CN108984969B - 一种软土地基盾构隧道运营期沉降计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种软土地基盾构隧道运营期沉降计算方法，包括以下步骤：建立软土地基、盾构隧道结合粘弹性人工边界及车辆载荷的三维模型，采用有限元方法计算其交通载荷引起的动应力；采用主应力轴旋转效应的应变经验公式计算交通载荷引起的累积应变；获取软土地基盾构隧道运营期的沉降规律。本发明用于软土地基隧道运营期的沉降计算与预测分析，计算方法简单实用且精度高，对隧道运营期安全防护及使用舒适性有着重要意义。

Description

一种软土地基盾构隧道运营期沉降计算方法
技术领域
本发明涉及地下工程技术领域，特别是涉及一种软土地基盾构隧道运营期沉降计算方法。
背景技术
随着城市建设的不断发展，各种道路、铁路或地下通道不断涌现。许多交通设施必须在软土地基上建造，当在软土地基中建造盾构隧道时，在交通载荷的长期影响下通常会引起隧道下土体的显著永久变形。隧道在运营期间的安全性成为工程领域的主要关注点。
隧道运营期内发生不均匀沉降，会导致以下危害。第一方面，隧道工后土体沉降对于隧道本身具有很大的危害。沉降会使隧道产生弯曲变形，导致隧道接缝张开，渗漏加剧，甚至漏泥，长此以往，其运营安全和乘客的舒适性将受到影响，维修费用随之增加。第二，隧道工后沉降对于地下管线会产生极大的危害。因此合理的预测隧道在运营期内的沉降是有重要意义的。
对于循环载荷下软土地基的长期变形沉降，现有技术中提出了一种考虑初始静态偏差应力影响的方法，然而在实际工程中车辆的接近然后远离这个过程中主应力轴是旋转的，该方法尚未考虑由交通载荷引起的主应力轴旋转效应对地基沉降的影响。此外，也有一些方案，运用数值模拟及空心圆柱试验分析得到了地铁隧道下的地基中在实际交通荷载引起的动应力下，与没有考虑主应力轴旋转效应的情况相比，考虑主应力轴旋转效应使软粘土的累积变形增加了9-23％，但仅通过试验模拟有限循环载荷，并不能预测沉降的发展规律。
发明内容
本发明针对以上不足之处，提出了考虑主应力轴旋转效应的软土地基应变的经验公式，通过简单且实用的方法对实际工程的沉降做出更准确地预测。
一种软土地基盾构隧道运营期沉降计算方法，包括以下步骤：
建立软土地基、盾构隧道结合粘弹性人工边界及车辆载荷的三维模型，采用有限元方法计算其交通载荷引起的动应力；
采用主应力轴旋转效应的应变经验公式计算交通载荷引起的累积应变；
获取软土地基盾构隧道运营期的沉降规律。
根据本发明提供的软土地基盾构隧道运营期沉降计算方法，通过建立软土地基、盾构隧道结合粘弹性人工边界及车辆载荷的三维模型，采用有限元方法计算其交通载荷引起的动应力，能更好的贴近实际工程，并提出了考虑主应力轴旋转效应的软土地基应变的经验公式，通过简单且实用的方法对实际工程的沉降做出更准确地预测，且应用范围广泛，适用于软土地基隧道运营期的沉降计算与预测分析。
另外，根据本发明上述的软土地基盾构隧道运营期沉降计算方法，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步的，所述建立软土地基、盾构隧道结合粘弹性人工边界及车辆载荷的三维模型，采用有限元方法计算其交通载荷引起的动应力的步骤中，具体计算方法包括：
建立软土地基、盾构隧道结合粘弹性人工边界及车辆载荷的三维模型，对于路面车辆载荷采用等效矩形接触面积，并假设车辆荷载作用在后轴上，车辆的速度为10米/秒，两辆车分别在两个车道中移动，确定材料参数，采用有限元方法计算其交通载荷引起的动偏应力qd与扭转剪应力τzx。
进一步的，所述采用主应力轴旋转效应的应变经验公式计算交通载荷引起的累积应变的步骤中，计算公式为：
Figure BDA0001773880120000021
式中，
Figure BDA0001773880120000022
为竖向永久应变；N为交通载荷重复加载的次数；p0为初始有效固结应力；qf为土的静态破坏偏差应力，对于正常固结的土qf＝Mp0；M是临界应力比；pa为气压；α1、α2、α3和α4为材料常数，其根据空心圆柱试验得到不同交通载荷加载次数下软土的累积应变，通过拟合试验数据得到。
进一步的，所述获取软土地基盾构隧道运营期的沉降规律的步骤中，计算公式为：
Figure BDA0001773880120000031
式中，S为总沉降量；n为土的层数；
Figure BDA0001773880120000032
为第i层土的竖向永久应变；hi为第i层土的厚度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是等效轮胎-路面接触面积和等效矩形接触面积的示意图；
图2是移动车辆载荷的简化图；
图3是某过江隧道的纵剖面图；
图4是对该过江隧道进行三维有限元计算的模型图；
图5是采用本实施例提供的方法的计算结果与现场监测数据的对比图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明的实施例提供了一种软土地基盾构隧道运营期沉降计算方法，包括以下内容：
