CN110188413A - 一种基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法 - Google Patents
一种基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110188413A CN110188413A CN201910391730.1A CN201910391730A CN110188413A CN 110188413 A CN110188413 A CN 110188413A CN 201910391730 A CN201910391730 A CN 201910391730A CN 110188413 A CN110188413 A CN 110188413A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tunnel
- foundation pit
- excavation
- confining pressure
- additional
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Excavating Of Shafts Or Tunnels (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法。本发明根据基坑开挖的卸载模型，采用Mindlin解计算基坑开挖引起的土体附加应力，得到隧道横向附加荷载分布；提出能描述隧道横向受力位移再平衡的附加围压重分布模型，并推导得到附加围压的计算公式。本发明可对基坑开挖引起的旁侧盾构隧道的围压变化进行预测，适用于不同基坑开挖尺寸和不同基坑与隧道位置关系的工况；防止围压及受力变化过大引发安全事故，对工程具有预防、指导作用，可节约施工成本；并为今后有关隧道结构的受力、足尺寸盾构管片加载试验和地铁隧道运营安全提供理论支持。
Description
技术领域
本发明属于地下工程技术领域，尤其涉及一种基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法。
背景技术
随着城市轨道交通发展和地下空间开发利用，在运营盾构隧道附近进行基坑开挖的工程越来越多。此类邻近基坑大多位于隧道旁侧，基坑侧壁的卸荷作用会通过土体传递给旁侧盾构隧道，在隧道结构上引起附加荷载，破坏管片结构的受力平衡，从而产生变形甚至损伤。因此研究基坑开挖对旁侧盾构隧道的影响具有重要的应用价值。
然而，目前在隧道横向受力和变形方面的研究多为数值模拟，缺乏为足尺寸盾构管片加载试验提供依据的衬砌围压变化理论解。因此，迫切需要探索基坑开挖引起隧道围压变化的理论计算方法，进而研究隧道结构的受力，为地铁隧道运营安全提供理论支持。
针对此类工程问题，国内外已展开了一些研究。研究方法主要可归纳为：实测数据统计分析、数值模拟、理论计算和离心模型试验。针对基坑开挖引起的旁侧隧道围压变化的研究较少：
离心模型试验方面：陈仁朋等[1]采用离心模型试验研究了基坑开挖引起的隧道围压变化，并研究了隔断墙对隧道的围压的影响。
数值模拟方面：胡海英等[2]通过数值模拟得到基坑开挖引起的隧道围压变化，并计算了管片的内力。
离心模型试验需要大型超重力离心机、高精度传感器和模型实验箱等实验设备，试验研究成本较高，需要投入较多的人力、物力和时间。实验结果还受到科里奥利加速度、粒径效应、边界效应等因素的影响。目前常用的数值模拟方法得到的结果仅能作为定性判断的依据，很难得到定量的准确结果。精细化的数值模拟对计算模型和运算设备具有较高的要求，需要较高的运算成本。目前中国国内尚未见有关于基坑开挖引起的旁侧隧道围压变化理论计算方面的研究成果报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的计算方法。本发明的方法适用于不同基坑开挖尺寸和不同基坑与隧道位置关系的工况。根据本发明的方法得到的隧道围压叠加上正常工况荷载组合，采用常用的修正惯用法计算隧道的内力，评估基坑对旁侧盾构隧道的影响。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法，包括如下步骤：
步骤(1)根据设计资料得到的基坑开挖尺寸、隧道几何尺寸、基坑与隧道的位置关系以及地层地下水位情况，建立根据基坑开挖的卸载模型；
步骤(2)根据基坑开挖的卸载模型，采用Mindlin解计算基坑开挖引起的土体附加应力；
步骤(3)根据基坑开挖引起的土体附加应力，得到隧道横向附加荷载分布，并取纵向位移最大处截面处的附加荷载；
步骤(4)建立能够描述基坑开挖附加荷载作用下隧道与土体协调变形过程的隧道横向受力-位移-再平衡附加围压重分布模型；
步骤(5)将步骤(3)得到的纵向位移最大处截面处的附加荷载导入到步骤(4)的隧道横向受力-位移-再平衡附加围压重分布模型中，结合纵向位移最大处管片环的纵向环间作用力约束条件，得到该截面隧道变形稳定后纵向位移最大处截面附加荷载的分布；
步骤(6)纵向位移处隧道变形稳定后的各个方向附加荷载，得到变形稳定后该截面处衬砌的附加围压。
进一步的，所述步骤(1)具体步骤如下：
根据设计图在盾构隧道旁侧开挖矩形基坑，如图1中的(a)所示，在地面基坑中心o处建立坐标系，x和y轴分别垂直和平行于隧道轴线，z轴以竖直向下为正方向；沿y轴方向的基坑开挖尺寸为L，沿x轴方向的基坑开挖尺寸为B，基坑开挖深度为d；隧道轴线与基坑中心的水平距离为a，盾构隧道外径为D，隧道轴线埋深为h，基坑围护结构至隧道的最小净距为s(s＝a-B/2-D/2)；基坑底部以下围护结构插入深度为d0，基坑围护结构总高度为H(H＝d+d0)；由此可得隧道轴线上任一点坐标为(a，l，h)，l为隧道上计算点沿y轴方向与基坑开挖中心的水平距离；基坑4个侧壁的编号分别为①、②、③、④；侧壁①和③平行于隧道轴线，侧壁①位于隧道旁侧；侧壁②和④垂直于隧道轴线。
