CN111914336A - 一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，包括：根据工程资料确定计算参数；根据所述参数计算既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量；根据所述参数建立盾构下穿力学模型，刀盘附加推力考虑了刀盘的挤土效应；盾壳摩擦力考虑了土体的软化作用与浆液蔓延作用，盾尾注浆压力考虑了分区作用，土体损失考虑了注浆填充的影响；根据所述盾构下穿力学模型，计算各施工因素引起的既有隧道附加应力；将所述施工因素引起的既有隧道附加应力施加至既有隧道上，得到既有隧道变形。本发明避免了传统Mindlin解只能将土体视为单向介质的问题、以及将刀盘推力、盾壳摩擦力、盾尾注浆压力假设为均匀分布力的问题。

Description

一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计 算方法

技术领域

本发明属于地下工程技术领域，尤其涉及一种考虑盾构施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形的计算方法。

背景技术

近年来，随着城市规模不断扩大，地铁建设逐渐进入网络化阶段。盾构法因其对周围环境影响小、机械化程度高等特点在地铁建设中备受青睐，尤其是在含水率较高的软土地区修建深埋长距离地铁隧道往往具有技术与经济上的优势。盾构施工不可避免要下穿邻近既有地铁隧道，并引起邻近隧道附加变形与内力。而既有隧道对纵向变形较为敏感，纵向的不均匀变形将引起轨道不平顺，影响列车运行舒适性，严重时甚至导致轨道脱开、管片开裂、接缝过度张开等结构损伤，影响地铁运营安全。

目前，盾构下穿引起既有隧道变形的分析与预测多采用两阶段的理论计算方法，首先计算分析盾构施工引起既有隧道处土体的自由变形或附加荷载，再将变形或荷载施加在既有隧道上，得到既有隧道结构响应。Mindlin解因其物理概念明确、可考虑施工因素，被广泛用于第一阶段盾构施工引起土体变形与附加应力的计算中。但是，Mindlin解假设土体为单相介质，而实际土是由三相介质构成，即便是饱和软土也由两相介质组成。由于饱和软土的低渗透、高压缩、强灵敏度等特点，在软土区采用只考虑单相介质的Mindlin解会导致结果偏离实际值。且目前理论计算中建立的考虑盾构施工因素的计算模型简化较大，未考虑盾构实际施工中刀盘对土体的挤压效应、盾壳摩擦力引起的土体软化效应、盾尾注浆的浆液蔓延效应、注浆压力沿环向不均匀分布及注浆填充对土体损失的影响等。

因此，建立一种能够适应饱和软土特性、更加符合盾构实际施工情况的盾构下穿计算模型，提出盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，对预测既有隧道变形、保障其结构稳定和运营安全具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，以解决相关技术中存在的无法考虑饱和软土多相介质特性、盾构实际施工刀盘对土体的挤压效应、盾壳摩擦力引起的土体软化效应、盾尾注浆的浆液蔓延效应、注浆压力沿环向不均匀分布及注浆填充对土体损失的影响的问题，能够帮助技术管理人员快速预测与分析既有隧道变形，以便及时采取针对性的防护措施。

为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案如下：

本发明实施例提供一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，包括：

根据工程资料确定计算参数，所述计算参数包括土体参数、既有隧道管片设计参数、既有隧道与盾构空间位置参数，并通过盾构机在下穿前的试推段信息获取盾构机施工参数；

根据所述土体参数与既有隧道管片设计参数，计算既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量；

根据既有隧道与盾构空间位置参数，建立盾构下穿力学模型，其中刀盘附加推力考虑了刀盘的挤土效应，盾壳摩擦力考虑了土体的软化作用与浆液蔓延作用，盾尾注浆压力考虑了分区作用，土体损失考虑了注浆填充的影响；

根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算刀盘附加推力引起的既有隧道附加应力；

根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾壳摩擦力引起的既有隧道附加应力；

根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾尾注浆压力引起的既有隧道附加应力；

根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算土体损失引起的既有隧道附加应力；

基于既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量，将所述施工因素引起的既有隧道附加应力施加至既有隧道上，计算得到既有隧道变形。

进一步地，根据所述土体参数与既有隧道管片设计参数，计算既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量，具体包括：

