CN112989647A - 富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，包括以下步骤，对富水地层基坑降水开挖过程及邻近已建隧道的力学行为作出必要的合理化假设和简化；了解工程背景及水文地质条件，确定所需的参数的量值；计算富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的竖向有效应力增量；竖向应力和水平应力，总水平应力和总竖向应力；建立邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力和总竖向应力作用下的力学平衡微分方程；求解邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力作用下的附加水平位移轴向分布函数总竖向应力作用下的附加竖向位移轴向分布函数；求解邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总应力作用下的附加内力轴向分布函数。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，特别是涉及一种富水地层基坑降水开挖过程中可能会诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法。
背景技术
随着城市地下空间开发与利用的深入推进，紧邻已建地铁隧道的基坑工程越来越多。据统计，杭州地区邻近已建地铁隧道的基坑工程的数量已超过100，基坑开挖会不可避免地对地层造成扰动，从而改变地层中的初始应力场和位移场，若基坑工程的围护结构或施工方法不合理，可能会导致邻近已建隧道发生不均匀隆沉或管片接缝张开等，严重时甚至会影响隧道结构的营运安全和长期服役性能。例如，宁波地铁1号线某盾构区间受邻近基坑开挖影响产生累计沉降39mm，水平位移50mm，结构呈“横鸭蛋”式变形且整体向基坑方向偏移，隧道管片出现大面积破损和多处纵向贯通裂缝。因此，为保护邻近基坑的已建隧道和优化基坑围护结构形式及施工方案，需要在设计阶段预测基坑开挖对已建隧道力学响应的影响效应。
针对该问题，国内外研究者和工程师基于现场实测、理论分析、数值模拟和模型试验等手段开展了大量的研究，取得了一定的进展，例如中国专利文献CN110188413A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，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。又如中国发明文献CN111428304A公开了一种基坑开挖下带有抗浮锚杆盾构隧道的位移变形预测方法，明确基坑与下卧盾构隧道之间的相对位置关系及相关参数，合理建立坐标系统，由此构建计算分析模型；而后考虑盾构隧道发生纵向变形时既受弯又抗剪以及基坑土体开挖后地基参数沿隧道纵向的变化(开挖扰动效应)，将盾构隧道等效为Vlasov地基模型中的Timoshenko梁，作用于隧道处的基坑开挖卸荷作用采用Mindlin解计算，由此建立相应的力学模型，得到隧道在基坑开挖卸荷作用下的挠曲线微分方程；最后采用有限差分法计算基坑开挖引起的下卧既有盾构隧道隆起变形，该预测方法具有考虑了抗浮锚杆作用管片数、盾构隧道变形情况与真实情况接近、精确度高的特点；例如中国发明专利CN106339554B公开了一种基坑开挖引起邻近既有地铁隧道位移的计算方法，该计算方法对工程具有预测、指导作用，为今后有关基坑开挖对邻近隧道影响方面的研究提供了理论基础。中国发明专利文献CN110727985A公开了一种邻近基坑工程的既有地铁隧道竖向变形的预测方法，该预测方法基于实测数据，更符合工程需要，更适用于类似工程的方案优化和结果验证。
然而，以上研究成果大多数均没有考虑基坑降水对邻近已建隧道力学响应的影响效应，因此不适用于预测富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道的力学响应，即使考虑了降水效应，计算过程也过于复杂，其实用性和精度还有待进一步验证和讨论。众所周知，基坑降水会增大地层中的有效应力，从而对邻近隧道产生附加应力和附加变形，因此有必要在预测基坑开挖对邻近已建隧道力学响应影响效应的过程中考虑基坑降水效应。
发明内容
本发明的目的是提供一种富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，通过引入Dupuit–Forchheimer模型考虑了富水地层基坑降水对邻近已建隧道力学响应的影响效应，简化估算方法理论依据合理可方便地应用于相关工程初步设计中富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的预测。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，所述方法包括以下步骤，
(1)对富水地层基坑降水开挖过程及邻近已建隧道的相应力学行为作出合理化假设和简化；这里主要考虑富水地层的特性以及邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖过程中可能产生的相应的力学行为。
(2)了解富水地层基坑降水开挖施工地的工程背景及当地的水文地质条件，根据工程背景和水文地质条件搜集并确定简化估算方法所需的参数的量值；
(3)计算富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道轴线位置处的竖向有效应力增量
(4)计算富水地层基坑开挖诱发邻近已建隧道轴线位置处的竖向应力
