一种基于开挖面变形砂土地层隧道开挖松动预测方法与流程

本发明涉及隧道工程技术领域，尤其是涉及一种基于开挖面变形砂土地层隧道开挖松动预测方法。

背景技术：

隧道开挖的松动区是由开挖面的松动造成的，当开挖面变形为零时，没有松动区；随着开挖面变形的增大，松动区从开挖面底板不断向上延伸，直到开挖面塌方，松动区达到最大，当隧道埋深较浅时，松动区可以到达地面，当隧道埋深较大，直到开挖面塌方，松动区也不会到达地面。

松动区内由于地层的松动引起的土拱效应，地层水平压力较原始地层水平压力大幅降低，如果松动压力可由地层自身承担，则隧道保持稳定；如果松动压力超过地层自身承担的能力，需进行支护，以免隧道失稳。

目前，能分析随着隧道开挖面变形增大松动区逐渐扩展过程的方法只有数值分析。国内外学者使用的计算模型主要分为两类：楔形体极限平衡模型和塑形上下限定理模型。然而其主要弊端在于只限于极限稳定性分析，不能考虑开挖面渐进性破坏和破坏范围内砂土颗粒流动对开挖面稳定性及盾构隧道松动压力的影响。工程中还缺乏一种机理明确计算简单、实用的确定砂土地层隧道开挖松动区及盾构隧道松动压力的方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简单、可靠性高的基于开挖面变形砂土地层隧道开挖松动预测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于开挖面变形砂土地层隧道开挖松动预测方法，包括以下方法：

1)测量获得隧道开挖面中心的变形量，利用颗粒物质椭球体理论计算获得松动区的形状参数；

2)建立楔形体模型，根据松动区的形状参数计算获得楔形体上覆土平均竖向压应力；

3)考虑刀盘与开挖面土体摩擦力计算获得松动土体对刀盘的松动压力。

所述步骤1)中，利用颗粒物质椭球体理论将松动区等效为一椭球体，所述松动区的形状参数包括松动区体积vg、松动区半长轴ag、松动区纵向短半轴bg、松动区横向短半轴cg和松动区高度hgf，计算公式为：

hgf＝2agcosα

式中，s为隧道开挖面中心的变形量，d为隧道直径，β为松动系数，εb为松动区纵向偏心率，εc为松动区横向偏心率，fα为计算参数，满足α为松动区偏转角。

所述步骤2)中，楔形体上覆土平均竖向压应力σp采用如下方式计算：

①当松动区高度hgf不超过隧道开挖面拱顶时，σp满足以下公式：

σp＝γ[c+(d-hgf)]+q

式中，γ为砂土容重，c为隧道拱顶上覆土压力，q为地表超载，d为隧道直径；

②当松动区高度hgf超过隧道开挖面拱顶，但没有延伸至地表时，σp满足以下公式：

式中，c为砂土黏聚力，为砂土摩擦角，hcf＝hgf-d，r、k1为计算参数，r满足公式：

式中，cg为松动区横向短半轴，k1满足公式：

式中，ka为郎肯主动土压力系数；

③当松动区高度hgf延伸至地表时，σp满足以下公式：

所述步骤3)具体包括：

301)计算开挖面前方松动土体对刀盘的水平压力σh：

σh＝(fz²+gz+σp)k2

式中，σp为楔形体上覆土平均竖向压应力，f、g为计算参数，满足公式：

式中，δ为松动土体与刀盘间的摩擦角；

302)计算松动土体对刀盘的平均水平压力σah：

所述松动系数β的取值范围为1.030～1.180。

所述松动区偏转角α的取值范围为2°～9°。

所述松动区纵向偏心率εb和松动区横向偏心率εc的取值范围均为0.900～0.990。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明基于工程实用的角度，提出了一套对砂土地层盾构隧道松动区及松动压力的定量预测方法，该方法利用颗粒物质椭球体理论，可实现砂土地层中隧道开挖面变形导致的松动区形状及范围的预测，并可实现考虑刀盘与开挖面土体摩擦力的松动压力的计算，本发明打破了原有只能凭数值分析软件耗费大量时间计算松动区的不足，计算方便为隧道建设安全提供了保障。

