一种地裂缝环境下盾构隧道适用性判断的方法与流程

本发明属于抗震设防技术领域，涉及一种判断在地裂缝环境下隧道衬砌结构是否适用的方法，具体是一种地裂缝环境下盾构隧道适用性判断的方法。

背景技术：

改革开放以来，随着国民经济的日益增长，基础设施建设也在如火如荼的进行，现如今，地铁几乎覆盖了国内外的各大中城市。当地裂缝十分发育时，在修建城市地铁需要考虑地铁隧道衬砌结构的稳定问题。现有技术不能够细致的解决在地裂缝密集发育地区修建盾构隧道的稳定问题，找到一种可以判断在地裂缝环境下隧道衬砌结构是否稳定的方法十分重要。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种地裂缝环境下盾构隧道适用性判断的方法，本发明能够较为精确的判断不同工况下盾构隧道是否满足强度及变形要求，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种地裂缝环境下盾构隧道适用性判断的方法，包括如下步骤：

(1)在地裂缝环境下的盾构隧道中，在相同的隧道衬砌厚度和相同的隧道衬砌强度条件下，由不同的地裂缝上下盘错距建立不同工况下的有限元模型，整合得到曲线a、曲线b和曲线c；曲线a为衬砌最大竖向变形与错距的关系曲线，曲线b为衬砌底面最大拉应力与错距关系曲线，曲线c为衬砌顶面最大压应力与错距关系曲线；在有限元模型建立的过程中，不同工况下地裂缝上下盘错距的选取可根据该地区地裂缝发育程度和隧道穿过地裂缝程度综合考量；

(2)在地裂缝环境下的盾构隧道中，在相同的地裂缝上下盘错距和相同的隧道衬砌强度条件下，由不同的隧道衬砌厚度建立不同工况下的有限元模型，整合得到曲线d、曲线e和曲线f；曲线d为衬砌最大竖向变形与衬砌厚度的关系曲线，曲线e为衬砌最大拉应力与衬砌厚度关系曲线，曲线f为衬砌最大压应力与衬砌厚度关系曲线；在有限元模型建立的过程中不同工况下隧道衬砌厚度的选取可根据该地区地质环境进行考量；

(3)在地裂缝环境下的盾构隧道中，在相同的地裂缝上下盘错距和相同的隧道衬砌厚度下，由不同的隧道衬砌强度建立在不同工况下的有限元模型，整合得到曲线g、曲线h和曲线i；曲线g为衬砌最大竖向变形与衬砌强度等级的关系曲线，曲线h为衬砌最大拉应力与衬砌强度等级关系曲线，曲线i为衬砌最大压应力与衬砌强度等级关系曲线；在有限元模型建立的过程中不同工况下隧道衬砌强度的选取可根据该工程的工程等级进行考量；

(4)在预定的工况下，已知该工况的地裂缝上下盘错距、隧道衬砌强度和隧道衬砌厚度，则通过曲线a、曲线b、曲线c、曲线d、曲线e、曲线f、曲线g、曲线h和曲线i这九条曲线即可判断出在该工况下隧道的最大竖向变形、隧道底面的最大拉应力及隧道顶面的最大压应力；

(5)由步骤(4)得出的预定工况下隧道的最大竖向变形、隧道底面的最大拉应力及隧道顶面的最大压应力与各自的预设值进行比较，若隧道的最大竖向变形、隧道底面的最大拉应力及隧道顶面的最大压应力均满足要求，则该工况下盾构隧道可以投入建设，反之则不行。

步骤(5)中，得出的预定工况下隧道的最大竖向变形、隧道底面的最大拉应力及隧道顶面的最大压应力与《地铁设计规范》gb50157进行比较，若对应的变形和强度均满足规范要求则该工况下盾构隧道可以投入建设，反之则不行。

