频率，模对采集土体样本逐一进行包裹固定，置于试验台进行振动试验，并记录试件位移值并确定土体样本振动传导能力；对振动后试件再次计算其安全系数，并确定振动后的土体样本安全系数等级，将土体样本放置于试验管中，通过振动试验计算土体样本的振动作用力，根据初始状态下的土体样本安全系数和振动后的土体样本安全系数之间的差值，结合土体样本的振动传导能力和振动承受能力，评价盾构隧道周围土体的稳定性，并判断是否需要对盾构隧道周围土体进行超前加固处理。
[0085]
本发明的有益效果为：本发明通过对土体进行实验室测定，并确定土体安全系数等级，等级分类等处理方法能够得出不同类型以及不同埋深的土质对于盾构开挖产生的振动扰动的承受能力。
[0086]
本发明可以很好地处理在开挖时不易进行原位试验的施工路段，并且土体样本数据还可以进行保存，对以后施工的项目对土体振动评价仍具有指导意义，可以极大提高施工安全性。
[0087]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。