本發(fā)明涉及隧道工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于地層損失率的砂土地層盾構(gòu)隧道松動(dòng)預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)作用在盾構(gòu)隧道襯砌拱頂?shù)耐馏w壓應(yīng)力小于原始地層應(yīng)力，約為原始地層應(yīng)力的40％～80％，這是由于隧道開挖導(dǎo)致的地層損失引起的地層松動(dòng)造成的土拱效應(yīng)造成的。

土拱效應(yīng)在隧道設(shè)計(jì)中有著重要意義。目前的實(shí)際設(shè)計(jì)方法中，一種是忽略土拱效應(yīng)，另一種是認(rèn)為土拱區(qū)延伸至地表。如果忽略土拱效應(yīng)，隧道襯砌拱頂承受的地層壓應(yīng)力采用全覆土重，勢(shì)必造成混凝土襯砌過(guò)厚，隧道空間利用率降低，并導(dǎo)致一定程度的材料浪費(fèi)，特別是對(duì)于超深埋隧道，混凝土襯砌過(guò)厚有可能導(dǎo)致隧道空間利用率無(wú)法滿足使用要求，如果采用高強(qiáng)度襯砌如鋼襯砌，會(huì)使隧道建造費(fèi)用大大增加，而且鋼襯砌長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生腐蝕，造成隧道滲漏，影響隧道的安全運(yùn)營(yíng)。而如果認(rèn)為土拱區(qū)延伸至地表，即隧道上覆土體全部位于土拱區(qū)內(nèi)，一般認(rèn)為這種方法對(duì)于埋深比c/d(c為隧道上覆土厚度，d為隧道直徑)不大于3倍的淺埋隧道是適用的，而對(duì)于c/d大于3的深埋隧道，一般情況下土拱區(qū)并不會(huì)延伸至地表，這種方法會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的隧道襯砌拱頂承受的土體壓應(yīng)力小于實(shí)際土體壓應(yīng)力，有可能導(dǎo)致隧道襯砌因支護(hù)力不足而破壞甚至導(dǎo)致隧道坍塌。

對(duì)于淺埋隧道需嚴(yán)格降低地層損失，雖然土拱效應(yīng)會(huì)降低襯砌上部的土體壓應(yīng)力，但是淺埋隧道土拱區(qū)很容易延伸至地表，造成地表沉降，危害地表建(構(gòu))筑物的正常使用和安全，總體上得不償失；而對(duì)于深埋隧道將地層損失控制在一個(gè)合理水平，不僅可以降低襯砌上部的土體壓應(yīng)力，大幅度節(jié)約材料，而且還能使土拱區(qū)不延伸至地表避免對(duì)地表建(構(gòu))筑物造成危害。

合理確定隧道襯砌上部的土體壓應(yīng)力的關(guān)鍵在于確定與地層損失相對(duì)應(yīng)的隧道松動(dòng)區(qū)范圍，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，研究方法總體上可以分為3大類：理論解析方法、模型試驗(yàn)方法和數(shù)值分析方法。理論解析方法包括基于試驗(yàn)的半理論半經(jīng)驗(yàn)方法和連續(xù)體彈塑性理論解析方法，只能計(jì)算出隧道的極限松動(dòng)土壓力即土拱松動(dòng)區(qū)延伸至地面時(shí)作用在隧道襯砌上部的土體壓應(yīng)力；而且砂土是一種顆粒物質(zhì)，砂土在土拱區(qū)域內(nèi)體積會(huì)發(fā)生膨脹，而且膨脹性與砂土的種類和相對(duì)密實(shí)度有關(guān)，但基于連續(xù)性假設(shè)的力學(xué)理論和有限元數(shù)值分析無(wú)法解釋這種現(xiàn)象；離散元方法在砂土這類非連續(xù)介質(zhì)的復(fù)雜力學(xué)過(guò)程分析中的應(yīng)用盡管十分流行，但仍有一些無(wú)法回避的缺點(diǎn)：一是基本參數(shù)的確定困難，二是求解過(guò)程耗時(shí)太長(zhǎng)，三是計(jì)算結(jié)果不能直接應(yīng)用于實(shí)際工程。

