CN103742163A - 一种确定地面出入式盾构施工盾构机土仓控制压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种确定地面出入式盾构隧道施工盾构机土仓控制压力合理范围的方法，采用试验测试—数值模拟计算—理论判断相结合的方法；对现场隧道施工土体取样并进行性能测试，依据试验数据和隧道具体实际情况，建立与符合现场施工条件的地面出入式盾构隧道施工分析模型并进行计算，通过确定隧道施工段开挖地层侧向土压力、土仓中心平衡压力和土仓前方土体主应力，并结合土体摩尔-库伦破坏准则判别土仓前方的土体单元的破坏情况，最终确定地面出入式盾构隧道施工盾构机土仓控制压力的合理范围。本方法可在隧道施工推进的同时，根据不同施工条件和状态，进行实时分析确定出土仓压力的合理范围，具有适用广、可靠性高、应用方便的特点。

Description

一种确定地面出入式盾构施工盾构机土仓控制压力的方法

技术领域

本发明属盾构隧道工程施工领域，涉及一种确定地面出入式盾构施工盾构机土仓控制压力的方法，可以适用于设定地面出入式这一特殊盾构隧道施工的盾构机土仓控制压力范围。

背景技术

随着城市地面空间用地的紧张，城市基础设施建设和城市空间布局向地下调整已是城市发展的必然趋势。盾构法隧道由于对周围环境影响较小、适应软弱地质条件、施工速度快等优点，在地下工程建设中得到广泛应用。

地面出入式盾构隧道施工法是一种无需工作井，盾构机从地表直接始发掘进，最后盾构机可在设定目标地点直接掘进到地表的施工方法；地面出入式盾构隧道施工法比普通土压盾构隧道施工法具有工期短、造价低、占地面积小等特点；是一种具有良好的社会经济效益新型盾构隧道施工方法，有着广阔的应用空间。

盾构机土仓控制压力是地面出入式盾构施工工艺中最重要的工艺参数，是控制地面出入式盾构隧道施工对周围环境影响的最主要控制目标之一。于其他土压盾构相比，地面出入式盾构施工要经历从正常覆土到浅覆土再到超浅覆土最终到负覆土这一过程，因此地面出入式盾构对盾构机土仓控制压力的合理选取更为严格，对施工的顺利实施更为重要。

目前普通土压盾构土仓压力的确定方法主要是采用经验公式进行简单计算。地面出入式盾构隧道施工中，覆土厚度和地层状况发生较大变化，经验公式很难对整个过程进行有效的设定；同时，影响地面出入式盾构施工盾构机土仓控制压力设定的其他因素繁多，包括：地下水位、地下构筑物的分布、盾构的直径和形状等等。因此，一种适合地面出入式盾构隧道施工特点，并能够结合不同地质条件、周围环境和施工条件，确定盾构机土仓控制压力合理范围的方法是极其迫切和十分必要的。

发明内容

为了达到满足适合地面出入式盾构隧道施工特点的目的，本发明采用试验测试—数值模拟计算—理论判断相结合的方法，提供了一种确定地面出入式盾构隧道施工盾构机土仓控制压力的设定方式。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种确定地面出入式盾构隧道施工盾构机土仓控制压力合理范围的方法，采用试验测试—数值模拟计算—理论判断相结合的方法；具体实施步骤如下：

（1）进行现场隧道施工土体性能测试试验；具体步骤如下：

1）根据现场地质情况，对各层土体选取相应的取土方案；每层土体取3-4块试块；在取土时，应避免对土体的扰动；

2）将试块放置于剪切盒中，剪切盒与试块间隙应用膨胀水泥砂浆填充；

3）施加垂直压力，进行试块土体压缩，压力按等量分成3至4级逐渐增大，直至试块土体垂直变形稳定；

4）施加剪力，进行试块土体剪切，剪力每隔1min等量加载一次并记录相应的剪切力及剪切变形量；当试块土体剪切变形急剧增加或者剪切变形达到试样尺寸的1/10时，认为土体破坏；