采用悬臂式围护结构的基坑，围护结构需插入坑底一定深度，坑底卸载效应在围护结构的遮拦作用下无法直接作用于坑外土层。坑底卸载作用在坑底以下围护结构的遮拦作用下对旁侧隧道的影响较小，相比侧壁卸载的直接作用可忽略不计。据分析，基坑侧壁③与隧道间隔着已挖去土体的基坑，侧壁③的卸载作用无法传递至隧道，故本发明计算隧道附加荷载过程中仅考虑侧壁①和侧壁②、④的卸载作用。
采用机械钻孔在基坑靠近隧道侧打设现场探孔，根据实际工况设计勘探点布置，勘探孔深度应大于基坑开挖深度和隧道埋深，以便了解影响范围内的水文地质信息。
测量勘探孔水位，得到场地的初始地下水位；根据施工方案设计，得到水位变化量。
使用XY-1型钻机，采用双层双动岩芯管钻具或送水上提活阀式单套岩芯管钻具采取土样；记录每一层土层的采样厚度；将采取的土样采用烘干法测定土的含水量；采用环刀法测定土的天然密度；采用直接剪切试验或者三轴压缩实验活的土的强度指标内聚力和内摩擦角。根据取样的土体类型，给出土的泊松比取值。
进一步的，所述步骤(2)具体步骤如下：
首先计算基坑侧壁卸载引起隧道的附加荷载，在计算附加荷载过程中假定不考虑隧道结构存在的影响。根据Mindlin应力解，在半无限弹性体中(x1,y1,z1)处作用一沿x轴方向的单位力，计算点(x,y,z)处产生的沿x方向附加应力为：
沿z方向附加应力为：
式中：μ为土的泊松比；
在半无限弹性体中(x1,y1,z1)处作用一沿y轴方向的单位力，计算点(x,y,z)处产生的沿x 方向附加应力为：
沿z方向附加应力为：
如图1中的(b)所示，将基坑开挖的卸载效应简化为侧壁上分布向基坑内侧的水平荷载，荷载分布规律可根据公式(5)进行计算。
p＝βK0γz (5)
式中：p为基坑侧壁卸载(kN/m2)；γ为土的重度(kN/m2)，可取开挖土体的加权平均值；K0为静止土压力系数；β为基坑侧壁应力释放系数，基坑侧壁的卸载可以认为是开挖之后围护结构所受的侧向荷载和初始状态的水平静止土压力之差；z为计算点沿z轴方向的坐标，实际工程中该卸载大小受地质条件、围护结构、施工技术水平等多种因素的影响，在本发明实施例预测中可暂取β＝50％。
取编号为①的基坑侧壁微单元(B/2，ζ，η)，根据公式(1)～(2)和公式(5)进行积分计算可得到，侧壁①卸载引起的隧道衬砌外侧的土体x方向和z方向附加应力分别为：
z为计算点沿z轴方向的坐标，x为计算点沿x轴方向的坐标。
取编号为②的基坑侧壁微单元(ξ，-L/2，η)，根据公式(3)～(4)和公式(5)进行积分计算可得到，侧壁②卸载引起的隧道衬砌外侧的土体x方向和z方向附加应力分别为：
同理可得侧壁④卸载引起的隧道衬砌外侧的土体x方向和z方向附加应力分别为：
进一步的，所述步骤(3)具体步骤如下：
将基坑三个侧壁卸荷效应引起的附加应力叠加，可得到基坑开挖引起的旁侧隧道x方向和z方向附加荷载分布分别为：
pax(z,l)＝σax1(z,l)+σax2(z,l)+σax4(z,l) (12)
paz(x,l)＝σaz1(x,l)+σaz2(x,l)+σaz4(x,l) (13)
pax(z,l)和paz(x,l)取l＝0，得到pax(z,0)和paz(x,0)。
进一步的，所述步骤(4)具体步骤如下：
基坑开挖会引起隧道的附加荷载，作用于隧道的围压平衡被破坏，合力作用下隧道产生位移，隧道与土体协调变形的过程中隧道围压也同时协调重分布，直至受力平衡，隧道变形趋于稳定。实际这是一个同时进行的整体过程，为便于研究，本发明将基坑开挖作用下隧道围压协调重分布这一过程分成3个阶段，第一阶段如图2中的(a)所示，隧道的基坑开挖侧受到水平向和竖向附加荷载pax和paz作用，附加荷载的作用使得隧道的围压不平衡，隧道会向围压较小一侧位移，隧道轴线就产生纵向变形。横截面也就沿附加荷载作用方向产生了整体位移，如图2中的(b)所示；第二阶段，横截面位移过程中，位移方向侧的土体压缩，围压增加，水平向和竖向附加荷载的增量分别为Δp′ax和Δp′az；位移反方向侧的土体应力得到释放，围压减小，水平向和竖向附加荷载的增量分别为Δp″ax和Δp″az；由于隧道横截面是整体移动，两侧的位移值相同，所以可认为隧道两侧附加荷载增量值相同，即Δp′ax＝Δp″ax，Δp′az＝Δp″az。并可将各方向上的附加荷载增量简化为矩形均布荷载；第三阶段，当隧道变形稳定时，如图2中的 (c)所示，两侧水平向附加荷载分别为p′ax和p″ax，上下竖向附加荷载分别为p′az和p″az；隧道变形稳定时的附加荷载满足公式(14)～(15)；
同时该截面的管片环还与相邻管片环之间发生错台，并受到相邻管片环的剪切约束作用，令沿x轴方向剪切力为Fsx，沿y轴方向剪切力为Fsy；最终各项作用力在水平向和竖向上都达到平衡，隧道横截面位移达到稳定；由此可以得到以下等式：
根据公式(14)～(15)分别代入公式(16)～(17)得：
由于各方向上的附加荷载增量简化为矩形均布荷载，且Δp′ax＝Δp″ax，Δp′az＝Δp″az，根据公式(18)～(19)得到：
将公式(20)～(21)代入公式(14)～(15)，即可得到隧道横向受力-位移-再平衡附加围压重分布模型：
进一步的，所述步骤(5)具体步骤如下：
