考慮盾構(gòu)穿越影響的堤防邊坡二維安全穩(wěn)定性分析方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種考慮盾構(gòu)穿越影響的堤防邊坡二維安全穩(wěn)定性分析方法，該分析方法根據(jù)應(yīng)力擴(kuò)散原理得到盾構(gòu)推力在堤防地基中的應(yīng)力擴(kuò)散角，并根據(jù)對堤防安全穩(wěn)定性最不利開挖面的加固位置確定盾構(gòu)施工的影響范圍，即加固范圍，并對該影響范圍沿堤防縱向劃分成若干條帶，在每個條帶上分為若干土條；其次，基于Mindlin原理通過數(shù)值積分，求解每個條帶上的每個土條滑弧位置上的盾構(gòu)擠壓傳來的附加下滑推力，并進(jìn)行算術(shù)平均施加于某一條帶上；最后，采用二維平面極限平衡法，即可計(jì)算分析堤防邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和初始堤防安全穩(wěn)定性等進(jìn)行比對，從而可以科學(xué)、定量地合理評價盾構(gòu)施工對堤防安全穩(wěn)定性影響。
【專利說明】考慮盾構(gòu)穿越影響的堤防邊坡二維安全穩(wěn)定性分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的一種盾構(gòu)穿越對軟弱地基堤防安全穩(wěn)定性的簡化評價方法，屬于地 下工程施工對周邊環(huán)境的影響及保護(hù)研究領(lǐng)域。本方法將盾構(gòu)施工對堤防影響的局部的、 三維問題轉(zhuǎn)化為平面問題加以解決，很容易為對二維邊坡較為熟悉的廣大工程技術(shù)人員理 解、掌握，并加以靈活應(yīng)用。本方法的提出，解決了目前盾構(gòu)穿越堤防時缺乏相應(yīng)的為廣大 工程技術(shù)人員所熟悉的計(jì)算方法和安全評價標(biāo)準(zhǔn)的問題。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，根據(jù)河道和堤防工程的相關(guān)管理規(guī)定，穿越堤防的盾構(gòu)施工可能對水利工 程堤防和行洪等造成潛在不利的影響，必須進(jìn)行洪水影響評價，以確保堤防工程安全。隨著 南京城市規(guī)模擴(kuò)大，繼南京地鐵1號線和2號線成功穿越秦淮河之后，最近地鐵11號線成 功穿越了滁河，南京地鐵3號線、6號線還將穿越秦淮河。隨著河西開發(fā)向縱深發(fā)展，穿越秦 淮河的電力隧道、雨污分流工程近幾年也逐漸增多，南京市下關(guān)區(qū)220KV碼頭變電站送電 工程盾構(gòu)穿秦淮河、南京市220kV莫愁變-寧海路變電纜輸電線路工程盾構(gòu)穿越外秦淮河， 南京市雨污分流工程洪武路頂管穿越外秦淮河隧道工程等等。
[0003] 但是由于盾構(gòu)施工對堤防工程安全穩(wěn)定性的影響往往是局部的，盾構(gòu)直徑相對于 堤防縱向的尺寸是很小的，是典型的三維問題。目前《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)， 對于堤防工程的安全穩(wěn)定性分析方法主要采用的平面的極限平衡分析方法，這主要是堤防 橫斷面尺寸相對于堤防縱向長度而言是很小的，采用平面的計(jì)算方法是合理的、可行的。這 些平面的極限平衡邊坡安全穩(wěn)定性計(jì)算方法也為設(shè)計(jì)人員、施工人員和管理人員所熟悉和 掌握。但是，對于盾構(gòu)施工對堤防影響的三維計(jì)算方法，則較為陌生，且三維極限分析方法 也較為復(fù)雜，計(jì)算耗時長，不利于工程設(shè)計(jì)中直接使用。
[0004] 因此，工程技術(shù)人員往往根據(jù)個別所謂失敗的施工案例，夸大了盾構(gòu)施工對堤防 影響，在沒有得到科學(xué)計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，對加固方法和加固方案提出過于苛刻的要求，也 就導(dǎo)致加固方案過于保守和經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何合理、簡單地快速確定盾構(gòu)施工對 堤防安全穩(wěn)定性的影響。該方法力學(xué)概念清晰，同時利用工程技術(shù)人員較為熟悉的二維平 面邊坡穩(wěn)定計(jì)算程序，較容易為技術(shù)人員所掌握，同時也較為容易為河道管理部門所接受。