根据公式

确定既有隧道纵向等效抗弯刚度；其中E_c为管片弹性模量；A_s为既有隧道横截面面积；n为纵向螺栓个数；l为两环管片轴线间的距离，即一环管片的长度；λ₁，λ₂为与隧道横截面有关的影响系数；

为接头螺栓的平均线刚度，E_b为螺栓的弹性模量，A_b为螺栓横截面积，l_b为螺栓长度；

根据公式

确定所述地基模量；其中

B为既有隧道直径；Es为土体的弹性模量。

进一步地，根据既有隧道与盾构空间位置参数，建立盾构下穿力学模型，具体包括：

以盾构与既有隧道交叉点在地表上的投影点为坐标原点建立坐标系，盾构机垂直于xoz平面，沿着y轴负向掘进；L和R_s分别为盾构机的长度与刀盘半径，盾构机埋深为z₀；既有隧道位于xoz平面内且平行于x轴，埋深为z；刀盘附加推力q作用于开挖面，并考虑刀盘的挤土效应；盾壳摩擦力f沿盾壳分布，考虑土体的软化作用，并考虑浆液蔓延导致靠近盾尾部分摩擦力的折减作用，浆液蔓延范围为l；盾尾注浆压力p沿盾尾环向不均匀分布，并分区处理，注浆压力作用范围为盾尾后一环管片的宽度m；土体损失V_loss集中于盾尾处，并考虑注浆填充的影响。

进一步地，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算刀盘附加推力引起的既有隧道附加应力，具体包括：

所述刀盘附加推力

其中μ为泊松比；v为盾构掘进速度；Δp’为刀盘切入土体产生的挤压力；E_u为土体不排水弹性模量；w为刀盘转速；k为刀盘闭口部分幅数；D为刀盘直径；ξ为刀盘开口率；

建立积分坐标系x’y’z’，刀盘任意微元dA上作用集中力dF＝qrdrdθ，对饱和土体中既有隧道某一点(x,y,z)产生的竖向附加应力

其中

进一步地，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾壳摩擦力引起的既有隧道附加应力，具体包括：

所述盾壳摩擦力f＝β_sσ_θtanδ′；其中σ_θ＝σ_vsin²θ+σ_hcos²θ；σ_v＝σ_轴-γR_ssinθ；σ_h＝K₀(σ_轴-γR_ssinθ)；σ_轴为盾构轴线处的竖向土压力；K₀为侧向静止土压力系数；γ为土体重度；δ’为盾构与周围土体的截面摩擦角；βs盾壳表面残余摩阻力与极限侧摩阻力的比值；

建立积分坐标系x’y’z’，盾壳表面任意微元dA上作用集中力dF＝fR_sdsdθ，盾壳摩擦力对饱和土体中既有隧道某一点(x,y,z)产生的竖向附加应力

其中

λ为考虑盾尾浆液蔓延对盾壳摩擦力折减的系数。

进一步地，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾尾注浆压力引起的既有隧道附加应力，具体包括：

所述盾尾注浆压力p_i＝p₀±AR_s(α-α₀)-ρgR_s(sinα-sinα₀)；其中p₀为注浆孔处实际注浆压力；α₀为注浆孔与x轴的夹角(弧度制)；

为牛顿流体系数；q为浆液流量；μ(t)为浆液粘度系数；r₀为盾尾间隙的一半；

建立积分坐标系x’y’z’，盾尾任意微元dA上作用集中力dF＝p_iR_sdsdθ，将其分解为竖直力dF_v＝p_iR_ssinθdsdθ和水平力dF_h＝p_iR_scosθdsdθ，盾尾注浆压力对饱和土体中既有隧道某一点(x,y,z)产生的竖向附加应力

其中

进一步地，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算土体损失引起的既有隧道附加应力，具体包括：

所述土体损失

其中R′＝B/2；g＝G′_P+U_3D+ω；G′_P＝αG_P；G_p’为盾构与隧道之间的几何空隙；U_3D为盾构前部土体的三维弹塑性变形；ω为施工影响因素；α＝0.116(z₀/2R_s)-0.042为考虑注浆填充影响后的参数；土体损失引起既有隧道上某一点(x,y,z)的竖向附加应力