根据相关实测数据[3-4]可以发现，隧道位移沿轴线呈正态分布，开挖区间对应的隧道范围位移值最大。根据盾构隧道错台变形模型[5]的研究结果表明，纵向位移最大位置处的管片基本不发生环间错台。即理论上基坑开挖中心(y＝0)对应的隧道位置处(l＝0)，管片环整体位移量最大，而错台量为零。不存在环间错台引起的剪切约束力，即Fsx(0)＝Fsy(0)＝0。 Fsx＝Fsy＝0、pax(z,0)和paz(x,0)代入公式(22)～(23)，得到隧道变形稳定后纵向位移最大处截面附加荷载的分布：
进一步的，所述步骤(6)具体步骤如下：
将公式(24)和公式(25)计算得到的p′ax(z,0)、p′az(x,0)、p″ax(z,0)和p″az(x,0)代入公式(26)，得到变形稳定后l＝0处的隧道衬砌附加围压par(θ,0)。
需要说明的是，本发明求得的是隧道衬砌附加围压，初始围压可以由隧道初始工况下的荷载组合求得。本发明中考虑的隧道初始工况下的荷载组合如图3中的(a)所示。图中初始工况组合包括：(1)衬砌自重g；(2)上覆土竖向土压力q；(3)侧向主动土压力pe；(4)静水压力pw； (5)拱底反力qR；(6)各项荷载作用下管片环发生变形后侧向的土体抗力pk。当基坑开挖完成后，根据上文本发明的计算方法得到的隧道变形稳定后的隧道衬砌附加围压如图3中的(b)所示。将初始围压和附加围压叠加得到最终隧道衬砌围压值，采用常用的修正惯用法即可研究隧道衬砌的内力响应。
本发明的有益效果是：
(1)本发明可适用于不同基坑开挖尺寸和不同基坑与隧道位置关系的工况；
(2)本发明在基坑施工开挖前预测旁侧盾构隧道的围压变化情况过程中采用的都是相应工程所必需的工程地质水文信息和设计参数，无需增加额外的勘察设计成本投入。
(3)本发明可对基坑开挖引起的旁侧盾构隧道的围压变化进行预测，防止围压及受力变化过大引发安全事故，对工程具有预防、指导作用，可节约施工成本，并且为今后有关隧道结构的受力、足尺寸盾构管片加载试验和地铁隧道运营安全提供理论支持。
附图说明
图1是基坑与旁侧盾构隧道位置关系图，其中，(a)是平面图，(b)是剖面图；
图2是基坑开挖附加荷载作用下隧道围压重分布示意图，其中，(a)是第一阶段示意图， (b)是第二阶段示意图，(c)是第三阶段示意图；
图3是初始荷载组合与附加荷载组合示意图，其中，(a)是隧道初始工况下的荷载组合示意图，(b)是隧道变形稳定后的隧道衬砌附加围压示意图；
图4是基坑开挖前后的围压对比图；
图5是基坑开挖在旁侧盾构隧道衬砌上产生的附加围压示意图；
图6是基坑开挖前后的衬砌内力对比图，其中，(a)是弯矩图，(b)是剪力图，(c)是轴力图；
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步的说明。
以杭州地铁2号线盾构隧道旁侧一项深基坑工程作为实际案例。工程位于萧山区市心中路与金城路交叉口附近，隧道旁侧基坑开挖尺寸L＝68m，B＝72m，开挖深度d＝15.8m，地下连续墙深入地面以下37.2m。隧道埋深h＝14.3m，基坑围护结构边线距离隧道最小净距s＝9.5m。盾构隧道衬砌外径D＝6.2m，采用C50混凝土管片，厚度t＝0.35m，环宽Dt＝1.2m；施工过程中靠近地铁隧道一侧坑外不降水，地下水位埋深约为1.02m，基坑开挖过程中水位波动较小，计算中不考虑地下水位的变化。地铁隧道一侧的土层分布及相应参数如表1所示。
表1：土层分布及物理力学参数
采用取加权平均值的方法得到土体相关的计算参数取值：土的重度γ(kN/m3)；内聚力 C(kPa)；内摩擦角Φ(°)；土的泊松比μ。根据土的强度指标内摩擦角Φ(°)，根据K0＝1-sinΦ计算得到静止土压力系数K0。β为基坑侧壁应力释放系数，预测中取β＝50％。所需计算的隧道断面位于基坑开挖中心附近，隧道上计算点沿y轴方向与基坑开挖中心的水平距离l＝0。
将参数L、B、d、a、D、h、γ、β和l代入公式(6)、公式(8)和公式(10)，分别得到侧壁①、侧壁②和侧壁④卸载引起的隧道衬砌外侧的土体x方向附加应力σax1(z,l)、σax2(z,l)和σax4(z,l)。z为计算点沿z轴方向的坐标。
将参数L、B、d、a、D、h、γ、β和l代入公式(7)、公式(9)和公式(11)，分别得到侧壁①、侧壁②和侧壁④卸载引起的隧道衬砌外侧的土体z方向附加应力σaz1(x,l)、σaz2(x,l)和σaz4(x,l)。x为计算点沿x轴方向的坐标。
将σax1(z,l)、σax2(z,l)和σax4(z,l)代入公式(12)得到基坑开挖引起的旁侧隧道x方向附加荷载分布pax(z,l)。
将σaz1(x,l)、σaz2(x,l)和σaz4(x,l)代入公式(13)得到基坑开挖引起的旁侧隧道z方向附加荷载分布paz(x,l)。
pax(z,l)和paz(x,l)取l＝0，得到pax(z,0)和paz(x,0)。
将pax(z,0)和paz(x,0)代入公式(24)，得到隧道变形稳定后纵向位移最大处截面靠近基坑侧 x方向附加荷载的分布p′ax(z,0)、上部z方向附加荷载p′az(x,0)。
将pax(z,0)和paz(x,0)代入公式(25)，得到隧道变形稳定后纵向位移最大处截面远离基坑侧 x方向附加荷载的分布p″ax(z,0)、下部z方向附加荷载p″az(x,0)。
p′ax(z,0)、p′az(x,0)、p″ax(z,0)和p″az(x，0)代入公式(26)，得到变形稳定后l＝0处的隧道衬砌附加围压par(θ,0)。θ为隧道管片环上的角度，以隧道顶部为0°，顺时针角度增加。
变形稳定后l＝0处的隧道衬砌附加围压par(θ,0)，就是本发明所需预测的受基坑开挖影响最大处的旁侧盾构隧道围压变化量。
在初始荷载的围压基础上叠加本发明方法计算得到的基坑开挖引起的隧道计算截面附加围压，采用修正惯用法计算其内力的变化，以研究基坑开挖对旁侧隧道受力的影响。