首先建立软土地基、盾构隧道结合粘弹性人工边界及车辆载荷的三维模型，对路面车辆载荷进行分析时，采用汽车轮胎的等效接触面积Ac，在有限元分析中使用等效的矩形接触面积，如图1所示。由图1可知，L＝(Ac/0.5227)0.5，而Ac＝F/p，即可确定等效的矩形接触区域尺寸，其中F是施加到轮胎的轴载荷，P是轮胎压力，可根据中国桥梁和隧道规范(JTGD60-2004和JTG D62-2004)确定。假设车辆荷载作用在后轴上，其移动车辆模型如图2所示，模型中车辆的速度为10米/秒，两辆车分别在两个车道中移动，确定材料参数，采用有限元方法计算其交通载荷引起的动偏应力qd与扭转剪应力τzx。
根据上述所得到的动偏应力qd与扭转剪应力τzx，采用主应力轴旋转效应的应变经验公式计算交通载荷引起的累积应变，其计算公式为：
Figure BDA0001773880120000041
式中，
Figure BDA0001773880120000042
为竖向永久应变(％)；N为交通载荷重复加载的次数；p0为初始有效固结应力；qf为土的静态破坏偏差应力，对于正常固结的土壤qf＝Mp0，其中M是临界应力比；pa为气压；α1，α2,α3和α4为材料常数，可根据空心圆柱试验得到不同交通载荷加载次数下软土的累积应变，通过拟合试验数据得到。
然后获取软土地基盾构隧道运营期的沉降规律的步骤中，根据上述所得到的交通载荷引起的累积应变
Figure BDA0001773880120000043
即可计算隧道运营期的沉降量S，
Figure BDA0001773880120000044
其中n为土的层数；
Figure BDA0001773880120000045
为第i层土的竖向永久应变(％)；hi为第i层土的厚度。
下面以一具体实施对本发明提供的方法进行说明。
对于某过江隧道，其纵剖面图如图3所示，选择位于河中游的典型剖面LK2+300来分析交通荷载引起的过江隧道的永久沉降。建立软土地基、盾构隧道结合粘弹性人工边界及车辆载荷的三维模型，如图4所示，该模型的尺寸在x，y和z方向上分别为60,80和60m，由69280个单元和83457个节点组成。三维粘弹性人工边界切向和法线方向上的修正系数αT、αN分别取1.33和0.67。假设土壤上方的水是施加到模型顶部的均布载荷，水深约4.0m，均布载荷为39.2kpa。车辆载荷模型如图2所示，车辆载荷为200kN，轮胎压力为700kPa。将其分为三层土，每个土层的厚度分别为17,20和23m，材料参数如表1所示。
表1有限元分析的材料参数
Figure BDA0001773880120000051
该过江隧道车辆平均距离为150米，设计车速为60公里/小时，过江隧道的交通量为每天2万。将隧道下方的土分成二层来计算永久变形。根据空心圆柱试验得到不同交通载荷加载次数下软土的累积应变，通过拟合试验数据得到材料常数如表2所示。
表2永久应变经验公式的材料常数
Figure BDA0001773880120000052
采用本实施例提供的计算方法，计算该过江隧道运营期LK2+300处的沉降量，其计算结果与现场监测数据对比如图5所示，可以看出，根据本实施例的计算方法得到的沉降曲线与现场监测沉降的趋势之间存在较好的一致性。证明本实施例提供的方法可用于软土地基隧道运营期的沉降计算与预测分析，且计算方法简单实用且精度高，对隧道运营期安全防护及使用舒适性有着重要意义。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种软土地基盾构隧道运营期沉降计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立软土地基、盾构隧道结合粘弹性人工边界及车辆载荷的三维模型，采用有限元方法计算其交通载荷引起的动应力；
采用主应力轴旋转效应的应变经验公式计算交通载荷引起的累积应变；
获取软土地基盾构隧道运营期的沉降规律；
所述建立软土地基、盾构隧道结合粘弹性人工边界及车辆载荷的三维模型，采用有限元方法计算其交通载荷引起的动应力的步骤中，具体计算方法包括：
建立软土地基、盾构隧道结合粘弹性人工边界及车辆载荷的三维模型，对于路面车辆载荷采用等效矩形接触面积，并假设车辆荷载作用在后轴上，车辆的速度为10米/秒，两辆车分别在两个车道中移动，确定材料参数，采用有限元方法计算其交通载荷引起的动偏应力qd与扭转剪应力τzx；
所述采用主应力轴旋转效应的应变经验公式计算交通载荷引起的累积应变的步骤中，计算公式为：
Figure FDA0003820374110000011
式中，
Figure FDA0003820374110000012
为竖向永久应变；N为交通载荷重复加载的次数；p0为初始有效固结应力；qf为土的静态破坏偏差应力，对于正常固结的土qf＝Mp0；M是临界应力比；pa为气压；α1、α2、α3和α4为材料常数，其根据空心圆柱试验得到不同交通载荷加载次数下软土的累积应变，通过拟合试验数据得到。
2.根据权利要求1所述的软土地基盾构隧道运营期沉降计算方法，其特征在于，所述获取软土地基盾构隧道运营期的沉降规律的步骤中，计算公式为：
Figure FDA0003820374110000013
式中，S为总沉降量；n为土的层数；εz p i为第i层土的竖向永久应变；hi为第i层土的厚度。
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