5）绘制抗剪强度与垂直压力的关系曲线，确定相应各土层土体的内摩擦角                                               

以及粘聚力

值； 

（2）建立地面出入式盾构隧道施工数值计算模型，进行地面出入式盾构隧道施工数值模拟；其具体步骤如下：

1）根据地面出入式盾构隧道施工实际地质条件和周围环境，建立隧道施工非线性有限元模拟模型；

2）土体采用弹塑性本构关系，设置自由面、对称面和法向位移约束等边界条件，采用有限元方法进行数值模拟。

（3）施加地面出入式盾构隧道施工段土体自重及地面超载作用力进行非线性有限元数值模拟计算，得到隧道施工初始地应力场，从而确定地面出入式盾构隧道施工段开挖断面地层原始侧向土压力；

（4）将地面出入式盾构隧道开挖断面原始地层侧向土压力设置为土仓压力，作为力边界条件施加并进行非线性有限元数值模拟计算；以土仓中心点位移作为判定指标，判别土仓中心是否达到力的平衡；通过进行数值试验，如果土仓中心点位移为正，表示压力过大；反之，表示压力偏小；土仓中心位移绝对值最小，近似为零时，确定出土仓中心平衡压力即土仓压力；

（5）将所确定的土仓压力，作为力边界条件施加并进行非线性有限元数值模拟计算，得到土仓前方土体的应力状态，确定土仓前方土体单元主应力；

（6）改变土仓压力比，结合莫尔-库仑强度理论，进行土仓前方土体单元破坏情况的判断，确定地面出入式盾构隧道施工盾构机土仓控制压力设定范围。

在地面出入式盾构隧道施工过程中，通过控制土仓中心点压力来保持土仓前方土体稳定，不被破坏。故定义压力比为：

式中

为土仓压力设定值；

为土仓中心点初始压力值。通过改变

调整土仓压力设定值并进行非线性有限元数值模拟计算；

结合莫尔-库仑强度理论，进行土仓前方土体单元破坏情况的判断。土仓前方土体破坏面上的抗剪强度

是该面上法向应力

的函数：

式中

为土体的粘聚力，

为土体的内摩擦角，其值由步骤（1）试验中测定。若土体的莫尔圆与破坏包线相割，土仓前方土体处于破坏状态。

不断增大或减小

调整土仓压力设定值并进行计算，同时不断进行土仓前方土体单元破坏情况的判断，最终确定盾构机土仓控制压力的合理范围。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著地优点：

本发明采用试验测试—数值模拟计算—理论判断相结合的方法，根据地面出入式盾构隧道施工不同地质条件、周围环境和施工特点，通过数值模拟计算，结合土体摩尔-库伦破坏准，准确地确定出地面出入式盾构隧道施工盾构机土仓控制压力的合理范围。本方法摆脱了以往根据经验公式确定土仓压力，而导致施工风险较大的问题，以及理论方法不能连续分析的问题；同时，本方法可在隧道施工推进的同时，根据不同施工条件和状态，进行实时分析确定出土仓压力的合理范围，具有适用广、可靠性高、应用方便的特点。 

附图说明

图1 本发明方法的操作流程图。

图2 本发明的地面出入式盾构隧道施工数值模拟模型图。

图3 本发明土仓前方土体单元示意图。

图4 本发明土仓前方土体失稳至劈裂破坏过程图。

图5本发明土仓前方土体失稳至坍塌破坏过程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

如图1所示，一种确定地面出入式盾构隧道施工盾构机土仓控制压力合理范围的方法，采用试验测试—数值模拟计算—理论判断相结合的方法；对现场隧道施工土体取样并进行性能测试，依据试验数据和隧道具体实际情况，建立与符合现场施工条件的地面出入式盾构隧道施工分析模型并进行计算，通过确定隧道施工段开挖地层侧向土压力、土仓中心平衡压力和土仓前方土体主应力，并结合土体摩尔-库伦破坏准则判别土仓前方的土体单元的破坏情况，最终确定地面出入式盾构隧道施工盾构机土仓控制压力的合理范围。