图4为隧道显示了该案例中基坑开挖前和基坑开挖后的围压计算值。如图4所示，基坑开挖前隧道全周的围压呈“钟形”分布，下部围压较上部围压更大，主要是由于两侧土压力及水压力随深度的增加而增加。以上顶点为0°，顺时针方向角度增加。0°～90°之间围压较小，约200kPa左右。90°～120°之间围压快速增加，到150°左右围压达到最大，约为244.96kPa。隧道底部围压为234.92kPa。基坑开挖前隧道左右两侧围压呈对称分布。当基坑开挖后，隧道两侧的围压减小，顶部和底部的围压稍有增加。
图5为基坑开挖引起旁侧隧道的附加围压，即围压变化值，以围压减小为负。如图5所示，基坑开挖引起旁侧隧道的附加围压主要呈负值，仅顶部和底部围压有所增加，增加量也仅为0.96kPa。隧道右侧，即基坑开挖侧的围压减小量比隧道左侧更多。围压减小量最大约为 10.03kPa，位于285°处。基坑开挖侧隧道上部的附加围压绝对值大于下部附加围压绝对值，即本案例中基坑开挖侧隧道上部的围压减小量要较下部更大。
采用修正惯用法分别对基坑开挖前后的隧道衬砌环内力进行分析，图6中的(a)～(c)分别为弯矩、剪力和轴力的对比图，表2为各内力极值基坑开挖前后的对比。如图6中的(a)所示，基坑开挖前后的弯矩分布规律基本一致，隧道顶部和底部衬砌内侧受拉，呈正弯矩，衬砌拱腰部外侧受拉，呈负弯矩，两侧负弯矩区域呈对称分布。拱底正弯矩分布范围约90°，拱顶正弯矩范围略小于拱底，但最大弯矩值大于拱底；根据表2，基坑开挖前，在0°的位置处出现最大正弯矩77.07kN·m，在77.73°处出现最大负弯矩-58.21kN·m。基坑开挖后较基坑开挖前，无论是正弯矩还是负弯矩都增加。最大正弯矩108.39kN·m，同样位于0°处，较基坑开挖前增加40.64％。最大负弯矩-86.45kN·m，位于基坑开挖侧278.18°处，较基坑开挖前增加48.51％。
表2：基坑开挖前后的衬砌内力极值及分布位置
如图6中的(b)所示，隧道截面上0°、80°、180°和280°附近的位置剪力存在零点。衬砌的上半部剪力要大于下半部分。基坑开挖后较基坑开挖前，正负剪力都有增大。根据表2，基坑开挖前，最大正负剪力绝对值相同，都为43.29kN，分别位于323.18°和36.82°处。基坑开挖后，最大正负剪力的位置未发生变化，剪力绝对值增大至59.54kN，相比开挖前增大37.54％。
如图6中的(c)所示，隧道衬砌轴力左右拱腰处较大，顶部轴力小于底部轴力，轴力分布整体呈左右对称。根据表2，基坑开挖前后轴力最大值增加较少，最大轴力的位置从开挖前 98.18°处略有上移至94.09°处。0°位置处的轴力在基坑开挖之前为487.29kN，基坑开挖之后减小至454.64kN，减小了6.7％。本文中的参考文献如下：
[1]陈仁朋,AL-MADHAGI ASHRAF,孟凡衍.基坑开挖对旁侧隧道影响及隔断墙作用离心模型试验研究[J].岩土工程学报,2018,40(增刊2):6－11.(CHEN Ren-peng,AL-MADHAGI ASHRAF,MENG Fan-yan.Three-dimensional centrifuge modeling ofinfluence of nearby excavations on existing tunnels and effects of cut-offwalls[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2018,40(增刊2):6－11.(inChinese))
[2]胡海英,张玉成,杨光华,等.基坑开挖对既有地铁隧道影响的实测及数值分析[J].岩土工程学报,2014,36(增刊2):431－439.(HU Hai-ying,ZHANG Yu-cheng,YANGGuang-hua,et al. Measurement and numerical analysis of effect of excavationof foundation pits on metro tunnels[J]. Chinese Journal of GeotechnicalEngineering,2014,36(Supp.2):431－439.(in Chinese))
[3]魏纲,厉京,宣海力,等.大型深基坑开挖对旁边地铁盾构隧道影响的实测分析[J].铁道科学与工程学报,2018,15(3):718－726.(WEI Gang,LI Jing,XUAN Hai-li,etal.Monitoring data analysis on the influence of large deep foundation pitexcavation on nearby metro shield tunnel[J]. Journal of Railway Science andEngineering,2018,15(3):718－726.(in Chinese))
[4]魏纲.基坑开挖对下方既有盾构隧道影响的实测与分析[J].岩土力学,2013,34(5):1421－ 1428.(WEI Gang.Measurement and analysis of impact of foundationpit excavation on below existed shield tunnels[J].Rock and Soil Mechanics,2013,34(5):1421－1428.(in Chinese))
[5]周顺华,何超,肖军华.环间错台效应下基坑开挖引起临近地铁盾构隧道变形的能量计算法 [J].中国铁道科学,2016,37(3):53－60.(ZHOU Shun-hua,HE Chao,XiaoJun-hua.Energy method for calculating deformation of adjacent shield tunnelsdue to foundation pit excavation considering step between rings[J].ChinaRailway Science,2016,37(3):53－60.(in Chinese))。