軌道交通的蓬勃發(fā)展促使區(qū)間隧道建設(shè)趨于大深度化，區(qū)間隧道施工中遇到諸如上海⑦1層粉質(zhì)砂土的大深度砂性地層的概率大幅提高。如果能找到一種簡(jiǎn)便的確定砂土地層中地層損失與隧道松動(dòng)區(qū)和松動(dòng)土壓力關(guān)系的方法，無(wú)疑對(duì)工程實(shí)踐有著重要的指導(dǎo)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種簡(jiǎn)便、可靠性高的基于地層損失率的砂土地層盾構(gòu)隧道松動(dòng)預(yù)測(cè)方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種基于地層損失率的砂土地層盾構(gòu)隧道松動(dòng)預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)盾構(gòu)隧道開挖直徑獲取地層損失率vl；

2)根據(jù)所述地層損失率與松動(dòng)區(qū)的關(guān)系，計(jì)算獲得松動(dòng)區(qū)的松動(dòng)截頭橢圓面積eg和松動(dòng)區(qū)高度ht；

3)根據(jù)所述松動(dòng)區(qū)高度計(jì)算獲得隧道拱頂中線上垂直有效松動(dòng)壓力σv′。

所述步驟1)中，地層損失率的計(jì)算公式為：

式中，d為盾構(gòu)隧道開挖直徑，gap為物理間隙，gap＝2δ+δ，δ為盾構(gòu)機(jī)盾尾厚度，δ為襯砌外表面與盾殼內(nèi)表面之間的間隙。

所述步驟2)中，地層損失率與松動(dòng)區(qū)的關(guān)系具體為：

ht＝hgut+gap

式中，d為盾構(gòu)隧道開挖直徑，β為松動(dòng)系數(shù)，hgut為開挖面拱頂以上松動(dòng)區(qū)高度，gap為物理間隙，b為松動(dòng)區(qū)寬度，b＝d，cε為計(jì)算參數(shù)，且滿足cε＝1-ε²，ε為偏心率。

所述步驟3)中，垂直有效松動(dòng)壓力σv′的計(jì)算公式為：

式中，γ′e為松動(dòng)區(qū)內(nèi)砂土浮容重，γ′e＝γ′/β，γ′為砂土原始浮容重，b為松動(dòng)區(qū)寬度，q為地表超載，c為砂土黏聚力，為砂土摩擦角，hs為未松動(dòng)地層高度，k為水平壓力系數(shù)，m為計(jì)算參數(shù)。

所述計(jì)算參數(shù)m滿足：

式中，a、n、w1均為中間計(jì)算參數(shù)，2θ為破壞面與隧道襯砌邊界夾角，d′滿足d′＝d-2gap，d為盾構(gòu)隧道開挖直徑，gap為物理間隙。

松動(dòng)區(qū)內(nèi)松動(dòng)壓力呈均勻分布，滑動(dòng)面上的垂直有效松動(dòng)壓力為中線上的垂直有效松動(dòng)壓力的m倍。

所述松動(dòng)系數(shù)β的取值范圍為1.030～1.180。

所述偏心率ε的取值范圍為0.900～0.990。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明基于工程實(shí)用的角度，提出了一套對(duì)砂土地層盾構(gòu)隧道松動(dòng)區(qū)及松動(dòng)壓力的預(yù)測(cè)方法，該方法在顆粒物質(zhì)橢球體理論的基礎(chǔ)上，基于地層損失率實(shí)現(xiàn)，打破了原有只能憑數(shù)值分析軟件耗費(fèi)大量時(shí)間計(jì)算松動(dòng)區(qū)的不足，計(jì)算方便為隧道建設(shè)安全提供了保障。

(2)本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，可靠性高，便于推廣，具有很大的應(yīng)用價(jià)值，可直接預(yù)測(cè)砂土地層隧道的松動(dòng)區(qū)域和松動(dòng)壓力。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明隧道松動(dòng)區(qū)計(jì)算模型示意圖；

圖2為本發(fā)明隧道松動(dòng)壓力計(jì)算模型示意圖；

圖3為本發(fā)明確定的c/d＝2.0、地層損失率為15.13％時(shí)的松動(dòng)區(qū)；

圖4為本發(fā)明確定的c/d＝2時(shí)松動(dòng)區(qū)高度和松動(dòng)土壓力與地層損失率關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