（1）进行现场隧道施工土体性能测试试验。现场取样进行土体原位直剪试验，得到土体的内摩擦角

以及粘聚力。具体步骤如下：

1）根据现场地质情况，对各层土体选取相应的取土方案。每层土体取3-4块试块。在取土时，应避免对土体的扰动。

2）  将试块放置于剪切盒中，剪切盒与试块间隙应用膨胀水泥砂浆填充。

3）施加垂直压力，进行试块土体压缩，压力按等量分成3至4级逐渐增大，直至试块土体垂直变形稳定。

4）施加剪力，进行试块土体剪切，剪力每隔1min等量加载一次并记录相应的剪切力及剪切变形量。当试块土体剪切变形急剧增加或者剪切变形达到试样尺寸的1/10时，认为土体破坏。

5）绘制抗剪强度与垂直压力的关系曲线，确定相应各土层土体的内摩擦角以及粘聚力

值。 

（2）地面出入式盾构隧道施工数值模拟方法为有限元方法，其具体步骤如下：

1)根据隧道施工实际地质条件和周围环境，建立隧道施工非线性有限元模拟模型。本例模型中隧道内尺寸：??5500mm（内径）；隧道外尺寸：??6200mm（外径）；盾构机外径尺寸D：??6340mm；管片厚度为350mm

2)土体采用弹塑性本构关系，设置自由面、对称面和法向位移约束等边界条件，如图2所示。

（3）施加隧道施工段土体自重及地面超载作用力进行非线性有限元数值模拟计算，得到隧道施工初始地应力场，从而确定地面出入式盾构隧道施工段开挖断面地层原始侧向土压力。

（4）将地面出入式盾构隧道开挖断面原始地层侧向土压力设置为土仓压力，作为力边界条件施加并进行非线性有限元数值模拟计算。以土仓中心点位移作为判定指标，判别土仓中心是否达到力的平衡。通过进行数值试验，如果土仓中心点位移为正，表示压力过大；反之，表示压力偏小。土仓中心位移绝对值最小，近似为零时，确定出土仓中心平衡压力。

（5）将所确定的土仓压力，作为力边界条件施加并进行非线性有限元数值模拟计算，得到土仓前方土体的应力状态，换算确定土仓前方土体单元主应力；如图3所示。

（6）在地面出入式盾构隧道施工过程中，通过控制土仓中心点压力来保持土仓前方土体稳定，不被破坏。故定义压力比为：

                                          （1）

式中

为土仓压力设定值；

为土仓中心点初始压力值；

结合莫尔-库仑强度理论，进行土仓前方土体单元破坏情况的判断。土仓前方土体破坏面上的抗剪强度是该面上法向应力

的函数：

                           （2）

式中

为土体的粘聚力，

为土体的内摩擦角，其值由步骤（1）试验中测定。

土仓前方土体单元三个主应力,

,

由步骤（5）求得，若土体的莫尔圆与破坏包线相割，即

  

                    （3）

土仓前方土体处于破坏状态。

不断改变

调整土仓压力设定值进行计算，同时不断进行土仓前方土体单元破坏情况的判断，确定盾构机土仓控制压力的合理范围。

通过改变

调整土仓压力进行计算，将压力比

由1以0.01的增量逐步增大，土仓压力也将逐步增大，相应的土仓前方土体将出现变形和失稳，失稳加剧直至劈裂破坏的过程，如图4所示。在不同压力比

下，确定土仓前方土体单元主应力，结合莫尔-库仑破坏准则对土仓前方的土体单元进行破坏判定。本实例中当

=1.40时，土仓前方土体单元主应力符合莫尔-库仑破坏准则，土仓前方土体开始失稳，此时的压力即为土仓控制压力的上限值，如图4b所示。

同理，将压力比

由1逐步减小，直至相应土仓前方土体发生坍塌破坏，如图5所示。通过判定可确定土仓控制压力的下限值。本实例中当

=0.78时，土仓前方土体开始失稳，此时的土仓压力即为土仓控制压力的下限值，如图5b中所示。最终确定了地面出入式盾构隧道施工在该施工条件下盾构机土仓控制压力合理范围为51.26KPa ~ 70.11KPa。