Claims (7)
1.一种基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)根据设计资料得到的基坑开挖尺寸、隧道几何尺寸、基坑与隧道的位置关系以及地层地下水位情况，建立根据基坑开挖的卸载模型；
步骤(2)根据基坑开挖的卸载模型，采用Mindlin解计算基坑开挖引起的土体附加应力；
步骤(3)根据基坑开挖引起的土体附加应力，得到隧道横向附加荷载分布，并取纵向位移最大处截面处的附加荷载；
步骤(4)建立能够描述基坑开挖附加荷载作用下隧道与土体协调变形过程的隧道横向受力-位移-再平衡附加围压重分布模型；
步骤(5)将步骤(3)得到的纵向位移最大处截面处的附加荷载导入到步骤(4)的隧道横向受力-位移-再平衡附加围压重分布模型中，结合纵向位移最大处管片环的纵向环间作用力约束条件，得到该截面隧道变形稳定后纵向位移最大处截面附加荷载的分布。
步骤(6)纵向位移处隧道变形稳定后的各个方向附加荷载，得到变形稳定后该截面处衬砌的附加围压。
2.根据权利要求1所述的基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法，其特征在于：所述步骤(1)具体步骤如下：
在盾构隧道旁侧开挖矩形基坑，在地面基坑中心o处建立坐标系，x和y轴分别垂直和平行于隧道轴线，z轴以竖直向下为正方向；沿y轴方向的基坑开挖尺寸为L，沿x轴方向的基坑开挖尺寸为B，基坑开挖深度为d；隧道轴线与基坑中心的水平距离为a，盾构隧道外径为D，隧道轴线埋深为h，基坑围护结构至隧道的最小净距为s(s＝a-B/2-D/2)；基坑底部以下围护结构插入深度为d0，基坑围护结构总高度为H(H＝d+d0)；由此可得隧道轴线上任一点坐标为(a，l，h)，l为隧道上计算点沿y轴方向与基坑开挖中心的水平距离；基坑4个侧壁的编号分别为①、②、③、④；侧壁①和③平行于隧道轴线，侧壁①位于隧道旁侧；侧壁②和④垂直于隧道轴线。
3.根据权利要求1所述的基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法，其特征在于：所述步骤(2)具体步骤如下：
根据Mindlin应力解，在半无限弹性体中(x1,y1,z1)处作用一沿x轴方向的单位力，计算点(x,y,z)处产生的沿x方向附加应力为：
沿z方向附加应力为：
式中：μ为土的泊松比；
在半无限弹性体中(x1,y1,z1)处作用一沿y轴方向的单位力，计算点(x,y,z)处产生的沿x方向附加应力为：
沿z方向附加应力为：
将基坑开挖的卸载效应简化为侧壁上分布向基坑内侧的水平荷载，荷载分布规律可根据公式(5)进行计算。
p＝βK0γz (5)
式中：p为基坑侧壁卸载(kN/m2)；γ为土的重度(kN/m2)，可取开挖土体的加权平均值；K0为静止土压力系数；β为基坑侧壁应力释放系数，基坑侧壁的卸载可以认为是开挖之后围护结构所受的侧向荷载和初始状态的水平静止土压力之差；z为计算点沿z轴方向的坐标。
取编号为①的基坑侧壁微单元(B/2，ζ，η)，根据公式(1)～(2)和公式(5)进行积分计算可得到，侧壁①卸载引起的隧道衬砌外侧的土体x方向和z方向附加应力分别为：
z为计算点沿z轴方向的坐标，x为计算点沿x轴方向的坐标；
取编号为②的基坑侧壁微单元(ξ，-L/2，η)，根据公式(3)～(4)和公式(5)进行积分计算可得到，侧壁②卸载引起的隧道衬砌外侧的土体x方向和z方向附加应力分别为：
同理可得侧壁④卸载引起的隧道衬砌外侧的土体x方向和z方向附加应力分别为：
4.根据权利要求1所述的基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法，其特征在于：所述步骤(3)具体步骤如下：
将基坑三个侧壁卸荷效应引起的附加应力叠加，可得到基坑开挖引起的旁侧隧道x方向和z方向附加荷载分布分别为：
pax(z,l)＝σax1(z,l)+σax2(z,l)+σax4(z,l) (12)
paz(x,l)＝σaz1(x,l)+σaz2(x,l)+σaz4(x,l) (13)
pax(z,l)和paz(x,l)取l＝0，得到pax(z,0)和paz(x,0)。
5.根据权利要求1所述的基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法，其特征在于：所述步骤(4)具体步骤如下：
将基坑开挖作用下隧道围压协调重分布这一过程分成3个阶段，第一阶段，隧道的基坑开挖侧受到水平向和竖向附加荷载pax和paz作用，附加荷载的作用使得隧道的围压不平衡，隧道会向围压较小一侧位移，隧道轴线就产生纵向变形。横截面也就沿附加荷载作用方向产生了整体位移；第二阶段，横截面位移过程中，位移方向侧的土体压缩，围压增加，水平向和竖向附加荷载的增量分别为Δp′ax和Δp′az；位移反方向侧的土体应力得到释放，围压减小，水平向和竖向附加荷载的增量分别为Δp″ax和Δp″az；由于隧道横截面是整体移动，两侧的位移值相同，所以可认为隧道两侧附加荷载增量值相同，即Δp′ax＝Δp″ax，Δp′az＝Δp″az。并可将各方向上的附加荷载增量简化为矩形均布荷载；第三阶段，当隧道变形稳定时，两侧水平向附加荷载分别为p′ax和p″ax，上下竖向附加荷载分别为p′az和p″az；隧道变形稳定时的附加荷载满足公式(14)～(15)；