[0006] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的分析方法是根據(jù)地基土的性質(zhì)得到相 應(yīng)的應(yīng)力擴(kuò)散角，同時根據(jù)加固位置與對堤防安全穩(wěn)定性影響最不利的盾構(gòu)開挖面的距離 確定盾構(gòu)施工的影響范圍，將該影響范圍作為堤防的加固范圍，在該影響范圍內(nèi)沿堤防縱 向?qū)⒃摲秶殖扇舾蓷l帶；同時，基于Mindlin解答并通過數(shù)值積分，求解得到各條帶的各 土條的滑弧位置上的盾構(gòu)擠壓的附加推力，并將各條帶上相同位置土條的附加推力相加除 以條帶數(shù)，同時施加于某一條帶對應(yīng)的土條上，從而將盾構(gòu)施工三維問題簡化為二維問題 考慮；最后，將該附加推力加入到二維平面邊坡穩(wěn)定計(jì)算公式中，得到考慮盾構(gòu)施工影響的 堤防安全穩(wěn)定性系數(shù)，評價盾構(gòu)施工對堤防的影響。
[0007] 上述應(yīng)力擴(kuò)散角根據(jù)土的性質(zhì)采用數(shù)值計(jì)算分析的方法進(jìn)行計(jì)算分析后獲得。積 累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)后，也可采用經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)力擴(kuò)散角。
[0008] 上述條帶條帶劃分在一般情況下，將每lm分成一個條帶較為合適。
[0009] 上述二維平面邊坡穩(wěn)定計(jì)算公式，可采用Bishop法或者不平衡推力法。
[0010] 有益效果：本發(fā)明提出了一種物理力學(xué)概念清晰、操作簡單、易為廣大工程技術(shù)人 員掌握的考慮盾構(gòu)施工影響的堤防安全穩(wěn)定性計(jì)算方法。該方法采用二維的安全穩(wěn)定性計(jì) 算方法考慮盾構(gòu)施工三維的局部影響，解決了以往計(jì)算分析上難題，具有非常容易推廣的 工程應(yīng)用價值。
[0011] 本發(fā)明是一種簡單的、操作性強(qiáng)的二維極限平衡的計(jì)算方法，能夠快速準(zhǔn)確評價 盾構(gòu)施工對堤防安全穩(wěn)定性的影響。首先，能夠根據(jù)應(yīng)力擴(kuò)散原理得到盾構(gòu)推力在堤防 地基中的應(yīng)力擴(kuò)散角，根據(jù)工程現(xiàn)場條件確定加固位置后，即可得到盾構(gòu)推力在地基中的 擴(kuò)散范圍，即盾構(gòu)施工的影響范圍，也就是三維計(jì)算分析中所采用的計(jì)算寬度；其次，基于 Mindlin原理通過數(shù)值積分求得盾構(gòu)施工對堤防滑弧位置上各條帶上各土條的附加推力 (該力增加了堤防邊坡的下滑力，降低堤防邊坡的安全穩(wěn)定性）；最后，將各土條上的附加推 力相加求算術(shù)平均施加于一個條帶上，即可采用二維極限平衡法，求解堤防邊坡安全穩(wěn)定 系數(shù)。同時，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、盾構(gòu)穿越前的堤防安全穩(wěn)定性等進(jìn)行比對，合理評價盾構(gòu) 施工對堤防安全穩(wěn)定性影響。
[0012] 除了上面所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征以及由這些技 術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來的優(yōu)點(diǎn)外，本發(fā)明所能解決的其他技術(shù)問題、技術(shù)方案中包含的 其他技術(shù)特征以及這些技術(shù)特征帶來的優(yōu)點(diǎn)，將結(jié)合附圖作出進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中堤防橫斷面及加固位置簡圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例條帶條分法計(jì)算邊坡受力簡圖。
[0014]

【具體實(shí)施方式】 實(shí)施例： 南京市下關(guān)區(qū)220KV碼頭變電站送電工程電纜隧道，隧道由唐山路220KV碼頭變電站 開始沿唐山路、南通路、鄭和中路走向，穿越三汊河(秦淮河）到達(dá)三汊河市民廣場出地面。 穿越秦淮河時采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)直徑為3m，盾殼頂部離河床底部的距離為4m，盾構(gòu)穿 越的土層為游泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，其基本參數(shù)為：土體變形模量萬=5. 4MPa，黏聚力C=8. 4kPa，內(nèi) 摩擦角0=7. 1°。堤防的橫斷面簡圖如圖1所示。
[0015] 盾構(gòu)掘進(jìn)對堤防邊坡土條附加推力的計(jì)算。
[0016] 當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)觀景平臺范圍時，對堤防的安全穩(wěn)定影響最不利，此時開挖面與加固 體的水平距離約為6. 0m，應(yīng)力擴(kuò)散角按經(jīng)驗(yàn)選取30°，利用幾何關(guān)系，即可得到盾構(gòu)推力擴(kuò) 散的范圍寬度3+2 X 6 X tan30°=9. 93m，近似取為10. 0m，也就是加固體沿堤防縱向的最小加 固寬度。
[0017] 根據(jù)地基中應(yīng)力擴(kuò)散角和加固位置相對于相對于對堤防安全穩(wěn)定性最不利盾構(gòu) 開挖面的距離，得到盾構(gòu)掘進(jìn)對堤防安全穩(wěn)定性的影響范圍，并進(jìn)行條帶的劃分；同時采 用Mindlin解答并通過積分的辦法，求解該影響范圍滑弧上的每一個條帶上每個土條上的 盾構(gòu)傳來的附加推力，取出其中某一個條帶，將附加推力施加在相應(yīng)位置的土條上；最后， 在二維邊坡穩(wěn)定計(jì)算程序相應(yīng)的計(jì)算公式中，加入以上傳來的盾構(gòu)附加推力，即可求解得 到考慮盾構(gòu)施工對堤防影響的安全穩(wěn)定系數(shù)，據(jù)此可進(jìn)行影響程度的評價和加固方案的確 定。
[0018] 具體地，以隧道中心線為中線，左右兩邊各取5m計(jì)算，因?yàn)閮蛇厡ΨQ，這里只計(jì)算 一半，計(jì)算寬度5m，按lm -個條帶進(jìn)行劃分，共劃分成5個條帶，條帶編號記為7=Γ5 ;在邊 坡滑弧上取22個點(diǎn)，將滑弧面分成23個土條，土條編號記為i=l~23,示意圖如圖所示。采 用Mindlin解并通過積分計(jì)算每個土條滑弧上的水平推力，如表1所示。
[0019] 盾構(gòu)直徑取3m，盾構(gòu)機(jī)長度5m，隧道埋深取4m，盾構(gòu)機(jī)開挖面附加推力50kPa，摩 擦力 65kPa。
[0020] 表1各條帶各土條上的推力（單位：kN) 1 2 3 4 5 平均值 ； 1 - 0 0 - 0-0 ο - ο j 2__Ο__Ο__Ο__Ο__Ο__Ο ? 3__Ο__Ο__Ο__Ο__Ο__Ο 丨 4__Ο__Ο__Ο__Ο__Ο__Ο 5 __0.347 0.341 0.325 0.301 0.272 0.305 6 __1.591 1.552 1.447 1.296 1.126 1.328 7 __3.193 3.114 2.896 2.583 2.229 2.649 8 __3.822 3.743 3.522 3.1% 2.814 3.253 9 __3.315 3.263 3.114 2.887 2.611 2.917 10 __2.5Τ1 2.54 2.451 2.313 2.139 2.326 11 __1.837 1.82 1.771 1.693 1.593 1.699 12 __1.223 1.214 1.188 1.147 1.093 1.149 13 __0.795 0.79 0.777 0.755 0.726 0.756 14 __0. 44 0. 438 0.432 0. 422 0. 409 0. 422 15 __0.166 0.165 0.163 0.16 0.156 0.18 16 __0.016 0.016 0.016 0.016 0.015 0.016 17 __0.19 0.189 0.188 0.185 0.181 0.185 18 __0.33 0.329 0.326 0.323 0.317 0.323 19 __0. 