CN112836367A - 一种盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定法，包括如下步骤：划分盾构隧道施工引起的地层损失；包括盾前地层失、盾中地层损失和盾尾地层损失三部分；加权累积计算盾构隧道穿越合地层时引起的盾前地层损失率：考虑盾壳与管片之间存在必要的建筑隙情况下，计算盾构隧道穿越复合地层时引起的盾尾地层损失；计算盾隧道穿越复合地层时引起的总地层损失率；本发明可快速获取盾构法施隧道穿越复合地层引起的地层损失率，方法简便且适用性较强；考虑多因素获取盾构法施工隧道穿越复合地层引起的地层损失率，提高了地表降的预测准确度。

Description

一种盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法

技术领域

本发明的实施例属于岩土工程领域，更具体地，涉及一种盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法。

背景技术

由于工程地质条件与水文地质条件复杂，在隧道合适埋深上很难存在均匀的土层或岩层，隧道需要穿越不同岩土介质组成的复合地层。与均一地层不同，将开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊，定义为复合地层。复合地层的组合方式复杂多样，但总的来说可分为三大类：一类是在断面垂直方向上不同地层的组合；一类是在水平方向上地层的不同组合；另一类是上述两者兼而有之。在隧道开挖垂直断面内，典型复合地层可表征为上软下硬和上硬下软两种情形。

与均一地层相比，在复合地层中进行隧道施工的难度更大，需要根据不同的复合地层组成形式，及时调整施工工艺和施工参数，针对某些特殊的复合地层，有时甚至可能需要采用一些辅助工法或者特殊施工工艺。复合地层给隧道施工与周边环境带来了复杂性、特殊性以及不确定性影响，因此，在预测复合地层隧道施工过程中引起的地表沉降时，应用基于均一地层建立的地表沉降经验预测公式也就具有明显的局限性和不适用性。

预测由于隧道施工引起地表沉降的经验方法，是建立在大量现场实测数据分析的基础上而发展起来的。在应用过程中，需要确定地层损失率这一重要参数，然而这个参数的选取一般是基于对隧道穿越均一地层的认识和理解，当面对隧道穿越不同组合形式的复合地层时，目前的计算方法就无法直接使用。因此，探讨盾构法施工隧道穿越不同组合形式的复合地层，计算和确定相应的地层损失率，对地表沉降的预测尤为重要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明目的在于提供一种盾构法施工隧道穿越复合地层引起的地层损失率确定方法。

为了实现上述目的，本发明涉及一种盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：划分盾构隧道施工引起的地层损失；包括盾前地层损失、盾中地层损失和盾尾地层损失三部分；

步骤2：计算盾构隧道穿越复合地层时引起的盾前地层损失率：分别计算处于单一地层的盾前地层损失率，然后加权累积计算总的开挖面盾构隧道穿越复合地层时引起的盾前地层损失率；

步骤3：采用地层厚度加权得到等效地层位移的方法综合计算盾构隧道穿越复合地层时引起的盾中地层损失；

步骤4：考虑盾壳与管片之间存在必要的建筑空隙情况下，计算盾构隧道穿越复合地层时引起的盾尾地层损失；

步骤5：计算盾构隧道穿越复合地层时引起的总地层损失率。

2.根据权利要求1所述的盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法，其特征在于:所述步骤2包括如下步骤：

(2.1)开挖面应力状态的释放导致土体产生三维弹塑性变形，并侵入隧道，最终被开挖掉的这部分体积称作盾前地层损失，盾前地层损失V_f的计算表达式如公式1所示：

式中，R为隧道半径，

为等效间隙；

(2.2)隧道穿越单一地层时，按照公式2～7确定相关系数带入公式1求取盾前地层损失；

式中：k为一个根据开挖面前方地质条件的不同而选取的无量纲系数，0＜k≤1，k＝1表示开挖面土体在隧道轴向的位移均相等；δ_y为开挖面处无量纲的沿隧道轴向位移；R为隧道半径；P₀为开挖面上所释放的应力；E为弹性模量；Ω为无量纲的开挖面土体位移系数；

式中，q_u为无侧限抗压强度；N为标贯试验贯入300mm所需锤击数；

Ω的取值根据稳定系数N_R来确定：

式中：P_i为开挖面支护力；H为隧道中心线处埋深；γ为土体加权平均重度；c_u为不排水抗剪模量；

根据太沙基筒仓理论，开挖面上所释放的应力P₀可表示为：

P₀＝k₀P_V+P_w-P_i (7)

式中，k₀为水平土压力系数；P_V为隧道中心处有效土压力；P_w为水压力；

(2.3)引入地层复合比，对复合地层的这种性质进行定量化描述，如公式8所示；

地层复合比是指隧道断面内不同地层厚度的相对比例即公式8所示，同理，按照此方法可扩展到多种地层组合形式；

式中：λ_n-地层复合比；h_n-隧道截面范围内穿越不同地层的厚度；D-隧道直径；

(2.4)计算复合地层盾构隧道施工引起的地层损失率；先按照单一地层考虑，采用公式1～7，分别计算处于单一地层的隧道开挖面地层损失率，然后加权累积计算总的开挖面地层损失率，其中权重即通过公式8确定；

复合地层盾构隧道开挖引起的隧道顶部等效间隙

的按公式9计算：

式中下标n代表第n层地层的相应参数；

最后将公式9带入公式1中即可求得盾构隧道穿越复合地层时引起的盾前地层损失率，即为公式10

进一步的，所述步骤2.2中K的取值具体为：

在盾构机刀盘的限制下，涌入隧道内土体的轴向位移会呈现出中间大、四周小的形态，因此k值可以根据开挖面前方地质条件的不同，选取相应的计算表达式进行计算，即公式4；

进一步的，所述步骤3具体为：

(3.1)为减少盾壳与周围岩土体之间的摩擦，盾构刀盘的外径会稍大于盾构机外壳的直径，而且部分盾构机的外壳呈锥形，前端直径要略大于盾尾直径，盾中地层损失表达式如公式11所示：

当U_i＞t_t+t_b时，g_s＝0.5(t_t+t_b)

当U_i＜t_t+t_b时，g_s＝0.5U_i

其中，U_i为地层位移，g_s为等效间隙，t_t表示盾构机前后外径差，t_b表示刀盘超挖部分；

其中U_i为地层位移，采用公式12进行计算：

式中：R为隧道半径，ν为泊松比；E为弹性模量γ为土体加权平均重度；P_i为开挖面支护力；H为隧道中心线处埋深；

结合公式11和12即可得到盾构穿越均一地层时引起的盾中地层损失；

(3.2)计算复合地层盾构隧道施工引起的盾中地层损失；采用地层厚度加权得到等效地层位移的方法来综合考虑各地层的影响；计算过程中需要分别对弹性模量E和泊松比ν进行加权平均，计算公式如下：

式中h₁，h₂，h_n表示隧道穿越地层的厚度，下标n表示隧道穿越的第n层，

和

为加权之后的地层参数；因此，将公式13和14带入公式12中即可得到盾构穿越复合地层时地层位移的计算公式：

最后将公式15代入公式11中，即可得到盾构穿越复合地层时引起的盾中地层损失率。

进一步的，所述步骤4计算盾构隧道穿越复合地层时引起的盾尾地层损失的过程为：壳本身具有一定的厚度，而且盾壳与管片之间存在必要的建筑空隙，随着施工的进行，在盾尾处这两部分空隙会被同步注浆的浆液所填充；因此取W％的空隙厚度作为等效间隙；盾构机机型一旦选定，盾壳的厚度t和盾尾处的建筑空隙δ都已知，造成盾尾地层损失取决于注浆的施工工艺以及浆液本身的性质，受周围地层性质的影响较小，因此盾尾地层损失不再区分隧道穿越均一地层和复合地层的情形，盾尾地层损失的计算公式如公式16-17所示：

g_t＝W％(t+δ) (16)

式中：V_t为盾尾地层损失，g_t为等效间隙，t为盾壳的厚度和δ为盾尾处的建筑空隙，R为隧道半径。

进一步的，所述参数W的取值范围为8～12。

进一步的，所述步骤5计算盾构隧道穿越复合地层时引起的总地层损失率的方法为：盾构隧道引起的总地层损失率η；基于权利要求1所述计算盾构隧道穿越复合地层时引起的总地层损失率为公式18所示：

η＝V_f+V_s+V_t (18)。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法，可快速获取盾构法施工隧道穿越复合地层引起的地层损失率，方法简便且适用性较强，便于实施。

(2)本发明的盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法，考虑多种因素获取盾构法施工隧道穿越复合地层引起的地层损失率，提高了地表沉降的预测准确度。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的盾构隧道穿越地层引起的地层损失类型示意图(图中向左水平箭头为盾构机掘进方向)；

图2为本发明较佳实施例的复合地层示意图；

图3为本发明较佳实施例的盾构机外形示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-盾构机，2-管片，3-隧道，4-盾构机(锥形)，h1-软弱底层，h2-坚硬底层，δ-建筑间隙，S1-盾前地层损失，S2-盾中地层损失，S3-盾尾地层损失；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

步骤1：盾构法隧道施工引起的地层损失按照施工顺序可分为开挖面地层损失V_f、盾中地层损失和盾尾地层损失三部分，如图1所示。

步骤2：开挖面(盾前)地层损失V_f的计算。由于开挖面应力状态的释放导致土体产生三维弹塑性变形，并侵入隧道，最终被开挖掉的这部分体积称作开挖面地层损失，可以表示为：

式中，R为隧道半径。

其中等效间隙

和δ_y的计算公式分别如公式2和3所示。

式中：k为一个无量纲系数，0＜k≤1，k＝1表示开挖面土体在隧道轴向的位移均相等；δ_y为开挖面处无量纲的沿隧道轴向位移；R为隧道半径；P₀为开挖面上所释放的应力；E为弹性模量；Ω为无量纲的开挖面土体位移系数。

由于在盾构机刀盘的限制下，涌入隧道内土体的轴向位移会呈现出中间大、四周小的形态，因此k值可以根据开挖面前方地质条件的不同，选取相应的计算表达式进行计算，即公式4。

式中，q_u为无侧限抗压强度；N为标贯试验贯入300mm所需锤击数。

Ω的取值可根据稳定系数N_R来确定：

式中：P_i为开挖面支护力；H为隧道中心线处埋深；γ为土体加权平均重度；c_u为不排水抗剪模量。

根据太沙基筒仓理论，开挖面上所释放的应力P₀可表示为：

P₀＝k₀P_V+P_w-P_i (7)

式中，k₀为水平土压力系数；P_V为隧道中心处有效土压力；P_w为水压力。

隧道穿越单一地层时，可按照公式2-7确定相关系数带入公式1即可求得盾前地层损失。复合地层中，隧道断面内一般分布有力学性质差异较大的软、硬两种地层，见图2所示。为了便于对复合地层的这种性质进行定量化描述，引入地层复合比的概念。地层复合比是指隧道断面内软、硬两种地层厚度的相对比例，以软弱地层厚度与隧道直径的比值表示，类似的，可以定义穿越不同多种地层时对应的地层复合比，即公式8所示。

式中：λ_n-地层复合比；h_n-隧道截面范围内穿越不同地层的厚度；D-隧道直径。

复合地层盾构隧道施工引起的地层损失率的估算方法，即先按照单一地层考虑，采用公式1-7，分别计算处于单一地层的隧道开挖面地层损失率，然后加权累积计算总的开挖面地层损失率，其中权重即通过公式8确定。

复合地层盾构隧道开挖引起的隧道顶部等效间隙

的按公式9计算：

式中下标n代表第n层地层的相应参数。

最后将公式9带入公式1中即可求得盾构隧道穿越复合地层时引起的盾前地层损失率，即为公式10

步骤3：盾中地层损失V_s的计算。为了减少盾壳与周围岩土体之间的摩擦，盾构刀盘的外径会稍大于盾构机外壳的直径，而且部分盾构机的外壳呈锥形，前端直径要略大于盾尾直径，图3为盾构机外形示意图。图中t_t表示盾构机前后外径差，t_b表示刀盘超挖部分，δ为管片与盾壳之间预留的建筑空隙。盾中地层损失V_s的计算表达式为：

当U_i＞t_t+t_b时，g_s＝0.5(t_t+t_b)

当U_i＜t_t+t_b时，g_s＝0.5U_i

U_i为地层位移，采用公式12进行计算：

式中：ν为泊松比；E为弹性模量。

结合公式11和12即可得到盾构穿越均一地层时引起的盾中地层损失。在计算地层位移时，与盾构穿越均一地层不同，在穿越复合地层中因隧道周围地质条件的不同地层位移的分布会不均匀，因此，采用地层厚度加权得到等效地层位移的方法来综合考虑各地层的影响。计算过程中需要分别对弹性模量E和泊松比ν进行加权平均，计算公式如下：

式中h₁，h₂，h_n表示隧道穿越地层的厚度，下标n表示隧道穿越的第n层，

和

为加权之后的地层参数。因此，将公式13和14带入公式12中即可得到盾构穿越复合地层时地层位移的计算公式：

最后将公式15带入公式11中，即可得到盾构穿越复合地层时引起的盾中地层损失率。

步骤4：盾尾地层损失V_t的计算。盾壳本身具有一定的厚度t，而且盾壳与管片之间存在必要的建筑空隙δ，随着施工的进行，在盾尾处这两部分空隙会被同步注浆的浆液所填充。因此，出于安全考虑，取10％的空隙厚度作为等效间隙g_t；另一方面，盾构机机型一旦选定，盾壳的厚度t和盾尾处的建筑空隙δ都已知，造成盾尾地层损失主要取决于注浆的施工工艺以及浆液本身的性质，受周围地层性质的影响较小，因此盾尾地层损失不再区分隧道穿越均一地层和复合地层的情形，其计算公式如下所示：

g_t＝0.1(t+δ) (16)

步骤5：盾构隧道引起的总地层损失率η。结合步骤1-3中对盾前、盾中和盾尾地层损失的计算方法，最终可得到盾构穿越复合地层引起的地层损失率计算表达式：

η＝V_f+V_s+V_t (18)

通过上述方法即可确定软土小应变硬化模型力学参数，将其带入到数值模型中即可开展软土地区地下工程数值模拟分析。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：划分盾构隧道施工引起的地层损失；包括盾前地层损失、盾中地层损失和盾尾地层损失三部分；

步骤2：计算盾构隧道穿越复合地层时引起的盾前地层损失率：分别计算处于单一地层的盾前地层损失率，然后加权累积计算总的开挖面盾构隧道穿越复合地层时引起的盾前地层损失率；

步骤3：采用地层厚度加权得到等效地层位移的方法综合计算盾构隧道穿越复合地层时引起的盾中地层损失；

步骤4：考虑盾壳与管片之间存在必要的建筑空隙情况下，计算盾构隧道穿越复合地层时引起的盾尾地层损失；

步骤5：计算盾构隧道穿越复合地层时引起的总地层损失率。

2.根据权利要求1所述的盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法，其特征在于:所述步骤2包括如下步骤：

(2.1)开挖面应力状态的释放导致土体产生三维弹塑性变形，并侵入隧道，最终被开挖掉的这部分体积称作盾前地层损失，盾前地层损失V_f的计算表达式如公式1所示：

式中，R为隧道半径，

为等效间隙；

(2.2)隧道穿越单一地层时，按照公式2～7确定相关系数带入公式1求取盾前地层损失；

式中：k为一个根据开挖面前方地质条件的不同而选取的无量纲系数，0＜k≤1，k＝1表示开挖面土体在隧道轴向的位移均相等；δ_y为开挖面处无量纲的沿隧道轴向位移；R为隧道半径；P₀为开挖面上所释放的应力；E为弹性模量；Ω为无量纲的开挖面土体位移系数；

式中，q_u为无侧限抗压强度；N为标贯试验贯入300mm所需锤击数；

Ω的取值根据稳定系数N_R来确定：

式中：P_i为开挖面支护力；H为隧道中心线处埋深；γ为土体加权平均重度；c_u为不排水抗剪模量；

根据太沙基筒仓理论，开挖面上所释放的应力P₀可表示为：

P₀＝k₀P_V+P_w-P_i (7)

式中，k₀为水平土压力系数；P_V为隧道中心处有效土压力；P_w为水压力；

(2.3)引入地层复合比，对复合地层的这种性质进行定量化描述，如公式8所示；

地层复合比是指隧道断面内不同地层厚度的相对比例即公式8所示，同理，按照此方法可扩展到多种地层组合形式；

式中：λ_n-地层复合比；h_n-隧道截面范围内穿越不同地层的厚度；D-隧道直径；

(2.4)计算复合地层盾构隧道施工引起的地层损失率；先按照单一地层考虑，采用公式1～7，分别计算处于单一地层的隧道开挖面地层损失率，然后加权累积计算总的开挖面地层损失率，其中权重即通过公式8确定；

复合地层盾构隧道开挖引起的隧道顶部等效间隙

的按公式9计算：

式中下标n代表第n层地层的相应参数；

最后将公式9带入公式1中即可求得盾构隧道穿越复合地层时引起的盾前地层损失率，即为公式10

3.根据权利要求2所述的盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法，其特征在于,所述步骤2.2中K的取值具体为：

在盾构机刀盘的限制下，涌入隧道内土体的轴向位移会呈现出中间大、四周小的形态，因此k值可以根据开挖面前方地质条件的不同，选取相应的计算表达式进行计算，即公式4；

4.根据权利要求1所述的盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法，其特征在于,所述步骤3具体为：

(3.1)为减少盾壳与周围岩土体之间的摩擦，盾构刀盘的外径会稍大于盾构机外壳的直径，而且部分盾构机的外壳呈锥形，前端直径要略大于盾尾直径，盾中地层损失表达式如公式11所示：

当U_i＞t_t+t_b时，g_s＝0.5(t_t+t_b)

当U_i＜t_t+t_b时，g_s＝0.5U_i

其中，U_i为地层位移，g_s为等效间隙，t_t表示盾构机前后外径差，t_b表示刀盘超挖部分；

其中U_i为地层位移，采用公式12进行计算：

式中：R为隧道半径，ν为泊松比；E为弹性模量γ为土体加权平均重度；P_i为开挖面支护力；H为隧道中心线处埋深；

结合公式11和12即可得到盾构穿越均一地层时引起的盾中地层损失；

(3.2)计算复合地层盾构隧道施工引起的盾中地层损失；采用地层厚度加权得到等效地层位移的方法来综合考虑各地层的影响；计算过程中需要分别对弹性模量E和泊松比ν进行加权平均，计算公式如下：

式中h₁，h₂，h_n表示隧道穿越地层的厚度，下标n表示隧道穿越的第n层，

和

为加权之后的地层参数；因此，将公式13和14带入公式12中即可得到盾构穿越复合地层时地层位移的计算公式：

最后将公式15代入公式11中，即可得到盾构穿越复合地层时引起的盾中地层损失率。

5.根据权利要求1所述的盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法，其特征在于，所述步骤4计算盾构隧道穿越复合地层时引起的盾尾地层损失的过程为：壳本身具有一定的厚度，而且盾壳与管片之间存在必要的建筑空隙，随着施工的进行，在盾尾处这两部分空隙会被同步注浆的浆液所填充；因此取W％的空隙厚度作为等效间隙；盾构机机型一旦选定，盾壳的厚度t和盾尾处的建筑空隙δ都已知，造成盾尾地层损失取决于注浆的施工工艺以及浆液本身的性质，受周围地层性质的影响较小，因此盾尾地层损失不再区分隧道穿越均一地层和复合地层的情形，盾尾地层损失的计算公式如公式16-17所示：

g_t＝W％(t+δ) (16)

式中：V_t为盾尾地层损失，g_t为等效间隙，t为盾壳的厚度和δ为盾尾处的建筑空隙，R为隧道半径。

6.根据权利要求5所述的盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法，其特征在于，所述W的取值范围为8～12。

7.根据权利要求1所述的盾构法施工隧道穿越复合地层的地层损失率确定方法，其特征在于，所述步骤5计算盾构隧道穿越复合地层时引起的总地层损失率的方法为：盾构隧道引起的总地层损失率η；基于权利要求1所述计算盾构隧道穿越复合地层时引起的总地层损失率为公式18所示：

η＝V_f+V_s+V_t (18)。

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