其中

K为地基模量；μ为土的泊松比；L为盾构机长度。

进一步地，将上述施工因素引起的既有隧道附加应力施加至既有隧道上，得到既有隧道变形；包括：

所述施工因素引起的既有隧道附加应力值σ_z＝σ_z-q+σ_z-f+σ_z-pv+σ_z-ph+σ_s；将隧道视为附加分布荷载作用下的Winkler弹性地基无限长梁，得到盾构下穿既有隧道变形的微分控制方程

式中EI为既有隧道等效抗弯刚度；W(x)为既有隧道竖向变形；k为地基基床系数，k＝K/B，B为既有隧道直径；q(x)为施工因素引起既有隧道上的附加荷载，q(x)＝Bσ_z(x)；求解微分方程，得到作用在既有隧道上一点ξ的集中荷载q(ξ)dξ引起既有隧道在x处竖向变形为

对上式积分，得到附加分布荷载作用下既有隧道竖向变形计算式

对该式进行积分计算得到既有隧道变形。

根据以上技术方案，本发明的有益效果是：

(1)本发明建立了一种综合考虑施工因素和饱和软土多相介质特性的盾构下穿既有隧道变形计算方法，考虑了盾构实际施工刀盘对土体的挤压效应、盾壳摩擦力引起的土体软化效应、盾尾注浆的浆液蔓延效应、注浆压力沿环向不均匀分布及注浆填充对土体损失的影响，避免了传统Mindlin解只能将土体视为单向介质的问题、以及传统计算方法中将刀盘推力、盾壳摩擦力、盾尾注浆压力假设为均匀分布力的问题。

(2)本发明可运用MATLAB等数值计算软件快速对盾构下穿引起既有隧道变形进行分析与预测，由此可对盾构下穿施工时既有隧道结构安全性进行评估。将预测得到的既有隧道变形值与相关规范规定的结构控制指标进行对比，后续施工时可根据对比分析情况，采取有针对性的施工防护措施，如加强下穿段施工监测频率、对既有隧道进行提前加固等。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法的流程图；

图2为本发明实施例的一种盾构下穿既有隧道力学模型图；

图3为本发明实施例的一种刀盘推力积分示意图；

图4为本发明实施例的一种盾壳摩擦力积分示意图；

图5(a)为本发明实施例的一种盾尾注浆压力分解示意图；

图5(b)为本发明实施例的一种盾尾注浆压力积分示意图；

图6为本发明实施例的一种盾尾注浆压力分区示意图；

图7为本发明实施例的一种土体损失示意图；

图8为本发明实施例的一种Winkler地基梁模型示意图；

图9为本发明实施例的一种实际下穿工程既有隧道竖向变形对比图；

图10为本发明实施例的一种计算既有隧道在交叉点(x＝0)的竖向变形随盾构下穿位置变化图；

图11为本发明实施例的一种计算既有隧道竖向变形随盾构下穿位置变化图；

图12为本发明实施例的一种传统Mindlin解盾构下穿既有隧道力学模型图。

具体实施方式

下面结合实施例与附图，对本发明做进一步描述。下述实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，对实施例的说明仅用于帮助理解本发明，而不是限制本发明。对于相关技术领域人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可以对于本发明进行若干改进和修饰。这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

图1为本发明实施例提供的一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法的流程图；本发明实施例提供的一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，包括以下步骤：

步骤S101，根据工程资料确定计算参数，所述计算参数包括土体参数、既有隧道管片设计参数、既有隧道与盾构空间位置参数，并通过盾构机在下穿前的试推段信息获取盾构机施工参数；

具体地，所述参数包括：既有隧道所在土层重度γ，压缩模量E_s0.1-0.2，土体泊松比μ，静止侧压力系数K₀，管片弹性模量E，管片宽度m，管片环间纵向螺栓个数n，螺栓弹性模量E_b，螺栓直径

螺栓长度l_b，既有隧道直径B，既有隧道埋深z，盾构机长度L，刀盘直径D，盾构机埋深z₀，盾构掘进速度v，刀盘切入土体产生的挤压力Δp’；刀盘转速w；刀盘闭口部分幅数k，刀盘开口率ξ，盾构与周围土体的截面摩擦角δ’，盾壳表面残余摩阻力与极限侧摩阻力的比值βs，浆液流量q，浆液粘度系数μ(t)，盾尾间隙的一半r₀。

