本发明涉及计算机辅助设计，特别涉及盾构隧道穿越倾斜复合地层时的竖向荷载估算方法。
背景技术：
1、复合地层是指物理力学性质差异较大的不同地层交错分布形成的一种特殊地层条件，在我国华南、西南、东南等地区较为常见，目前穿越上软下硬复合地层的超大直径盾构隧道逐渐增多。
2、复合地层盾构隧道由于滑移面形态不同，其外部荷载分布与均质地层盾构隧道有着较大差异，由此导致隧道结构受力变形规律与均质地层也有所不同。
3、因此，建立外部荷载估算模型，对复合地层超大直径盾构隧道的设计和施工具有重大意义。
4、现有的模型主要研究隧道开挖面上方滑移面的形状，但是对于隧道断面两侧滑移面的研究比较少。
5、而且，传统隧道荷载计算模型主要针对均质地层、水平地层，对于复合地层直接将地层参数进行加权平均，难以反映复合地层中不同地层物理力学性质的差异。
6、因此，如何在盾构隧道穿越倾斜复合地层时的竖向荷载估算加入将倾斜地层主应力偏转的性质和复合地层中滑移面形态的差异成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供盾构隧道穿越倾斜复合地层时的竖向荷载估算方法，实现的目的是在盾构隧道穿越倾斜复合地层时的竖向荷载估算加入将倾斜地层主应力偏转的性质和复合地层中滑移面形态的差异为穿越上软下硬复合地层的超大直径盾构隧道的设计和施工提供参考。
2、为实现上述目的，本发明公开了盾构隧道穿越倾斜复合地层时的竖向荷载估算方法；其特征在于，包括如下步骤：
3、步骤1、根据穿越倾斜复合地层的盾构隧道勘察资料，提取所述盾构隧道的基本参数以及所述倾斜复合地层的几何参数和物理力学性质参数，经过数据标准化后，在盾构机plc系统中构建数据库；
4、步骤2、在盾构机plc系统中通过偏转角度计算模块计算倾斜地表下地层仅受重力时的初始应力以及主应力偏转角，并计算隧道上方滑移面偏转后的倾斜角；
5、步骤3、建立穿越所述倾斜复合地层的所述盾构隧道的几何模型后，将所述几何模型导入所述盾构隧道的开挖影响宽度，再基于折线滑移面方法计算所述盾构隧道开挖影响宽度；
6、步骤4、将所述数据库中标准数据和所述几何模型导入盾构机plc系统中的模型初始化模块中，进行初始化形成计算模型；
7、步骤5、对所述计算模型的上半部分，采用平衡条件建立关于竖向应力的微分方程，代入边界条件求解竖向应力；对所述计算模型的下半部分，根据竖向力平衡求解倾斜均质地层隧道拱顶竖向荷载。
8、优选的，在步骤1中，所述数据库中所述盾构隧道的基本参数包括衬砌外径、拱顶埋深和地面超载，所述倾斜复合地层的几何参数包括地层倾角和各地层厚度，所述倾斜复合地层的物理力学性质参数包括各地层的重度、内摩擦角、粘聚力和泊松比。
9、优选的，在步骤2中，所述偏转角度计算模块的工作步骤如下：
10、步骤2.1、初始应力计算；具体为：计算所述倾斜复合地层的倾斜地表下地层仅受重力时的初始应力，计算公式如下：
11、
12、其中，σx、σy和τxy分别为土体内需要计算初始应力的点的水平应力、竖向应力和剪应力，γ为土体重度，β为地层倾角，μ为土体的泊松比，y为土体内需要计算初始应力的点到倾斜地表的垂直距离；
13、步骤2.2、主应力偏转角计算；具体为：计算所述倾斜复合地层的倾斜地层主应力偏转角，计算公式如下：
14、
15、其中，α0为主应力偏转角；
16、步骤2.3、偏转倾斜角计算；具体为：计算所述盾构隧道的上方滑移面偏转后的倾斜角，计算公式如下：
17、
18、其中，θ1、θ2分别为一侧滑移面和另一侧滑移面于竖直面的夹角，为土体的内摩擦角。
19、更优选的，步骤3具体如下：
20、步骤3.1、滑移面倾斜角计算；具体为：计算所述盾构隧道两侧折线滑移面各段的倾斜角，具体公式如下：
21、
22、其中，α1、α2和α3为所述盾构隧道一侧折线滑移面各段的倾斜角，α1’、α’2和α3’为隧道另一侧折线滑移面各段的倾斜角，和为各地层的内摩擦角；
23、步骤3.2、一侧滑移面位置计算；具体为：计算所述盾构隧道一侧滑移面延伸至地表后距离隧道中轴线的距离btr，具体公式如下：
24、btr＝l0+l1+l2+l3；
25、其中，
26、
27、其中，btr为所述盾构隧道一侧滑移面延伸至地表后距离隧道中轴线的距离，h1、h2和h3为隧道中轴线处各地层厚度，h0、l0、l1、l2、l3均为计算过程中的几何量，r为衬砌外半径；
28、步骤3.3、另一侧滑移面位置计算；具体为：计算所述盾构隧道另一侧滑移面延伸至地表后距离隧道中轴线的距离btl；
29、步骤3.4、所述盾构隧道开挖影响宽度计算；具体为计算所述盾构隧道穿越所述倾斜复合地层的隧道开挖影响宽度，具体公式如下：
30、2bt＝btl+btr
31、其中，bt为隧道开挖影响宽度的一半。
32、更优选的，在步骤4中，通过所述模型初始化模块进行初始化的过程中，设置如下初始边界条件：所述盾构隧道为浅埋隧道，土体滑移面为倾斜平面且延伸至地表，滑移体为刚体并做整体移动，只在平面内发生移动；地表为倾斜的平面；与地表平行的截面上无水平剪应力。
33、更优选的，步骤5具体如下：
34、步骤5.1、方程建立；具体为：所述计算模型的上半部分中取微分薄层，建立平衡方程；
35、步骤5.2、方程求解；具体为：即将所述平衡方程联立化简得到微分方程，再代入边界条件，求解所述竖向应力；
36、步骤5.3、竖向荷载计算；具体为：根据所述计算模型的下半部分的竖向平衡，求解倾斜均质地层隧道拱顶竖向荷载。
37、更优选的，步骤5.3中倾斜均质地层隧道拱顶竖向荷载的计算方式具体如下：
38、
39、其中，qy为隧道拱顶竖向荷载，σygi为gi面上的竖向应力，w为所述计算模型的下半部分的重力，σbij和τbij为所述计算模型的下半部分在ij面上的正应力和切应力，c为土体的粘聚力。
40、更优选的，若所述盾构隧道顶部竖向荷载沿水平方向线性分布，且分布斜率与地表斜率相同，在步骤5.3中通过插值方式计算中间各点竖向荷载。
41、更优选的，通过插值方式计算中间各点竖向荷载的公式如下：
42、
43、其中，q1、q2分别为所述盾构隧道拱顶左侧和右侧的竖向荷载。
44、本发明的有益效果：
45、本发明在盾构隧道穿越倾斜复合地层时的竖向荷载估算加入将倾斜地层主应力偏转的性质和复合地层中滑移面形态的差异为穿越上软下硬复合地层的超大直径盾构隧道的设计和施工提供参考。
46、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。