Claims (4)

1.一种确定地面出入式盾构施工盾构机土仓控制压力的方法，采用试验测试、数值模拟、理论判断相结合的方法，其特征在于，具体实施步骤如下：

（1）进行现场隧道施工土体性能测试试验；

（2）建立地面出入式盾构隧道施工数值计算模型，进行地面出入式盾构隧道施工数值模拟；

（3）施加地面出入式盾构隧道施工段土体自重及地面超载作用力，进行非线性有限元数值模拟计算，得到隧道施工初始地应力场，从而确定地面出入式盾构隧道施工段开挖断面地层原始侧向土压力；

（4）将地面出入式盾构隧道开挖断面原始地层侧向土压力设置为土仓压力，作为力边界条件施加并进行非线性有限元数值模拟计算；以土仓中心点位移作为判定指标，判别土仓中心是否达到力的平衡；通过进行数值试验，如果土仓中心点位移为正，表示压力过大；反之，表示压力偏小；土仓中心位移绝对值最小，近似为零时，确定出土仓中心平衡压力即土仓压力；

（5）将所确定的土仓压力，作为力边界条件施加并进行非线性有限元数值模拟计算，得到土仓前方土体的应力状态，确定土仓前方土体单元主应力；

（6）改变土仓压力比，结合莫尔-库仑强度理论，进行土仓前方土体单元破坏情况的判断，确定地面出入式盾构隧道施工盾构机土仓控制压力设定范围。

2.根据权利要求1所述的一种确定地面出入式盾构施工盾构机土仓控制压力的方法，其特征在于，所述步骤（1）进行现场隧道施工土体性能测试试验的具体步骤为：

1）根据现场地质情况，对各层土体选取相应的取土方案；每层土体取3-4块试块；在取土时，应避免对土体的扰动；

2）将试块放置于剪切盒中，剪切盒与试块间隙应用膨胀水泥砂浆填充；

3）施加垂直压力，进行试块土体压缩，压力按等量分成3至4级逐渐增大，直至试块土体垂直变形稳定；

4）施加剪力，进行试块土体剪切，剪力每隔1min等量加载一次并记录相应的剪切力及剪切变形量；当试块土体剪切变形急剧增加或者剪切变形达到试样尺寸的1/10时，认为土体破坏；

5）绘制抗剪强度与垂直压力的关系曲线，确定相应各土层土体的内摩擦角                                               

以及粘聚力

值。

3.根据权利要求1所述的一种确定地面出入式盾构施工盾构机土仓控制压力的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的建立地面出入式盾构隧道施工数值计算模型，进行地面出入式盾构隧道施工数值模拟，其具体步骤如下：

1）根据地面出入式盾构隧道施工实际地质条件和周围环境，建立隧道施工非线性有限元模拟模型；

2）土体采用弹塑性本构关系，设置自由面、对称面和法向位移约束等边界条件，采用有限元方法进行数值模拟。

4.根据权利要求1所述的一种确定地面出入式盾构施工盾构机土仓控制压力的方法，其特征在于，所述步骤（6）中的结合莫尔-库仑强度理论，确定地面出入式盾构隧道施工盾构机土仓控制压力设定范围，其具体步骤如下：

1）在地面出入式盾构隧道施工过程中，通过控制土仓中心点压力来保持土仓前方土体稳定，不被破坏；故定义压力比为：

式中

为土仓压力设定值；

为土仓中心点初始压力值；通过改变

调整土仓压力设定值并进行非线性有限元数值模拟计算；

2）结合莫尔-库仑强度理论，进行土仓前方土体单元破坏情况的判断；土仓前方土体破坏面上的抗剪强度

是该面上法向应力的函数：

式中

为土体的粘聚力，为土体的内摩擦角，其值由步骤（1）试验中测定；若土体的莫尔圆与破坏包线相割，土仓前方土体处于破坏状态；

3）不断增大或减小

调整土仓压力设定值并进行计算，同时不断进行土仓前方土体单元破坏情况的判断，最终确定盾构机土仓控制压力的合理范围。

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