步骤S102，根据所述土体参数与既有隧道管片设计参数，计算既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量；

根据公式

确定既有隧道纵向等效抗弯刚度；其中E_c为管片弹性模量；A_s为既有隧道横截面面积；n为纵向螺栓个数；l为两环管片轴线间的距离，即一环管片的长度；λ₁，λ₂为与隧道横截面有关的影响系数；

为接头螺栓的平均线刚度，E_b为螺栓的弹性模量，A_b为螺栓横截面积，l_b为螺栓长度；

根据公式

确定所述地基模量；其中

B为既有隧道直径；Es为土体的弹性模量；在软土地层中，E_s＝(2.5～3.5)E_s0.1-0.2，E_s0.1-0.2为土体压缩模量。

步骤S103，根据既有隧道与盾构空间位置参数，建立盾构下穿力学模型；

具体地，以盾构与既有隧道交叉点在地表上的投影点为坐标原点建立坐标系，盾构机垂直于xoz平面，沿着y轴负向掘进；L和R_s分别为盾构机的长度与刀盘半径，盾构机埋深为z₀；既有隧道位于xoz平面内且平行于x轴，埋深为z；刀盘附加推力q作用于开挖面，并考虑刀盘的挤土效应；盾壳摩擦力f沿盾壳分布，考虑土体的软化作用，并考虑浆液蔓延导致靠近盾尾部分摩擦力的折减作用，浆液蔓延范围为l；盾尾注浆压力p沿盾尾环向不均匀分布，并分区处理，注浆压力作用范围为盾尾后一环管片的宽度m；土体损失V_loss集中于盾尾处，并考虑注浆填充的影响。所述力学模型如图2所示。

步骤S104，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算刀盘附加推力引起的既有隧道附加应力；

具体地，所述刀盘附加推力

其中μ为泊松比；v为盾构掘进速度；Δp’为刀盘切入土体产生的挤压力；E_u为土体不排水弹性模量；w为刀盘转速；k为刀盘闭口部分幅数；D为刀盘直径；ξ为刀盘开口率；

建立积分坐标系x’y’z’，刀盘任意微元dA上作用集中力dF＝qrdrdθ，对饱和土体中既有隧道某一点(x,y,z)产生的竖向附加应力

其中

积分示意图如图3所示。

步骤S105，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾壳摩擦力引起的既有隧道附加应力；

具体地，所述盾壳摩擦力f＝β_sσ_θtanδ′；其中σ_θ＝σ_vsin²θ+σ_hcos²θ；σ_v＝σ_轴-γR_ssinθ；σ_h＝K₀(σ_轴-γR_ssinθ)；σ_轴为盾构轴线处的竖向土压力；K₀为侧向静止土压力系数；γ为土体重度；δ’为盾构与周围土体的截面摩擦角；βs盾壳表面残余摩阻力与极限侧摩阻力的比值；

建立积分坐标系x’y’z’，盾壳表面任意微元dA上作用集中力dF＝fR_sdsdθ，盾壳摩擦力对饱和土体中既有隧道某一点(x,y,z)产生的竖向附加应力

其中

λ为考虑盾尾浆液蔓延对盾壳摩擦力折减的系数。积分示意图如图4所示。

步骤S106，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾尾注浆压力引起的既有隧道附加应力；

具体地，所述盾尾注浆压力p_i＝p₀±AR_s(α-α₀)-ρgR_s(sinα-sinα₀)；其中p₀为注浆孔处实际注浆压力；α₀为注浆孔与x轴的夹角(弧度制)；

为牛顿流体系数；q为浆液流量；μ(t)为浆液粘度系数；r₀为盾尾间隙的一半；

建立积分坐标系x’y’z’，盾尾任意微元dA上作用集中力dF＝p_iR_sdsdθ，将其分解为竖直力dF_v＝p_iR_ssinθdsdθ和水平力dF_h＝p_iR_scosθdsdθ，如图5(a)所示。盾尾注浆压力对饱和土体中既有隧道某一点(x,y,z)产生的竖向附加应力