同时该截面的管片环还与相邻管片环之间发生错台，并受到相邻管片环的剪切约束作用，令沿x轴方向剪切力为Fsx，沿y轴方向剪切力为Fsy；最终各项作用力在水平向和竖向上都达到平衡，隧道横截面位移达到稳定；由此可以得到以下等式：
根据公式(14)～(15)分别代入公式(16)～(17)得：
由于各方向上的附加荷载增量简化为矩形均布荷载，且Δp′ax＝Δp″ax，Δp′az＝Δp″az，根据公式(18)～(19)得到：
将公式(20)～(21)代入公式(14)～(15)，即可得到隧道横向受力-位移-再平衡附加围压重分布模型：
6.根据权利要求1所述的基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法，其特征在于：所述步骤(5)具体步骤如下：
Fsx＝Fsy＝0、pax(z,0)和paz(x,0)代入公式(22)～(23)，得到隧道变形稳定后纵向位移最大处截面附加荷载的分布：
7.根据权利要求1所述的基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法，其特征在于：所述步骤(6)具体步骤如下：
将公式(24)和公式(25)计算得到的p′ax(z,0)、p′az(x,0)、p″ax(z,0)和p″az(x,0)代入公式(26)，得到变形稳定后l＝0处的隧道衬砌附加围压par(θ,0)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910391730.1A CN110188413B (zh) | 2019-05-13 | 2019-05-13 | 一种基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910391730.1A CN110188413B (zh) | 2019-05-13 | 2019-05-13 | 一种基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110188413A true CN110188413A (zh) | 2019-08-30 |
| CN110188413B CN110188413B (zh) | 2023-04-07 |
Family
ID=67716043
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910391730.1A Active CN110188413B (zh) | 2019-05-13 | 2019-05-13 | 一种基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110188413B (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110489926A (zh) * | 2019-09-02 | 2019-11-22 | 北京交通大学 | 一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法及系统 |
| CN110821516A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-02-21 | 上海建工集团股份有限公司 | 一种卸荷条件下侧方盾构隧道力学性态模拟计算方法 |
| CN110879906A (zh) * | 2019-11-09 | 2020-03-13 | 北京工业大学 | 一种曲线隧道盾壳摩擦力引起地层附加应力的预测方法 |
| CN111680383A (zh) * | 2020-03-03 | 2020-09-18 | 浙江大学城市学院 | 一种基坑开挖引起的下方盾构隧道附加围压变化预测方法 |
| CN111946357A (zh) * | 2020-09-14 | 2020-11-17 | 武汉市市政建设集团有限公司 | 一种考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法 |
| CN112329122A (zh) * | 2021-01-07 | 2021-02-05 | 湖南大学 | 一种旁侧基坑开挖引起的盾构隧道横向变形和内力确定方法 |
| CN112597674A (zh) * | 2020-12-05 | 2021-04-02 | 福建工程学院 | 一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法 |
| CN112989262A (zh) * | 2021-02-02 | 2021-06-18 | 中铁十一局集团有限公司 | 一种考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11166395A (ja) * | 1997-12-04 | 1999-06-22 | Sumitomo Constr Co Ltd | シールドトンネル覆工体 |
| CN106339554A (zh) * | 2016-08-29 | 2017-01-18 | 浙江大学城市学院 | 一种基坑开挖引起邻近既有地铁隧道位移的计算方法 |
| CN109682416A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-04-26 | 中国地质大学（武汉） | 测量隧道水土压力分布及隧道变形规律的实验装置及方法 |
-
2019
