專利名稱：軟土地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向變形的保護(hù)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種建筑工程技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種軟土地層中盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向變形的保護(hù)控制方法。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市人口不斷增多，可利用空間越來(lái)越少，城市地下軌道交通的發(fā)展不僅緩解了城市繁重的交通壓力，而且有效利用了城市空間，為城市的可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。盾構(gòu)法是常用的地下隧道施工方法，它具有施工安全、掘進(jìn)速度快、自動(dòng)化作業(yè)等特點(diǎn)，是軟弱含水地層中長(zhǎng)距離隧道開(kāi)挖的最佳選擇。然而，軟土地層盾構(gòu)隧道在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中容易產(chǎn)生沉降、變形，導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂、滲漏，嚴(yán)重時(shí)甚至造成軌道扭曲， 影響行車安全。國(guó)際隧道聯(lián)合會(huì)(ITA)經(jīng)過(guò)大量的調(diào)查研究于2000年在《Tunnelling and Undergrounding Space Technology〉〉(隧道禾口地下空間技術(shù))發(fā)表了〈〈Guidelines for the Design of Shield Tunnel Lining》(盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)指南)。該文全面系統(tǒng)地介紹了當(dāng)前盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)流程及分析方法。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是將隧道簡(jiǎn)化為二維模型，僅考慮隧道橫斷面上的受力變形，卻沒(méi)有對(duì)隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)引起的縱向變形和結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行針對(duì)性的分析，對(duì)于隧道縱向螺栓則完全憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。我國(guó)《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50157-92)》推薦使用荷載結(jié)構(gòu)模型的橫向設(shè)計(jì)方法，也未考慮隧道縱向變形的影響。 2010年版《上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ08-11-2010)較之1999年版(DGJ08-11-1999) 更加強(qiáng)調(diào)了隧道的縱向沉降的影響，提出接縫最大張開(kāi)、環(huán)間錯(cuò)臺(tái)限值的取用，但對(duì)隧道縱向設(shè)計(jì)的分析方法依然缺乏明確的說(shuō)明，對(duì)螺栓受力分析沒(méi)有定量的確定方法。目前隧道縱向變形的研究已經(jīng)逐漸引起了學(xué)者的關(guān)注，但縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型尚不成熟，對(duì)于拉、剪共同作用下的縱向連接螺栓仍然沒(méi)有很好的保護(hù)方法。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，隧道縱向變形常采用的分析模型為縱向梁-彈簧模型和縱向等效連續(xù)化模型。前者由日本的小泉淳等于1988年在《土木學(xué)會(huì)論文集》(日本土木工程學(xué)會(huì)學(xué)報(bào))發(fā)表的《* 一 A F卜 > 才、A Θ軸方向特性” ^ r A化d 0 》中提出。它將梁?jiǎn)卧M襯砌環(huán)、以彈簧的軸向、剪切和轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)模擬環(huán)向接頭和螺栓，它的缺點(diǎn)是無(wú)法得到相鄰管片接頭間的相對(duì)不連續(xù)變形量，無(wú)法精確給出螺栓的內(nèi)力。后者由日本的志波由紀(jì)夫等于1988年在《土木學(xué)會(huì)論文集》(日本土木工程學(xué)會(huì)學(xué)報(bào))發(fā)表的《》 一> κ卜>+ ^ 耐震解析^3長(zhǎng)手方向覆工剛性Q評(píng)價(jià)法》中提出。它將隧道視為均質(zhì)圓環(huán)，將接頭和管片視為具有相同剛度和結(jié)構(gòu)特性的均勻連續(xù)梁。事實(shí)上，隧道的縱向變形表現(xiàn)為相鄰襯砌環(huán)間的錯(cuò)臺(tái)，這種錯(cuò)臺(tái)會(huì)導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生剪應(yīng)力，當(dāng)錯(cuò)臺(tái)達(dá)到一定程度會(huì)使環(huán)縫張開(kāi)，使螺栓產(chǎn)生拉應(yīng)力。這種“錯(cuò)臺(tái)”的變形模式和以均質(zhì)圓環(huán)為模型的隧道彎曲模式有著本質(zhì)的區(qū)別，因而用縱向等效連續(xù)化模型同樣不能準(zhǔn)確地計(jì)算螺栓的內(nèi)力
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種軟土地層中盾構(gòu)隧道縱向變形的保護(hù)控制方法，利用地質(zhì)調(diào)查的方法確定含隧道在內(nèi)的淺層土的土層特性，通過(guò)對(duì)隧道長(zhǎng)期沉降曲線進(jìn)行擬合，并結(jié)合Cosserat非平衡力學(xué)理論體系的分析方法確定隧道環(huán)間螺栓的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，從而控制隧道的縱向變形。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括以下步驟第一步，獲取含隧道在內(nèi)的淺層土的土層劃分信息，隨后提取隧道所在土層的土樣進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)。所述的淺層土的土層劃分是指利用孔壓式靜力觸探確定土體的貫入阻力和孔隙水壓與深度的關(guān)系曲線，檢測(cè)深度為隧道中心線埋深的1.5倍，沿隧道縱向每IOOm布置一個(gè)檢測(cè)孔。畫(huà)出以孔隙水壓與貫入阻力之比為橫軸，以貫入阻力與初始地層應(yīng)力之比為縱軸的關(guān)系圖，并將該圖劃分若干不同土性特征區(qū)以此代表不同土的類型；將實(shí)測(cè)的靜力觸探曲線的數(shù)據(jù)標(biāo)于該圖以判斷場(chǎng)地土層的類型；再根據(jù)土的類型對(duì)照貫入阻力曲線與孔隙水壓力分布曲線，確定施工現(xiàn)場(chǎng)土層劃分信息；所述的提取隧道所在土層的土樣是指用薄壁取土設(shè)備在隧道所在土層取土，用于做室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)。土樣數(shù)以不少于三個(gè)試件為宜，隧道縱向取土間隔約為100m。所述的室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)是指密度試驗(yàn)，即通過(guò)環(huán)刀法等密度試驗(yàn)方法測(cè)得各土層的濕密度，并計(jì)算相應(yīng)的重度。第二步，利用水準(zhǔn)儀測(cè)量隧道結(jié)構(gòu)整體沉降，以隧道縱向?yàn)闄M軸，以隧道累積沉降值為縱軸標(biāo)出隧道各環(huán)沉降累積值。所述的水準(zhǔn)儀測(cè)量是指以地面一等水準(zhǔn)測(cè)量路線作為首級(jí)水準(zhǔn)控制點(diǎn)，在主要地鐵車站出入口附件埋設(shè)臨時(shí)水準(zhǔn)基點(diǎn)，在車站站廳設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)并進(jìn)行聯(lián)測(cè)。測(cè)量路線采取單程線路觀測(cè)并在兩個(gè)地鐵車站之間的車站站廳基準(zhǔn)點(diǎn)附和，即上行線、下行線形成附合線路。測(cè)量采用國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量精度，每一個(gè)隧道襯砌環(huán)逐一測(cè)量，測(cè)量頻率為每半年一次。第三步，對(duì)隧道累積沉降曲線進(jìn)行分段擬合，確定累積沉降曲線的高斯擬合方程。所述的分段擬合是指以隧道累積沉降曲線的極小值點(diǎn)為分段節(jié)點(diǎn)，將隧道沉降曲線分為若干段，對(duì)每段曲線進(jìn)行高斯擬合。所述的高斯擬合方程滿足以下公式J(X) = Smax exp[-^^]+&，其中，Smax為沉降漏斗的峰值；Stl為隧道整體沉降量；i為沉降槽寬度系數(shù)；X。為沿沉降槽中心的坐標(biāo)；X為隧道任意一點(diǎn)的橫向坐標(biāo)。
權(quán)利要求
1. 一種軟土地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向變形的保護(hù)控制方法，其特征在于包括以下步驟第一步，獲取含隧道在內(nèi)的淺層土的土層劃分信息，隨后提取隧道所在土層的土樣進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)；第二步，利用水準(zhǔn)儀測(cè)量隧道結(jié)構(gòu)整體沉降，以隧道縱向?yàn)闄M軸，以隧道累積沉降值為縱軸標(biāo)出隧道各環(huán)沉降累積值；第三步，對(duì)隧道累積沉降曲線進(jìn)行分段擬合，確定累積沉降曲線的高斯擬合方程； 第四步，確定隧道剪力值； 所述的隧道剪力值滿足以下公式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟土地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向變形的保護(hù)控制方法，其特征在于所述的分段擬合是指以隧道累積沉降曲線的極小值點(diǎn)為分段節(jié)點(diǎn)，將隧道沉降曲線分為若干段，對(duì)每段曲線進(jìn)行高斯擬合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的軟土地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向變形的保護(hù)控制方法，其特征在于所述的高斯擬合方程滿足以下公式
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟土地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向變形的保護(hù)控制方法，其特征在于所述的Cosserat不平衡荷載通過(guò)如下步驟獲得1)確定隧道上方總荷載；所述的隧道上方總荷載滿足以下公式