(2)本发明方法简单，可靠性高，便于推广，具有很大的应用价值，可直接预测砂土地层隧道开挖的影响范围和支护压力。

附图说明

图1为本发明砂土隧道开挖面松动区计算模型；

图2为本发明开挖面松动区三维计算模型；

图3为本发明松动区在开挖面范围内时松动压力计算模型；

图4为本发明松动区超出开挖面范围但不延伸至地表时松动压力计算模型；

图5为本发明松动区超出地表时松动压力计算模型；

图6为本发明确定的c/d＝1.0时相对密实度26％的s1砂土隧道开在不同挖面变形下的松动区，其中，(a)的挖面变形为1.5mm，(b)的挖面变形为3.0mm，(c)的挖面变形为6.0mm；

图7为本发明确定的c/d＝1.0时相对密实度26％的s1砂土隧道开挖面松动压力。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种基于开挖面变形砂土地层隧道开挖松动预测方法，包括以下方法：1)测量获得隧道开挖面中心的变形量，利用颗粒物质椭球体理论计算获得松动区的形状参数；2)建立楔形体模型，根据松动区的形状参数计算获得楔形体上覆土平均竖向压应力；3)考虑刀盘与开挖面土体摩擦力计算获得松动土体对刀盘的松动压力。本方法利用颗粒物质椭球体理论定量确定砂土地层中隧道开挖面变形导致的松动区和松动压力，方法简单，便于推广，可直接预测砂土地层隧道开挖的影响范围和支护压力。

本实施例中以kirsch发表的文章“experimentalinvestigationofthefacestabilityofshallowtunnelsinsand”(actageotechnica,2010,5(1):43–62)中报道的试验模型隧道为例说明预测方法的具体实现过程，所述试验模型隧道的开挖面直径为100mm，上覆土厚度100mm，用活塞后移模拟开挖面变形，用粒子图像测速技术监测开挖面松动区，模型试验用砂为s1砂，试验在重力场条件下进行，地面超载为q＝0kpa，容重γ＝15.53kn/m³，内摩擦角粘聚力c＝0kpa，活塞与砂土的摩擦角δ＝28.5°，松动系数β＝1.03，εb＝0.940，εc＝0.975，α＝9°，具体参数模型如图1-图5所示。

第一步，量测隧道开挖面中心的变形量s，计算挤入开挖面内的砂土体积vn：

第二步，计算松动区体积vg，所述vg满足以下公式：

第三步，计算松动区半长轴ag、松动区纵向短半轴bg、松动区横向短半轴cg：

第四步，计算楔形体上覆土平均竖向压应力σp，松动区高度hgf为：hgf＝2ag×cos9°。

①当松动区高度hgf不超过隧道开挖面拱顶时，σp满足以下公式：

σp＝15.53×[0.1+(0.1-hgf)]

②当松动区高度hgf超过隧道开挖面拱顶，但没有延伸至地表时，σp满足以下公式：

hcf，r满足以下公式

hcf＝2ag×cos9°-0.1

k1＝0.456

③当松动区高度hgf延伸至地表时，σp满足以下公式

第五步，计算开挖面前方松动土体对刀盘的水平压力σh

σh＝(fz²+gz+σp)k2

其中，f，g为计算参数，满足以下公式

其中，r，s，t为计算参数，满足以下公式

k2＝0.306

第六步，计算松动土体对刀盘的平均水平压力σah，满足以下公式：

采用本发明确定的松动区和平均松动压力如图6～图7所示。根据上述得到的隧道开挖面松动区和平均松动压力，控制隧道开挖的影响范围和支护压力。

本实施例可以准确的确定开挖面松动区和平均松动压力，相比以前单纯依靠经验方法更科学、更准确，相比数值分析方法计算耗时更少，给隧道开挖的影响范围和支护压力的控制带来了很大的方便。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。