- 2019-05-13 CN CN201910391730.1A patent/CN110188413B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11166395A (ja) * | 1997-12-04 | 1999-06-22 | Sumitomo Constr Co Ltd | シールドトンネル覆工体 |
| CN106339554A (zh) * | 2016-08-29 | 2017-01-18 | 浙江大学城市学院 | 一种基坑开挖引起邻近既有地铁隧道位移的计算方法 |
| CN109682416A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-04-26 | 中国地质大学（武汉） | 测量隧道水土压力分布及隧道变形规律的实验装置及方法 |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110489926A (zh) * | 2019-09-02 | 2019-11-22 | 北京交通大学 | 一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法及系统 |
| CN110489926B (zh) * | 2019-09-02 | 2021-03-23 | 北京交通大学 | 一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法及系统 |
| CN110879906A (zh) * | 2019-11-09 | 2020-03-13 | 北京工业大学 | 一种曲线隧道盾壳摩擦力引起地层附加应力的预测方法 |
| CN110821516A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-02-21 | 上海建工集团股份有限公司 | 一种卸荷条件下侧方盾构隧道力学性态模拟计算方法 |
| CN111680383A (zh) * | 2020-03-03 | 2020-09-18 | 浙江大学城市学院 | 一种基坑开挖引起的下方盾构隧道附加围压变化预测方法 |
| CN111680383B (zh) * | 2020-03-03 | 2023-07-07 | 浙江大学城市学院 | 一种基坑开挖引起的下方盾构隧道附加围压变化预测方法 |
| CN111946357A (zh) * | 2020-09-14 | 2020-11-17 | 武汉市市政建设集团有限公司 | 一种考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法 |
| CN111946357B (zh) * | 2020-09-14 | 2022-03-25 | 武汉市市政建设集团有限公司 | 一种考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法 |
| CN112597674A (zh) * | 2020-12-05 | 2021-04-02 | 福建工程学院 | 一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法 |
| CN112597674B (zh) * | 2020-12-05 | 2022-07-08 | 福建工程学院 | 一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法 |
| CN112329122A (zh) * | 2021-01-07 | 2021-02-05 | 湖南大学 | 一种旁侧基坑开挖引起的盾构隧道横向变形和内力确定方法 |
| CN112989262A (zh) * | 2021-02-02 | 2021-06-18 | 中铁十一局集团有限公司 | 一种考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110188413B (zh) | 2023-04-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110188413A (zh) | 一种基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法 | |
| CN107330191B (zh) | 地下水对地铁盾构隧道施工影响的数值模拟分析方法 | |
| Hu et al. | Review on current status and challenging issues of land subsidence in China | |
| Zhang et al. | Estimation of in situ stress along deep tunnels buried in complex geological conditions | |
| Zhao et al. | Function mechanism and analytical method of a double layer pre-support system for tunnel underneath passing a large-scale underground pipe gallery in water-rich sandy strata: A case study | |
| Liu et al. | Design optimization of the soil nail wall-retaining pile-anchor cable supporting system in a large-scale deep foundation pit | |