和水平应力
(5)计算富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道轴线位置处的总水平应力Δσh(x)和总竖向应力Δσv(x)；
(6)建立邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力和总竖向应力作用下的力学平衡微分方程；
(7)求解邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力作用下的附加水平位移轴向分布函数wh(x)和邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总竖向应力作用下的附加竖向位移轴向分布函数wv(x)；
(8)求解邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总应力作用下的附加内力轴向分布函数。
进一步地，步骤(1)中，所述合理化假设和简化包括以下方面：
1)假设富水地层基坑降水浸润线服从Dupuit–Forchheimer模型；
2)假设富水地层为弹性、均质、各向同性的半无限空间体，即符合明氏应力解假设；
3)不考虑富水地层基坑降水开挖的空间和时间效应；
4)不考虑邻近已建隧道的存在对富水地层基坑开挖的卸荷效应影响；
5)假设邻近已建隧道与邻近已建隧道周围土体之间的相互作用服从文克尔线弹性地基模型。
进一步地，步骤(2)中所需的参数包括邻近已建隧道的抗弯刚度折减系数η、邻近已建隧道抗弯刚度EI、邻近已建隧道的直径D、地基土水平基床系数kh、地基土竖向基床系数kv、第i层土的重度γsi、第i层土的厚度Hi、第i层土的泊松比νi、富水地层基坑开挖深度范围内的土层层数n、应力释放因子ζ、第i层土的静止土压力系数K0i、富水地层基坑降水井半径r、富水地层基坑降水漏斗半径R、坑外地层中初始地下水位至不透水层的竖向距离H、富水地层基坑降水井内水位至不透水层的竖向距离hDW、地层渗透系数Ksoil、给水度μ、地下水重度γw；
进一步地，步骤(3)的具体计算步骤为：
(3.1)基于Dupuit–Forchheimer模型，计算富水地层基坑降水稳定后的基坑外地层中地下水位线YDWT(x)为：
(3.2)基于库萨金经验公式，计算富水地层基坑降水漏斗半径R为：
(3.3)基于有效应力原理，计算富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道轴线位置处的竖向有效应力增量
为：
其中，x是计算点至富水地层基坑降水井边缘的水平距离；
r是富水地层基坑降水井半径；
H是富水地层基坑外地层中初始地下水位至不透水层的竖向距离；
hDW是富水地层基坑降水井内水位至不透水层的竖向距离；
Ksoil是富水地层渗透系数；
μ是给水度；
γw是地下水重度。
进一步地，步骤(4)具体包括以下步骤：
(4.1)将明氏应力解中的竖向应力分量在富水地层基坑底部和富水地层基坑侧面范围内进行积分，计算富水地层基坑开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的竖向应力
为：
(4.2)将明氏应力解中的水平应力分量在富水地层基坑底部和富水地层基坑侧面范围内进行积分，计算富水地层基坑开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的水平应力
为：
其中，n是富水地层基坑开挖深度范围内的土层层数；
i是富水地层基坑开挖深度范围内的土层层数的序号；
γsi是第i层土的重度；
Hi是第i层土的厚度；
Db是富水地层基坑底部对应的积分区域；
dsb是富水地层基坑底部对应的面积元素；
ζ是应力释放因子；
K0i是第i层土的静止土压力系数；
Ds1是平行于邻近已建隧道轴线的富水地层基坑侧面对应的积分区域；
dss1是平行于邻近已建隧道轴线的富水地层基坑侧面对应的面积元素；
Ds2是垂直于邻近已建隧道轴线的富水地层基坑侧面对应的积分区域；
dss2是垂直于邻近已建隧道轴线的富水地层基坑侧面对应的面积元素；
进一步地，步骤(5)中，因为富水地层基坑降水对地层中的水平应力的影响很小，可以忽略不计，富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的Δσh(x)为：
富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的总竖向应力Δσv(x)为：
进一步地，步骤(6)中，根据文克尔弹性地基梁理论及材料力学相关知识，建立邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力作用下的力学平衡微分方程为：
建立邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总竖向应力作用下的力学平衡微分方程：
其中，wh(x)是邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力作用下的附加水平位移轴向分布函数；
D是邻近已建隧道的直径；
η是邻近已建隧道的抗弯刚度折减系数；
EI是邻近已建隧道抗弯刚度；
kh是地基土水平基床系数；
kv是地基土竖向基床系数。
进一步地，步骤(7)根据微分方程相关知识及邻近已建隧道的荷载与位移边界条件，求解步骤(6)中的微分方程，得到邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力作用下的附加水平位移轴向分布函数wh(x)的表达式：