所述步骤(1)中，不同的地裂缝上下盘错距的不同工况包括：地裂缝相对错距为5cm的工况、地裂缝相对错距为10cm的工况、地裂缝相对错距为15cm的工况、地裂缝相对错距为20cm的工况、地裂缝相对错距为30cm的工况、地裂缝相对错距为40cm的工况和地裂缝相对错距为50cm的工况。

所述步骤(2)中，不同的隧道衬砌厚的不同工况包括：无内衬工况、内衬厚度为200mm的工况、内衬厚度为300的工况和内衬厚度为400mm的工况。

所述步骤(3)中，不同的隧道衬砌强度的不同工况包括：内衬强度为c30的工况、内衬强度为c40的工况和内衬强度为c50的工况。

所述衬砌为单层衬砌。

所述衬砌为双层衬砌和/或多层衬砌中的某一层衬砌。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的地裂缝环境下盾构隧道适用性判断的方法首先在地裂缝环境下的盾构隧道中，在相同的隧道衬砌厚度和相同的隧道衬砌强度条件下，由不同的地裂缝上下盘错距建立不同工况下的有限元模型，整合得到衬砌最大竖向变形与错距的关系曲线、衬砌底面最大拉应力与错距关系曲线和衬砌顶面最大压应力与错距关系曲线；再在地裂缝环境下的盾构隧道中，在相同的地裂缝上下盘错距和相同的隧道衬砌强度条件下，由不同的隧道衬砌厚度建立不同工况下的有限元模型，整合得到衬砌最大竖向变形与衬砌厚度的关系曲线、衬砌最大拉应力与衬砌厚度关系曲线和衬砌最大压应力与衬砌厚度关系曲线；再在地裂缝环境下的盾构隧道中，在相同的地裂缝上下盘错距和相同的隧道衬砌厚度下，由不同的隧道衬砌强度建立在不同工况下的有限元模型，整合得到衬砌最大竖向变形与衬砌强度等级的关系曲线、衬砌最大拉应力与衬砌强度等级关系曲线和衬砌最大压应力与衬砌强度等级关系曲线；在预定的工况下，已知该工况的地裂缝上下盘错距、隧道衬砌强度和隧道衬砌厚度，则通过上述这九条曲线即可判断出在该工况下隧道的最大竖向变形、隧道底面的最大拉应力及隧道顶面的最大压应力；再将预定工况下隧道的最大竖向变形、隧道底面的最大拉应力及隧道顶面的最大压应力与各自的预设值进行比较，若隧道的最大竖向变形、隧道底面的最大拉应力及隧道顶面的最大压应力均满足要求，则该工况下盾构隧道可以投入建设，反之则不行。本发明通过上述各种曲线能够较为精确的判断不同工况下盾构隧道是否满足强度及变形要求，解决了现有技术中存在的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中衬砌最大竖向变形与错距的关系曲线；

图2为本发明实施例中衬砌底面最大拉应力与错距关系曲线；

图3为本发明实施例中衬砌顶面最大压应力与错距关系曲线；

图4为本发明实施例中衬砌最大竖向变形与衬砌厚度关系曲线；

图5为本发明实施例中衬砌最大拉应力与衬砌厚度关系曲线；

图6为本发明实施例中衬砌最大压应力与衬砌厚度关系曲线；

图7为本发明实施例中衬砌最大竖向变形与衬砌强度等级关系曲线；

图8为本发明实施例中衬砌最大拉应力与衬砌强度等级关系曲线；

图9为本发明实施例中衬砌最大压应力与衬砌强度等级关系曲线；

图10为本发明实施例中衬砌底面坡度变化曲线；

图11为本发明地裂缝环境下盾构隧道适用性判断的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来对本发明作进一步的说明。

实施例

参照图11，以某地地铁二号线工程(南北线)为例，该地铁从北到南将穿过10条地裂缝，本实施例为判断双层衬砌中内衬在强度和变形上是否满足规范要求，在msc.marc(2001)软件上完成对各种工况下有限元模型的建立和计算，具体过程如下：

第一步，外部衬砌为300mm厚c50钢筋混凝土管片，内衬保持厚度为300mm且混凝土强度为c30，在有限元软件中分别模拟在地裂缝相对错距分别为5cm、10cm、15cm、20cm、30cm、40cm和50cm的7种不同工况下双层衬砌结构的应力和变形，以分析地裂缝相对错距的影响大小和规律，得到曲线a、曲线b和曲线c；曲线a为衬砌最大竖向变形与错距的关系曲线(见图1)，曲线b为衬砌底面最大拉应力与错距关系曲线(见图2)，曲线c为衬砌顶面最大压应力与错距关系曲线(见图3)；

第二步，外部衬砌为300mm厚c50钢筋混凝土管片，内衬保持混凝土强度为c30且地裂缝相对错距为15cm，在有限元软件中分别模拟在无内衬(即内衬厚度为0mm)以及内衬厚度分别为200mm、300mm和400mm的4种工况下双层衬砌结构的应力和变形，以分析内衬厚度的影响大小和规律，得到曲线d、曲线e和曲线f；曲线d为衬砌最大竖向变形与内衬厚度的关系曲线(见图4)，曲线e为衬砌最大拉应力与内衬厚度关系曲线(见图5)，曲线f为衬砌最大压应力与内衬厚度关系曲线(见图6)；

第三步，外部衬砌为300mm厚c50钢筋混凝土管片，内部衬砌保持厚度为300mm且地裂缝相对错距为15cm，在有限元软件中分别模拟在内衬强度分别为c30、c40和c50的3种工况下双层衬砌结构的应力和变形，以分析内衬强度的影响大小和规律，得到曲线g、曲线h和曲线i；曲线g为衬砌最大竖向变形与内衬强度等级的关系曲线(见图7)，曲线h为衬砌最大拉应力与内衬强度等级关系曲线(件图8)，曲线i为衬砌最大压应力与内衬强度等级关系(见图9)；

第四步，给定工况外部衬砌为300mm厚c50钢筋混凝土管片，内部衬砌厚度为350mm、衬砌强度为c30、地裂缝相对错距为20cm，综合曲线a、曲线b、曲线c、曲线d、曲线e、曲线f、曲线g、曲线h和曲线i这九条曲线即可判断出在该工况下隧道的最大竖向变形、隧道底面的最大拉应力及隧道顶面的最大压应力；

第五步，由第四步得到的在某一特定工况下隧道的最大竖向变形、隧道底面的最大拉应力及隧道顶面的最大压应力与最新修订的《地铁设计规范》gb-50157进行比较，若对应的变形和强度均满足规范要求则该工况下盾构隧道可以投入建设，反之则不行。

强度方面需要注明的是在混凝土结构设计时，通常不考虑混凝土的抗拉强度，而代之以钢筋来承受，因此，通过强度判断时，可用已知应力对结构进行配筋计算，如果能够合理的配置钢筋，且不超过最大配筋率，则可行，反之不可行。另外，考虑管片环之间在纵向也是通过螺栓连接，因此，环与环接触断面上的应力实际是由有限的几个螺栓来承受的，所以同样需要验算螺栓的强度，只有两者都满足才是满足要求的。

变形方面需要特别注明的是，由于地裂缝相对错动，使衬砌纵向产生附加沉降变形，这时会形成附加的纵坡等。而地铁线路纵断面正线的最大坡度不宜大于30‰，困难地段可采用35‰，同时，相邻两坡度的竖曲线半径在一般情况下不能小于5000m，困难情况下不能小于3000m。根据以上要求，可由变形曲线求得附加变形坡度(如图10)和竖曲线半径，如果此坡度和竖曲线半径和原有设计坡度和竖曲线半径叠加后能满足上述要求，则可行，反之则不可行。

注：本发明所提到的盾构隧道判断方法适用于单层、双层、多层衬砌，对于双层、多层衬砌判断是针对衬砌结构中的某一层衬砌。