其中

积分示意图如图5(b)所示。

盾尾以4孔注浆为例，并将注浆压力分为4个区域，左右两区域平均注浆压力相同，顶部平均注浆压力最小，底部平均注浆压力最大，如图6所示。注浆孔数量及位置可根据盾构机实际构造进行修改。

步骤S107，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算土体损失引起的既有隧道附加应力；

具体地，所述土体损失V_loss＝πR_s ²-πR′²＝π(R′g-g²/4)；其中R′＝B/2；g＝G′_P+U_3D+ω；G′_P＝αG_P；G_p’为盾构与隧道之间的几何空隙；U_3D为盾构前部土体的三维弹塑性变形；ω为施工影响因素；α＝0.116(z₀/2R_s)-0.042为考虑注浆填充影响后的参数；土体损失引起既有隧道上某一点(x,y,z)的竖向附加应力

其中

K为地基模量；μ为土的泊松比；L为盾构机长度。土体损失示意图如图7所示。

步骤S108，基于既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量，将所述施工因素引起的既有隧道附加应力施加至既有隧道上，得到既有隧道变形。

具体地，所述施工因素引起的既有隧道附加应力值σ_z＝σ_z-q+σ_z-f+σ_z-pv+σ_z-ph+σ_s；将隧道视为附加分布荷载作用下的Winkler弹性地基无限长梁，如图8所示。得到盾构下穿既有隧道变形的微分控制方程

式中EI为既有隧道等效抗弯刚度；W(x)为既有隧道竖向变形；k为地基基床系数，k＝K/B，B为既有隧道直径；q(x)为施工因素引起既有隧道上的附加荷载，q(x)＝Bσ_z(x)；求解微分方程，得到作用在既有隧道上一点ξ的集中荷载q(ξ)dξ引起既有隧道在x处竖向变形为

对上式积分，得到附加分布荷载作用下既有隧道竖向变形计算式

将既有隧道竖向总附加应力值σ_z带入上式，得到一个三重积分式，对该式进行积分计算得到既有隧道变形。

可选地，本实施例中，所述步骤S103与步骤S108中，根据本实施例所建立的坐标系，既有隧道位于xoz平面且与x轴平行，因此，既有隧道附加应力、附加荷载与竖向变形表示为x的函数。也可根据既有隧道与新建盾构空间关系不同，建立不同于本实施例的坐标系，利用坐标转换将既有隧道的附加应力、附加荷载与竖向变形转化为单一变量x的函数，其余求解方法与本实施例相同。

取实际工程进行计算。实际工程工况及参数：上海软土地区某新建盾构近似垂直下穿既有地铁隧道，既有隧道所在土层重度γ＝18.2kN/m³，压缩模量E_s0.1-0.2＝8.21MPa，土体泊松比μ＝0.5，静止侧压力系数K₀＝0.85，管片弹性模量E_c＝3.45×10⁴MPa，管片宽度m＝1.2m，纵向螺栓个数n＝17，螺栓弹性模量E_b＝2.06×10⁵MPa，螺栓直径

螺栓长度l_b＝400mm，既有隧道直径B＝6.2m，既有隧道埋深z＝16.1m，盾构机长度L＝9m，刀盘直径D＝6.34m，盾构机埋深z₀＝26.2m，盾构掘进速度v＝1.5cm/min，刀盘切入土体产生的挤压力Δp’＝25kPa；刀盘转速w＝0.7r/min；刀盘闭口部分幅数k＝3，刀盘开口率ξ＝40％，盾构与周围土体的截面摩擦角δ’＝7°，盾壳表面残余摩阻力与极限侧摩阻力的比值βs＝0.85，注浆孔处实际注浆压力p₀＝450kPa，注浆压力浆液流量q＝2×10^-3m³/s，浆液粘度系数μ(t)＝0.005Pa·s，盾尾间隙的一半r₀＝0.07m。

利用MATLAB数值计算软件，计算得到盾构下穿完成后既有隧道竖向变形如图9所示。将其与简化二阶段计算方法和实测数据对比，可见，考虑软土多相介质特性和实际施工因素后，本发明的提供的方法相对于简化二阶段计算方法与实测数据更为符合。

计算得到既有隧道在穿越交叉点处(x＝0处)竖向变形随盾构下穿位置变化情况如图10所示，既有隧道竖向变形随盾构下穿位置变化曲线如图11所示。可见，当盾构施工至既有隧道下方20～-20m范围内时，施工参数是导致既有隧道竖向变形的主要原因。盾构下穿前，刀盘附加推力与盾壳摩擦力引起既有隧道隆起；盾构经过既有隧道时，盾壳摩擦力扰动使得既有隧道快速沉降；盾尾脱出时，注浆压力导致既有隧道小幅度隆起；盾构远离后，土体损失引起既有隧道沉降继续发展并最终趋于平稳。本实施例计算得到既有隧道最大沉降量为2.45mm，并未超过《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T202-2013)所规定的20mm隧道结构竖向变形控制指标。实际施工时，可根据预测与分析情况，在盾构下穿过程中采取加强监测、及时反馈的措施，加强盾构下穿施工过程与施工参数控制。

本发明提供了一种考虑施工因素的饱和土盾构下穿引起既有隧道变形的计算方法，为盾构下穿既有隧道变形初步预测与评估提供了可靠依据。本计算方法基于饱和软土初值解积分得到，不仅更加符合低渗透、高含水率软土土质地区盾构施工情况，且能够考虑盾构实际施工时刀盘的挤土效应、盾壳摩擦引起周围土体的软化作用、浆液蔓延导致靠近盾尾部分摩擦力的折减作用、盾尾注浆沿环向不均匀分布与注浆填充对土体损失的影响问题，避免了传统Mindlin解只能将土体视为单向介质、以及将刀盘推力、盾壳摩擦力、盾尾注浆压力假设为均匀分布力的问题(如图12所示)，提高了计算精确性，具有显著的经济与社会效益。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，其特征在于，包括：

根据工程资料确定计算参数，所述计算参数包括土体参数、既有隧道管片设计参数、既有隧道与盾构空间位置参数，并通过盾构机在下穿前的试推段信息获取盾构机施工参数；

根据所述土体参数与既有隧道管片设计参数，计算既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量；

根据既有隧道与盾构空间位置参数，建立盾构下穿力学模型，其中刀盘附加推力考虑了刀盘的挤土效应，盾壳摩擦力考虑了土体的软化作用与浆液蔓延作用，盾尾注浆压力考虑了分区作用，土体损失考虑了注浆填充的影响；

根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算刀盘附加推力引起的既有隧道附加应力；

根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾壳摩擦力引起的既有隧道附加应力；

根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾尾注浆压力引起的既有隧道附加应力；

根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算土体损失引起的既有隧道附加应力；

基于既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量，将所述施工因素引起的既有隧道附加应力施加至既有隧道上，得到既有隧道变形。

2.根据权利要求1所述的一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，其特征在于，根据所述土体参数与既有隧道管片设计参数，计算既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量，具体包括：

根据公式

确定既有隧道纵向等效抗弯刚度；其中E_c为管片弹性模量；A_s为既有隧道横截面面积；n为纵向螺栓个数；l为两环管片轴线间的距离，即一环管片的长度；λ₁，λ₂为与隧道横截面有关的影响系数；

为接头螺栓的平均线刚度，E_b为螺栓的弹性模量，A_b为螺栓横截面积，l_b为螺栓长度；

根据公式

确定所述地基模量；其中

B为既有隧道直径；Es为土体的弹性模量。

3.根据权利要求1所述的一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，其特征在于，根据既有隧道与盾构空间位置参数，建立盾构下穿力学模型，具体包括：

以盾构与既有隧道交叉点在地表上的投影点为坐标原点建立坐标系，盾构机垂直于xoz平面，沿着y轴负向掘进；L和R_s分别为盾构机的长度与刀盘半径，盾构机埋深为z₀；既有隧道位于xoz平面内且平行于x轴，埋深为z；刀盘附加推力q作用于开挖面，并考虑刀盘的挤土效应；盾壳摩擦力f沿盾壳分布，考虑土体的软化作用，并考虑浆液蔓延导致靠近盾尾部分摩擦力的折减作用，浆液蔓延范围为l；盾尾注浆压力p沿盾尾环向不均匀分布，并分区处理，注浆压力作用范围为盾尾后一环管片的宽度m；土体损失V_loss集中于盾尾处，并考虑注浆填充的影响。

4.根据权利要求1所述的一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，其特征在于，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算刀盘附加推力引起的既有隧道附加应力，具体包括：

所述刀盘附加推力

其中μ为泊松比；v为盾构掘进速度；Δp’为刀盘切入土体产生的挤压力；E_u为土体不排水弹性模量；w为刀盘转速；k为刀盘闭口部分幅数；D为刀盘直径；ξ为刀盘开口率；

建立积分坐标系x’y’z’，刀盘任意微元dA上作用集中力dF＝qrdrdθ，对饱和土体中既有隧道某一点(x,y,z)产生的竖向附加应力

其中

5.根据权利要求1所述的一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，其特征在于，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾壳摩擦力引起的既有隧道附加应力，具体包括：

所述盾壳摩擦力f＝β_sσ_θ tanδ′；其中σ_θ＝σ_v sin²θ+σ_h cos²θ；σ_v＝σ_轴-γR_s sinθ；σ_h＝K₀(σ_轴-γR_s sinθ)；σ_轴为盾构轴线处的竖向土压力；K₀为侧向静止土压力系数；γ为土体重度；δ’为盾构与周围土体的截面摩擦角；βs盾壳表面残余摩阻力与极限侧摩阻力的比值；

建立积分坐标系x’y’z’，盾壳表面任意微元dA上作用集中力dF＝fR_sdsdθ，盾壳摩擦力对饱和土体中既有隧道某一点(x,y,z)产生的竖向附加应力

其中

λ为考虑盾尾浆液蔓延对盾壳摩擦力折减的系数。

6.根据权利要求1所述的一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，其特征在于，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾尾注浆压力引起的既有隧道附加应力，具体包括：

所述盾尾注浆压力p_i＝p₀±AR_s(α-α₀)-ρgR_s(sinα-sinα₀)；其中p₀为注浆孔处实际注浆压力；α₀为注浆孔与x轴的夹角(弧度制)；

为牛顿流体系数；q为浆液流量；μ(t)为浆液粘度系数；r₀为盾尾间隙的一半；

建立积分坐标系x’y’z’，盾尾任意微元dA上作用集中力dF＝p_iR_sdsdθ，将其分解为竖直力dF_v＝p_iR_s sinθdsdθ和水平力dF_h＝p_iR_s cosθdsdθ，盾尾注浆压力对饱和土体中既有隧道某一点(x,y,z)产生的竖向附加应力

其中

7.根据权利要求1所述的一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，其特征在于，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算土体损失引起的既有隧道附加应力，具体包括：

所述土体损失

其中R′＝B/2；g＝G′_P+U_3D+ω；G′_P＝αG_P；G_p’为盾构与隧道之间的几何空隙；U_3D为盾构前部土体的三维弹塑性变形；ω为施工影响因素；α＝0.116(z₀/2R_s)-0.042为考虑注浆填充影响后的参数；土体损失引起既有隧道上某一点(x,y,z)的竖向附加应力

其中

K为地基模量；μ为土的泊松比；L为盾构机长度。

8.根据权利要求1所述的一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，其特征在于，基于既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量，将所述施工因素引起的既有隧道附加应力施加至既有隧道上，得到既有隧道变形；包括：

所述施工因素引起的既有隧道附加应力值σ_z＝σ_z-q+σ_z-f+σ_z-pv+σ_z-ph+σ_s；将隧道视为附加分布荷载作用下的Winkler弹性地基无限长梁，得到盾构下穿既有隧道变形的微分控制方程

式中EI为既有隧道等效抗弯刚度；W(x)为既有隧道竖向变形；k为地基基床系数，k＝K/B，B为既有隧道直径；q(x)为施工因素引起既有隧道上的附加荷载，q(x)＝Bσ_z(x)；求解微分方程，得到作用在既有隧道上一点ξ的集中荷载q(ξ)dξ引起既有隧道在x处竖向变形为

对上式积分，得到附加分布荷载作用下既有隧道竖向变形计算式

对该式进行积分计算得到既有隧道变形。

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