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟土地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向變形的保護(hù)控制方法，其特征在于所述的每個(gè)螺栓的剪應(yīng)力滿足以下公式ATb (Xb ) = Δτχζ ( ) X ^^I-,n-Db其中，Xb為螺栓對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)；δ Tb(Xb)為螺栓的剪應(yīng)力；d為隧道內(nèi)直徑，Db為螺栓直徑，η為環(huán)間螺栓個(gè)數(shù)，通過(guò)隧道設(shè)計(jì)圖確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟土地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向變形的保護(hù)控制方法，其特征在于所述的每個(gè)螺栓的拉應(yīng)力滿足以下公式'0,S\x)L<83Lb其中，螺栓的拉應(yīng)力；L為隧道襯砌環(huán)寬度，具體通過(guò)隧道橫斷面設(shè)計(jì)圖確定；E 為螺栓的彈性模量，Lb為螺栓的長(zhǎng)度；S’ (χ)為S(x)的一階導(dǎo)函數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟土地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向變形的保護(hù)控制方法，其特征在于所述的淺層土的土層劃分是指利用孔壓式靜力觸探確定土體的貫入阻力和孔隙水壓與深度的關(guān)系曲線，檢測(cè)深度為隧道中心線埋深的1.5倍，沿隧道縱向每IOOm布置一個(gè)檢測(cè)孔；畫(huà)出以孔隙水壓與貫入阻力之比為橫軸，以貫入阻力與初始地層應(yīng)力之比為縱軸的關(guān)系圖，并將該圖劃分若干不同土性特征區(qū)以此代表不同土的類型；將實(shí)測(cè)的靜力觸探曲線的數(shù)據(jù)標(biāo)于該圖以判斷場(chǎng)地土層的類型；再根據(jù)土的類型對(duì)照貫入阻力曲線與孔隙水壓力分布曲線，確定施工現(xiàn)場(chǎng)土層劃分信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟土地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向變形的保護(hù)控制方法，其特征在于所述的提取隧道所在土層的土樣是指用薄壁取土設(shè)備在隧道所在土層取土，用于做室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)，土樣數(shù)以不少于三個(gè)試件為宜，隧道縱向取土間隔為100m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟土地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向變形的保護(hù)控制方法，其特征在于所述的室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)是指密度試驗(yàn)，即通過(guò)環(huán)刀法等密度試驗(yàn)方法測(cè)得各土層的濕密度，并計(jì)算相應(yīng)的重度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟土地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向變形的保護(hù)控制方法，其特征在于所述的水準(zhǔn)儀測(cè)量是指以地面一等水準(zhǔn)測(cè)量路線作為首級(jí)水準(zhǔn)控制點(diǎn)，在主要地鐵車站出入口附件埋設(shè)臨時(shí)水準(zhǔn)基點(diǎn)，在車站站廳設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)并進(jìn)行聯(lián)測(cè)；測(cè)量路線采取單程線路觀測(cè)并在兩個(gè)地鐵車站之間的車站站廳基準(zhǔn)點(diǎn)附和，即上行線、下行線形成附合線路；測(cè)量采用國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量精度，每一個(gè)隧道襯砌環(huán)逐一測(cè)量，測(cè)量頻率為每半年一次。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種軟土地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)抵抗縱向變形的保護(hù)控制方法，步驟為獲取含隧道在內(nèi)的淺層土的土層劃分信息，隨后提取隧道所在土層的土樣進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)；利用水準(zhǔn)儀測(cè)量隧道結(jié)構(gòu)整體沉降，以隧道縱向?yàn)闄M軸，以隧道累積沉降值為縱軸標(biāo)出隧道各環(huán)沉降累積值；對(duì)隧道累積沉降曲線進(jìn)行分段擬合，確定累積沉降曲線的高斯擬合方程；確定隧道剪力值；確定每個(gè)螺栓的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，根據(jù)得到的隧道環(huán)間螺栓的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，控制隧道的縱向變形。本發(fā)明采用Cosserat非平衡力學(xué)理論體系定量地確定隧道襯砌環(huán)間螺栓的應(yīng)力，方法簡(jiǎn)單，便于推廣，適用于盾構(gòu)隧道縱向變形的控制問(wèn)題。
文檔編號(hào)E21D9/14GK102425430SQ20111034646
公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者吳懷娜, 沈水龍, 許燁霜 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)