一种大坡度TBM施工导致围岩侧向位移的预测方法与流程

一种大坡度tbm施工导致围岩侧向位移的预测方法
技术领域
1.本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种大坡度tbm施工导致围岩侧向位移的预测方法。


背景技术：

2.盾构或tbm(全断面硬岩隧道掘进机)施工具有对围岩变形影响小的优点，目前有诸多关于tbm施工间隙导致围岩变形的预测设备及方法，但所属工程大都为处于水平面内的直线隧道，且主要获得的是围岩竖向变形的设备及存储介质，鲜有大坡度隧道施工间隙导致围岩侧向位移的预测设备或方法。对于盾构或tbm沿大坡度路径掘进工况，隧道轴线标高是不断变化的，常规的预测方法显然不适用。


技术实现要素：

3.本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种大坡度tbm施工导致围岩侧向位移的预测方法，该预测方法通过结合tbm沿大坡度施工路径掘进过程中的施工工艺，可准确计算三维空间中tbm的三维施工间隙导致的围岩收敛变形边界，从而准确预测tbm的三维施工间隙导致的围岩侧向位移。
4.本发明目的实现由以下技术方案完成：
5.一种大坡度tbm施工导致围岩侧向位移的预测方法，其特征在于所述预测方法包括以下步骤：
6.(1)tbm沿大坡度施工路径掘进开挖隧道，基于三维随机介质理论，推导出所述tbm掘进开挖所述隧道时由围岩损失引起围岩侧向变形的理论公式；其中，所述大坡度施工路径中的大坡度是指所述隧道的轴线与水平直线之间的夹角为γ；
7.(2)建立大坡度隧道三维空间模型，结合所述大坡度隧道施工路径、所述tbm外径r以及地层损失百分率η，得到所述隧道的围岩收敛变形边界的半径r；
8.(3)将围岩损失所产生的单位体积“空隙”在实际的三维施工间隙的体积域内进行积分运算，以得到所述tbm的所述三维施工间隙导致的围岩侧向位移计算公式。
9.步骤(1)包括以下步骤：
10.建立三维直角坐标系，坐标系原点以及x轴、y轴均位于水平地表，z轴竖直向下；假设所述三维直角坐标系中的点f(x0,y0,z0)处有一单位体积空隙，所述单位体积空隙引起深层围岩任一点p(x,y,z)处沿x轴、y轴的侧向位移分别为：
[0011][0012][0013]
式中：
[0014]
β为隧道上部围岩的主要影响角，其取值通过查阅地质勘测资料确定。
[0015]
步骤(2)包括以下步骤：
[0016]
建立所述大坡度隧道三维空间模型，所述隧道的坡度为γ，约定所述tbm向下掘进为正、向上掘进为负；所述隧道的掌子面中心所处埋深为h；所述隧道轴线上x坐标处的埋深为随x和γ而变化的非定值；f(x0,y0,z0)处的埋深h(x0)的计算公式为：
[0017]
h(x0)＝h+x0tanγ
[0018]
所述tbm沿所述大坡度施工路径掘进的长度为l，所述tbm在掘进通过后无支护的情况下所产生的三维施工间隙为vs，计算公式为：
[0019]vs
＝ηπr2[0020]
式中：r为所述tbm的外径；η为地层损失百分率；
[0021]
按照均匀地层移动模式，得到所述围岩收敛变形边界的半径r，计算公式为：
[0022][0023]
步骤(3)包括以下步骤：
[0024]
将步骤(1)中得到的所述单位体积“空隙”在步骤(2)中所述三维施工间隙的体积域内进行积分运算，所述体积域包括所述tbm边界圆环沿所述隧道轴线行进l距离所围成的空间体积a以及所述围岩收敛变形边界沿所述隧道轴线行进l距离所围成的空间体积b，将空间体积a与空间体积b进行做差，得到所述tbm掘进过程中因所述三维施工间隙所导致的围岩沿x轴、y轴的侧向位移的计算公式分别为：
[0025][0026][0027]
本发明的优点是：以三维随机介质理论为基础，充方考虑了大坡度tbm实际施工特点，能准确的进行围岩侧向位移预测，并为今后关于地平线非对称的围岩损失导致围岩变形方面的计算方法提供研究基础。
附图说明
[0028]
图1为本发明中大坡度tbm施工导致围岩侧向位移的预测方法流程示意图；
[0029]
图2为本发明中三维直角坐标系示意图；
[0030]
图3为本发明中tbm边界与围岩收敛变形边界示意图。
具体实施方式
[0031]
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
[0032]
如图1-3，图中各标记分别为：r为tbm外径；r为围岩收敛变形边界的半径；。
[0033]
实施例：如图1、2、3所示，本实施例具体涉及一种大坡度tbm施工导致围岩侧向位移的预测方法，该预测方法主要包括以下步骤：
[0034]
(1)tbm沿大坡度施工路径掘进开挖隧道，基于litwiniszyn提出的三维随机介质理论，推导出tbm掘进开挖隧道时由围岩损失(即弹性半无限体内由于单位体积“空隙”)引起围岩侧向变形的理论公式；此处的大坡度施工路径是指隧道的轴线与水平直线之间的夹
角为γ；具体方法详述如下：
[0035]
基于litwiniszyn提出的三维随机介质理论，建立三维直角坐标系，坐标系原点以及x轴、y轴均位于水平地表，z轴竖直向下；假设三维直角坐标系中的点f(x0,y0,z0)处有一单位体积空隙，其引起深层围岩任一点p(x,y,z)处沿x轴、y轴的侧向位移分别为：
[0036][0037][0038]
式中：
[0039]
β为隧道上部围岩的主要影响角，其取值通过查阅地质勘测资料确定；
[0040]
前处所指的深层围岩是指地表(x,y,0)以下的地层，其它二维理论得出的是地表处的位移，而三维理论可以得到地表以下的地层位移。
[0041]
(2)建立大坡度隧道三维空间模型，结合大坡度隧道施工路径、tbm外径r以及地层损失百分率η，得到隧道的围岩收敛变形边界的半径r，具体方法详述如下：
[0042]
建立大坡度隧道三维空间模型，隧道的坡度为γ，单位为
°
，约定tbm向下掘进为正、向上掘进为负；隧道的掌子面中心所处埋深为h，单位为m；隧道轴线上x坐标处的埋深为随x和γ而变化的非定值；本实施例只讨论一定坡度下点f(x0,y0,z0)处的埋深h(x0)的计算公式为：
[0043]
h(x0)＝h+x0tanγ。
[0044]
tbm沿大坡度施工路径掘进的长度为l，单位为m；假设tbm在掘进通过后未及时支护的情况下，由此所产生的三维施工间隙(单位长度)为vs，计算公式为：
[0045]vs
＝ηπr2[0046]
式中：r为tbm的外径；η为地层损失百分率，假设其取值与tbm埋深无关，仅与工程地质条件有关，还与施工技术等因素有关。
[0047]
按照均匀地层移动模式，得到围岩收敛变形边界的半径r，计算公式为：
[0048][0049]
(3)将围岩损失所产生的单位体积“空隙”在实际的三维施工间隙的体积域内进行积分运算，以得到tbm的所述三维施工间隙导致的围岩侧向位移计算公式，具体方法详述如下：
[0050]
将步骤(1)中得到的单位体积“空隙”在步骤(2)中三维施工间隙的体积域内进行积分运算，体积域分为两部分，包括所述tbm边界圆环沿所述隧道轴线行进l距离所围成的空间体积a以及所述围岩收敛变形边界沿所述隧道轴线行进l距离所围成的空间体积b，将空间体积a与空间体积b进行做差，得到tbm掘进过程中因三维施工间隙所导致的围岩沿x轴、y轴的侧向位移的计算公式分别为：
[0051][0052]
[0053]
相比于现有技术，本发明所述的大坡度隧道施工间隙导致围岩侧向位移的预测设备，基于三维随机介质理论提出一种盾构或tbm沿大坡度路径掘进时由三维施工间隙导致的围岩侧向位移预测公式，其结合大坡度隧道施工路径，可以准确计算三维空间中tbm施工间隙导致的围岩侧向位移，能够为预测隧道围岩变形提供较符合实际的解答。