| Qiu et al. | Influence spatial behavior of surface cracks and prospects for prevention methods in shallow loess tunnels in China | |
| Guan et al. | Key Techniques and Risk Management for the Application of the Pile‐Beam‐Arch (PBA) Excavation Method: A Case Study of the Zhongjie Subway Station | |
| Wang et al. | Retaining technology for deep foundation pit excavation adjacent to high-speed railways based on deformation control | |
| Wang et al. | Numerical evaluation of a 70-m deep hydropower station foundation pit dewatering | |
| Shi et al. | Analysis on Deformation and Stress Characteristics of a Multibraced Pit‐in‐Pit Excavation in a Subway Transfer Station | |
| Wu et al. | Construction mechanical mechanism of shallow subway tunnel group with large-span variable cross section | |
| Zhang et al. | Stability analysis and numerical simulation of foundation in old goaf under building load | |
| FAN et al. | Mechanical response characteristics of lining structure of pipeline karst tunnels in water-rich areas | |
| Zhang et al. | Observed deformation characteristics of a deep excavation for the spring area in Jinan, China | |
| Zhou et al. | Mechanical response of supporting structure of closely spaced super large span twin tunnels | |
| Sun et al. | The Ground Settlement and the Existing Pipeline Response Induced by the Nonsynchronous Construction of a Twin‐Tunnel | |
| Pan et al. | Construction mechanics behavior of double-layer primary support arch cover method | |
| Yanli et al. | Evaluation and deformation control study on the bias pressure of layered rock tunnels | |
| Li et al. | Numerical analysis for supporting and deformation of complex foundation pit groups in unstable areas of karst strata | |
| Wu et al. | Research on the deformation mechanisms of a tunnel-landslide system based on the point safety factor of the interface | |
| Zhou et al. | Optimization of radial drainage design for Water-Rich tunnel in sandy dolomite stratum considering pressure relief effect | |
| Guo et al. | Settlement analysis of the giant open caisson during the construction of the Changtai Yangtze River Bridge | |
| Wang et al. | Study of the Mechanical Behavior of Retaining Structures and Adjacent Buildings during the Excavation of Deep and Long Pits | |
| Cao et al. | Risk Analysis of Subway Shield Tunneling |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |