一種確定地面出入式盾構(gòu)施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種確定地面出入式盾構(gòu)隧道施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力合理范圍的方法，采用試驗測試—數(shù)值模擬計算—理論判斷相結(jié)合的方法；對現(xiàn)場隧道施工土體取樣并進(jìn)行性能測試，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)和隧道具體實際情況，建立與符合現(xiàn)場施工條件的地面出入式盾構(gòu)隧道施工分析模型并進(jìn)行計算，通過確定隧道施工段開挖地層側(cè)向土壓力、土倉中心平衡壓力和土倉前方土體主應(yīng)力，并結(jié)合土體摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則判別土倉前方的土體單元的破壞情況，最終確定地面出入式盾構(gòu)隧道施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的合理范圍。本方法可在隧道施工推進(jìn)的同時，根據(jù)不同施工條件和狀態(tài)，進(jìn)行實時分析確定出土倉壓力的合理范圍，具有適用廣、可靠性高、應(yīng)用方便的特點。
【專利說明】一種確定地面出入式盾構(gòu)施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬盾構(gòu)隧道工程施工領(lǐng)域，涉及一種確定地面出入式盾構(gòu)施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的方法，可以適用于設(shè)定地面出入式這一特殊盾構(gòu)隧道施工的盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力范圍。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著城市地面空間用地的緊張，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市空間布局向地下調(diào)整已是城市發(fā)展的必然趨勢。盾構(gòu)法隧道由于對周圍環(huán)境影響較小、適應(yīng)軟弱地質(zhì)條件、施工速度快等優(yōu)點，在地下工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。
[0003]地面出入式盾構(gòu)隧道施工法是一種無需工作井，盾構(gòu)機(jī)從地表直接始發(fā)掘進(jìn)，最后盾構(gòu)機(jī)可在設(shè)定目標(biāo)地點直接掘進(jìn)到地表的施工方法；地面出入式盾構(gòu)隧道施工法比普通土壓盾構(gòu)隧道施工法具有工期短、造價低、占地面積小等特點；是一種具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益新型盾構(gòu)隧道施工方法，有著廣闊的應(yīng)用空間。
[0004]盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力是地面出入式盾構(gòu)施工工藝中最重要的工藝參數(shù)，是控制地面出入式盾構(gòu)隧道施工對周圍環(huán)境影響的最主要控制目標(biāo)之一。于其他土壓盾構(gòu)相比，地面出入式盾構(gòu)施工要經(jīng)歷從正常覆土到淺覆土再到超淺覆土最終到負(fù)覆土這一過程，因此地面出入式盾構(gòu)對盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的合理選取更為嚴(yán)格，對施工的順利實施更為重要。
[0005]目前普通土壓盾構(gòu)土倉壓力的確定方法主要是采用經(jīng)驗公式進(jìn)行簡單計算。地面出入式盾構(gòu)隧道施工中，覆土厚度和地層狀況發(fā)生較大變化，經(jīng)驗公式很難對整個過程進(jìn)行有效的設(shè)定；同時，影響地面出入式盾構(gòu)施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力設(shè)定的其他因素繁多，包括:地下水位、地下構(gòu)筑物的分布、盾構(gòu)的直徑和形狀等等。因此，一種適合地面出入式盾構(gòu)隧道施工特點，并能夠結(jié)合不同地質(zhì)條件、周圍環(huán)境和施工條件，確定盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力合理范圍的方法是極其迫切和十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了達(dá)到滿足適合地面出入式盾構(gòu)隧道施工特點的目的，本發(fā)明采用試驗測試一數(shù)值模擬計算一理論判斷相結(jié)合的方法，提供了一種確定地面出入式盾構(gòu)隧道施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的設(shè)定方式。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種確定地面出入式盾構(gòu)隧道施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力合理范圍的方法，采用試驗測試一數(shù)值模擬計算一理論判斷相結(jié)合的方法；具體實施步驟如下:
(I)進(jìn)行現(xiàn)場隧道施工土體性能測試試驗；具體步驟如下:
1)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，對各層土體選取相應(yīng)的取土方案；每層土體取3-4塊試塊；在取土?xí)r,應(yīng)避免對土體的擾動；
2)將試塊放置于剪切盒中，剪切盒與試塊間隙應(yīng)用膨脹水泥砂漿填充；3)施加垂直壓力，進(jìn)行試塊土體壓縮，壓力按等量分成3至4級逐漸增大，直至試塊土體垂直變形穩(wěn)定；
4)施加剪力,進(jìn)行試塊土體剪切,剪力每隔Imin等量加載一次并記錄相應(yīng)的剪切力及剪切變形量；當(dāng)試塊土體剪切變形急劇增加或者剪切變形達(dá)到試樣尺寸的1/10時，認(rèn)為土體破壞；
5)繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線，確定相應(yīng)各土層土體的內(nèi)摩擦角-以及粘聚力e值；
(2)建立地面出入式盾構(gòu)隧道施工數(shù)值計算模型，進(jìn)行地面出入式盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬；其具體步驟如下:
1)根據(jù)地面出入式盾構(gòu)隧道施工實際地質(zhì)條件和周圍環(huán)境，建立隧道施工非線性有限元模擬模型；
2)土體采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，設(shè)置自由面、對稱面和法向位移約束等邊界條件，采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬。
[0008](3)施加地面出入式盾構(gòu)隧道施工段土體自重及地面超載作用力進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計算，得到隧道施工初始地應(yīng)力場，從而確定地面出入式盾構(gòu)隧道施工段開挖斷面地層原始側(cè)向土壓 力；
(4)將地面出入式盾構(gòu)隧道開挖斷面原始地層側(cè)向土壓力設(shè)置為土倉壓力，作為力邊界條件施加并進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計算；以土倉中心點位移作為判定指標(biāo)，判別土倉中心是否達(dá)到力的平衡；通過進(jìn)行數(shù)值試驗，如果土倉中心點位移為正，表示壓力過大；反之，表示壓力偏??；土倉中心位移絕對值最小，近似為零時，確定出土倉中心平衡壓力即土倉壓力；
(5)將所確定的土倉壓力，作為力邊界條件施加并進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計算，得到土倉前方土體的應(yīng)力狀態(tài)，確定土倉前方土體單元主應(yīng)力；
(6)改變土倉壓力比，結(jié)合莫爾-庫侖強(qiáng)度理論，進(jìn)行土倉前方土體單元破壞情況的判斷，確定地面出入式盾構(gòu)隧道施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力設(shè)定范圍。
[0009]在地面出入式盾構(gòu)隧道施工過程中，通過控制土倉中心點壓力來保持土倉前方土體穩(wěn)定，不被破壞。故定義壓力比Zf為:
M = PJPn
式中P1為土倉壓力設(shè)定值巧為土倉中心點初始壓力值。通過改變岸調(diào)整土倉壓力設(shè)
定值并進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計算；
結(jié)合莫爾-庫侖強(qiáng)度理論，進(jìn)行土倉前方土體單元破壞情況的判斷。土倉前方土體破
壞面上的抗剪強(qiáng)度/是該面上法向應(yīng)力σ的函數(shù):
Tj =C + ζΤΧ?β?ψ
式中e為土體的粘聚力，f?為土體的內(nèi)摩擦角，其值由步驟(1)試驗中測定。若土體的莫爾圓與破壞包線相割，土倉前方土體處于破壞狀態(tài)。
[0010]不斷增大或減/」M調(diào)整土倉壓力設(shè)定值并進(jìn)行計算，同時不斷進(jìn)行土倉前方土體單元破壞情況的判斷，:用定盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的合理范圍。[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實質(zhì)性特點和顯著地優(yōu)點:
本發(fā)明采用試驗測試一數(shù)值模擬計算一理論判斷相結(jié)合的方法，根據(jù)地面出入式盾構(gòu)隧道施工不同地質(zhì)條件、周圍環(huán)境和施工特點，通過數(shù)值模擬計算，結(jié)合土體摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)，準(zhǔn)確地確定出地面出入式盾構(gòu)隧道施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的合理范圍。本方法擺脫了以往根據(jù)經(jīng)驗公式確定土倉壓力，而導(dǎo)致施工風(fēng)險較大的問題，以及理論方法不能連續(xù)分析的問題；同時，本方法可在隧道施工推進(jìn)的同時，根據(jù)不同施工條件和狀態(tài)，進(jìn)行實時分析確定出土倉壓力的合理范圍，具有適用廣、可靠性高、應(yīng)用方便的特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1本發(fā)明方法的操作流程圖。
[0013]圖2本發(fā)明的地面出入式盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬模型圖。
[0014]圖3本發(fā)明土倉前方土體單元示意圖。
[0015]圖4本發(fā)明土倉前方土體失穩(wěn)至劈裂破壞過程圖。
[0016]圖5本發(fā)明土倉前方土體失穩(wěn)至坍塌破壞過程圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明:
如圖1所示，一種確定地面出入式盾構(gòu)隧道施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力合理范圍的方法，采用試驗測試一數(shù)值模擬計算一理論判斷相結(jié)合的方法；對現(xiàn)場隧道施工土體取樣并進(jìn)行性能測試，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)和隧道具體實際情況，建立與符合現(xiàn)場施工條件的地面出入式盾構(gòu)隧道施工分析模型并進(jìn)行計算，通過確定隧道施工段開挖地層側(cè)向土壓力、土倉中心平衡壓力和土倉前方土體主應(yīng)力，并結(jié)合土體摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則判別土倉前方的土體單元的破壞情況，最終確定地面出入式盾構(gòu)隧道施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的合理范圍。
[0018]( I)進(jìn)行現(xiàn)場隧道施工土體性能測試試驗。現(xiàn)場取樣進(jìn)行土體原位直剪試驗，得到土體的內(nèi)摩擦角P以及粘聚力e。具體步驟如下:
I)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，對各層土體選取相應(yīng)的取土方案。每層土體取3-4塊試塊。在取土?xí)r，應(yīng)避免對土體的擾動。
[0019]2)將試塊放置于剪切盒中，剪切盒與試塊間隙應(yīng)用膨脹水泥砂漿填充。
[0020]3)施加垂直壓力，進(jìn)行試塊土體壓縮，壓力按等量分成3至4級逐漸增大，直至試塊土體垂直變形穩(wěn)定。
[0021]4)施加剪力，進(jìn)行試塊土體剪切，剪力每隔Imin等量加載一次并記錄相應(yīng)的剪切力及剪切變形量。當(dāng)試塊土體剪切變形急劇增加或者剪切變形達(dá)到試樣尺寸的1/10時，認(rèn)為土體破壞。
[0022]5)繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線，確定相應(yīng)各土層土體的內(nèi)摩擦角-以及粘聚力e值。
[0023](2)地面出入式盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬方法為有限元方法，其具體步驟如下:
I)根據(jù)隧道施工實際地質(zhì)條件和周圍環(huán)境，建立隧道施工非線性有限元模擬模型。本例模型中隧道內(nèi)尺寸:概500mm (內(nèi)徑)；隧道外尺寸:脫200mm (外徑)；盾構(gòu)機(jī)外徑尺寸D:Z6340mm ;管片厚度為350mm2)土體采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，設(shè)置自由面、對稱面和法向位移約束等邊界條件，如圖2所示。
[0024](3)施加隧道施工段土體自重及地面超載作用力進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計算，得到隧道施工初始地應(yīng)力場，從而確定地面出入式盾構(gòu)隧道施工段開挖斷面地層原始側(cè)向土壓力。
[0025](4)將地面出入式盾構(gòu)隧道開挖斷面原始地層側(cè)向土壓力設(shè)置為土倉壓力，作為力邊界條件施加并進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計算。以土倉中心點位移作為判定指標(biāo)，判別土倉中心是否達(dá)到力的平衡。通過進(jìn)行數(shù)值試驗，如果土倉中心點位移為正，表示壓力過大；反之，表示壓力偏小。土倉中心位移絕對值最小，近似為零時，確定出土倉中心平衡壓力。
[0026](5)將所確定的土倉壓力，作為力邊界條件施加并進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計算，得到土倉前方土體的應(yīng)力狀態(tài)，換算確定土倉前方土體單元主應(yīng)力；如圖3所示。
[0027](6)在地面出入式盾構(gòu)隧道施工過程中，通過控制土倉中心點壓力來保持土倉前方土體穩(wěn)定，不被破壞。故定義壓力比為:
【權(quán)利要求】
1.一種確定地面出入式盾構(gòu)施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的方法，采用試驗測試、數(shù)值模擬、理論判斷相結(jié)合的方法，其特征在于，具體實施步驟如下: (I)進(jìn)行現(xiàn)場隧道施工土體性能測試試驗； (2 )建立地面出入式盾構(gòu)隧道施工數(shù)值計算模型，進(jìn)行地面出入式盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬； (3 )施加地面出入式盾構(gòu)隧道施工段土體自重及地面超載作用力，進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計算，得到隧道施工初始地應(yīng)力場，從而確定地面出入式盾構(gòu)隧道施工段開挖斷面地層原始側(cè)向土壓力； (4)將地面出入式盾構(gòu)隧道開挖斷面原始地層側(cè)向土壓力設(shè)置為土倉壓力，作為力邊界條件施加并進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計算；以土倉中心點位移作為判定指標(biāo)，判別土倉中心是否達(dá)到力的平衡；通過進(jìn)行數(shù)值試驗，如果土倉中心點位移為正，表示壓力過大；反之，表示壓力偏小；土倉中心位移絕對值最小，近似為零時，確定出土倉中心平衡壓力即土倉壓力； (5)將所確定的土倉壓力，作為力邊界條件施加并進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計算，得到土倉前方土體的應(yīng)力狀態(tài)，確定土倉前方土體單元主應(yīng)力； (6)改變土倉壓力比，結(jié)合莫爾-庫侖強(qiáng)度理論，進(jìn)行土倉前方土體單元破壞情況的判斷，確定地面出入式盾構(gòu)隧道施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力設(shè)定范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定地面出入式盾構(gòu)施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的方法，其特征在于，所述步驟(1)進(jìn)行現(xiàn)場隧道施工土體性能測試試驗的具體步驟為: 1)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，對各層土體選取相應(yīng)的取土方案；每層土體取3-4塊試塊；在取土?xí)r,應(yīng)避免對土體的擾動 ； 2)將試塊放置于剪切盒中，剪切盒與試塊間隙應(yīng)用膨脹水泥砂漿填充； 3)施加垂直壓力，進(jìn)行試塊土體壓縮，壓力按等量分成3至4級逐漸增大，直至試塊土體垂直變形穩(wěn)定； 4)施加剪力,進(jìn)行試塊土體剪切,剪力每隔Imin等量加載一次并記錄相應(yīng)的剪切力及剪切變形量；當(dāng)試塊土體剪切變形急劇增加或者剪切變形達(dá)到試樣尺寸的1/10時，認(rèn)為土體破壞； 5)繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線，確定相應(yīng)各土層土體的內(nèi)摩擦角穸以及粘聚力c值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定地面出入式盾構(gòu)施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的方法，其特征在于，所述步驟(2)中的建立地面出入式盾構(gòu)隧道施工數(shù)值計算模型，進(jìn)行地面出入式盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬，其具體步驟如下: 1)根據(jù)地面出入式盾構(gòu)隧道施工實際地質(zhì)條件和周圍環(huán)境，建立隧道施工非線性有限元模擬模型； 2)土體采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，設(shè)置自由面、對稱面和法向位移約束等邊界條件，采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定地面出入式盾構(gòu)施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的方法，其特征在于，所述步驟(6)中的結(jié)合莫爾-庫侖強(qiáng)度理論，確定地面出入式盾構(gòu)隧道施工盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力設(shè)定范圍 ，其具體步驟如下:1)在地面出入式盾構(gòu)隧道施工過程中，通過控制土倉中心點壓力來保持土倉前方土體穩(wěn)定，不被破壞；故定義壓力比#為: 式中P為土倉壓力設(shè)定值；Ptt為土倉中心點初始壓力值；通過改變調(diào)整土倉 ?μ壓力設(shè)定值并進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬計算； 2)結(jié)合莫爾-庫侖強(qiáng)度理論，進(jìn)行土倉前方土體單元破壞情況的判斷；土倉前方土體破壞面上的抗剪強(qiáng)度是該面上法向應(yīng)力&的函數(shù):Tf 二 f{p) =c + σΧ^?ψ 式中e為土體的粘聚力，φ為土體的內(nèi)摩擦角，其值由步驟(1)試驗中測定；若土體的莫爾圓與破壞包線相割，土倉前方土體處于破壞狀態(tài)； 3)不斷增大或減小只調(diào)整土倉壓力設(shè)定值并進(jìn)行計算，同時不斷進(jìn)行土倉前方土體單元破壞情況的判斷，最終確定 盾構(gòu)機(jī)土倉控制壓力的合理范圍。
【文檔編號】E21D9/093GK103758527SQ201310290132
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月11日
【發(fā)明者】馬永其, 吳惠明, 滕麗, 趙辛瑋, 陸幸, 周延凱 申請人:上海大學(xué), 上海隧道工程股份有限公司