432 0. 431 0. 429 0. 424 0. 418 0. 424 20 __0.53 0.529 0.526 0.521 0.515 0.521 21 __0.614 0.613 0.61 0.605 0.598 0.605 22 __0.707 0. 706 0. 703 0. 698 0. 691 0. 698 23 __0. 792 0. Τ91 0.788 0. 783 0. 776 0. 783 求和 22.908 122.585 121. S69 120.308 118.681 _ j MM 106.15 通過上述方法，求得本工程中盾構(gòu)引起的滑坡推力為106. 15X2=212. 3kN。
[0021] 盾構(gòu)掘進(jìn)前堤防的安全穩(wěn)定系數(shù)為1. 52,考慮掘進(jìn)影響的安全穩(wěn)定系數(shù)降為 1. 31，盾構(gòu)掘進(jìn)對堤防安全穩(wěn)定性有一定的影響。以上求解得到的盾構(gòu)施工引起的附加推 力212. 3kN，如果按照等強(qiáng)進(jìn)行堤防補(bǔ)強(qiáng)的話，該值即為加固措施需要提供的抗力。
[0022] 以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí) 施方式。對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對這些實(shí)施 方式進(jìn)行實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 考慮盾構(gòu)穿越影響的堤防邊坡二維安全穩(wěn)定性分析方法，其特征在于：根據(jù)地基土 的性質(zhì)得到相應(yīng)的應(yīng)力擴(kuò)散角，同時根據(jù)加固位置與對堤防安全穩(wěn)定性影響最不利的盾構(gòu) 開挖面的距離確定盾構(gòu)施工的影響范圍，將該影響范圍作為堤防的加固范圍，在該影響范 圍內(nèi)沿堤防縱向?qū)⒃摲秶殖扇舾蓷l帶；同時，基于Mindlin解答并通過數(shù)值積分，求解得 到各條帶的各土條的滑弧位置上的盾構(gòu)擠壓的附加推力，并將各條帶上相同位置土條的附 加推力相加除以條帶數(shù)，同時施加于某一條帶對應(yīng)的土條上，從而將盾構(gòu)施工三維問題簡 化為二維問題考慮；最后，將該附加推力加入到二維平面邊坡穩(wěn)定計(jì)算公式中，得到考慮盾 構(gòu)施工影響的堤防安全穩(wěn)定性系數(shù)，評價盾構(gòu)施工對堤防的影響。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮盾構(gòu)穿越影響的堤防邊坡二維安全穩(wěn)定性分析方法，其 特征在于：所述應(yīng)力擴(kuò)散角根據(jù)土的性質(zhì)采用數(shù)值計(jì)算分析的方法進(jìn)行計(jì)算分析后獲得。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮盾構(gòu)穿越影響的堤防邊坡二維安全穩(wěn)定性分析方法，其 特征在于：所述應(yīng)力擴(kuò)散角采用經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)力擴(kuò)散角。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮盾構(gòu)穿越影響的堤防邊坡二維安全穩(wěn)定性分析方法，其 特征在于：所述條帶劃分按照每lm分成一個條帶進(jìn)行劃分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮盾構(gòu)穿越影響的堤防邊坡二維安全穩(wěn)定性分析方法，其 特征在于：所述二維平面邊坡穩(wěn)定計(jì)算公式采用Bishop法或者不平衡推力法。
【文檔編號】E02B1/00GK104120677SQ201410316003
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】鐘小春, 葉文龍, 王紅飛, 汪海 申請人:河海大學(xué)