本實(shí)施例提供一種基于地層損失率的砂土地層盾構(gòu)隧道松動(dòng)預(yù)測(cè)方法，包括步驟：1)根據(jù)盾構(gòu)隧道開挖直徑獲取地層損失率vl；2)根據(jù)所述地層損失率與松動(dòng)區(qū)的關(guān)系，計(jì)算獲得松動(dòng)區(qū)的松動(dòng)截頭橢圓面積eg和松動(dòng)區(qū)高度ht；3)根據(jù)所述松動(dòng)區(qū)高度計(jì)算獲得隧道拱頂中線上垂直有效松動(dòng)壓力σv′。

本實(shí)施例以lee等發(fā)表的文章“groundmovementandtunnelstabilitywhentunnelinginsandyground”(journalofthechineseinstituteofengineers,2004,27(7):1021–1032)中報(bào)道的離心試驗(yàn)用直徑60mm、厚1.5mm的圓柱形橡膠囊模擬直徑為6m的原型隧道為例，預(yù)測(cè)其砂土地層盾構(gòu)隧道松動(dòng)區(qū)和松動(dòng)壓力，其中，離心加速度為100g，c/d＝2.0，地面超載為q＝0kpa，試驗(yàn)用砂為飽和石英砂浮容重γ′＝9.74kn/m³，內(nèi)摩擦角粘聚力c＝0kpa，松動(dòng)系數(shù)β＝1.066，偏心率ε＝0.93。

如圖1-圖2所示，砂土地層盾構(gòu)隧道松動(dòng)預(yù)測(cè)過(guò)程具體為：

第一步，計(jì)算地層損失率vl，vl滿足以下公式：

gap為物理間隙，gap＝2δ+δ，δ為盾構(gòu)機(jī)盾尾厚度，δ為襯砌外表面與盾殼內(nèi)表面之間的間隙。

第二步，計(jì)算相對(duì)于原始地層密度條件下，放出截頭橢圓面積en，en滿足以下公式：

第三步，計(jì)算相對(duì)于原始地層密度條件下，放出截頭橢圓相對(duì)應(yīng)的松動(dòng)截頭橢圓面積為

第四步，計(jì)算松動(dòng)區(qū)總高度ht，ht滿足以下公式：

ht＝hgut+gap

hgut為開挖面拱頂以上松動(dòng)區(qū)高度，滿足以下公式：

cε滿足以下公式：

cε＝1－0.93²＝0.1351

第五步，計(jì)算隧道拱頂中部有效松動(dòng)壓力σv′，σv′滿足以下公式：

其中，hs為未松動(dòng)地層高度，

m為計(jì)算參數(shù)，滿足以下公式：

a為計(jì)算參數(shù)，滿足以下公式：

a＝(1+n)×6.0

n為計(jì)算參數(shù)，滿足以下公式：

2θ為破壞面與隧道襯砌邊界夾角，滿足以下公式：

w1為計(jì)算參數(shù)，滿足以下公式：

圖2中，mσ′h為滑動(dòng)面ab′與cd′上水平應(yīng)力，o′d′面上的摩擦應(yīng)力合力t，滑動(dòng)面df上的摩擦應(yīng)力合力為t1，dz為微分體ijlk的厚度，z為微分體ijlk距離襯砌的豎向距離，楔體o′d′f′的重量為w1。

松動(dòng)區(qū)內(nèi)土體松動(dòng)壓力在水平方向簡(jiǎn)化為均勻分布，忽略隧道頂部與側(cè)部尖角部土體的影響，滑動(dòng)面上的垂直有效松動(dòng)壓力為中線上的垂直有效松動(dòng)壓力的m倍。

采用本發(fā)明確定的地層損失率為15.13％時(shí)的松動(dòng)區(qū)如圖3所示，松動(dòng)壓力如圖4所示。本實(shí)施例可以準(zhǔn)確的確定隧道上方松動(dòng)區(qū)和松動(dòng)壓力，相比以前單純依靠經(jīng)驗(yàn)方法更科學(xué)、更準(zhǔn)確，相比數(shù)值分析方法計(jì)算耗時(shí)更少，給隧道松動(dòng)區(qū)和松動(dòng)壓力的控制帶來(lái)了很大的方便。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。