得到邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总竖向应力作用下的附加竖向位移轴向分布函数wv(x)的表达式：
其中，D是邻近已建隧道的直径；
EI是邻近已建隧道抗弯刚度；
kh是地基土水平基床系数；
kv是地基土竖向基床系数；
ξ是邻近已建隧道轴线上的任意位置处；
Δσh(ξ)是富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线上ξ位置处的总水平应力；
Δσv(ξ)是富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线上ξ位置处的总竖向应力。
进一步地，步骤(8)中，根据受力特点，邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总应力作用下的轴向附加内力可分为竖向弯矩、竖向剪力、水平弯矩、水平剪力。
进一步地，根据文克尔弹性地基梁理论，
竖向弯矩的轴向分布函数的表达式：
竖向剪力的轴向分布函数的表达式：
水平弯矩的轴向分布函数的表达式：
水平剪力的轴向分布函数的表达式：
其中，η是邻近已建隧道的抗弯刚度折减系数；
EI是邻近已建隧道抗弯刚度。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过引入Dupuit–Forchheimer模型考虑了富水地层基坑降水对邻近已建隧道力学响应的影响效应，比现有的不考虑降水效应的预测方法的精度更高；
(2)本发明简化估算方法理论依据合理、计算过程简便、计算所需参数少、结果精度高，可方便地应用于相关工程初步设计中富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的预测；
(3)本发明基于文克尔弹性地基梁理论和明氏应力解，将富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的总水平应力和总竖向应力分开进行考虑，不仅给出了邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总竖向应力作用下的竖向弯矩和竖向剪力的轴向分布函数的表达式，而且给出了邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力作用下的水平弯矩和水平剪力的轴向分布函数的表达式，具有概念明确、计算简便、所需参数少且易于获得、方便工程应用的优点，在保护邻近富水地层基坑的已建隧道和优化富水地层基坑围护结构形式及施工方案等方面具有重要的应用前景。
附图说明
图1为富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法的流程图。
图2为富水地层基坑降水示意图。
图3为富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的示意图。
图4为邻近已建隧道与邻近已建隧道底部土体相互作用示意图。
图5为邻近已建隧道与邻近已建隧道侧面土体相互作用示意图。
图6为富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道的位移沿隧道轴向分布的对比图。
图7为富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道的弯矩沿隧道轴向分布的对比图。
图8为富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道的剪力沿隧道轴向分布的对比图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述，应当指出的是，实施例只是对发明的具体阐述，不应视为对发明的限定，实施例的目的是为了让本领域技术人员更好地理解和再现本发明的技术方案，本发明的保护范围仍应当以权利要求书所限定的范围为准。
如图1所示，本发明提供一种富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，所述方法包括以下步骤，
S1，对富水地层基坑降水开挖过程及邻近已建隧道的力学行为作出必要的合理化假设和简化；
所述合理化假设和简化包括以下方面：
1)假设富水地层基坑降水浸润线服从Dupuit–Forchheimer模型，如图2所示。
2)假设富水地层为弹性、均质、各向同性的半无限空间体，即富水地层符合明氏应力解假设，
3)不考虑富水地层基坑降水开挖的空间和时间效应；
4)不考虑邻近已建隧道的存在对富水地层基坑开挖的卸荷效应影响；也就是说，假设富水地层基坑的侧面分别垂直于隧道轴线或者平行于隧道轴线，富水地层基坑降水开挖的卸荷方向分别与富水地层基坑的上述侧面及底面垂直，不因邻近已建隧道的存在造成的卸荷效应而变化，如图3所示。
5)假设邻近已建隧道与邻近已建隧道周围土体之间的相互作用服从文克尔线弹性地基模型，如图4-5所示；
S2，了解富水地层基坑开挖的工程背景及施工地的水文地质条件，根据工程背景和水文地质条件搜集并确定简化估算方法所需的参数的量值；所需的参数包括邻近已建隧道的抗弯刚度折减系数η、邻近已建隧道抗弯刚度EI、邻近已建隧道的直径D、地基土水平基床系数kh、地基土竖向基床系数kv、第i层土的重度γsi、第i层土的厚度Hi、第i层土的泊松比νi、富水地层基坑开挖深度范围内的土层层数n、应力释放因子ζ、第i层土的静止土压力系数K0i、富水地层基坑降水井半径r、富水地层基坑降水漏斗半径R、坑外地层中初始地下水位至不透水层的竖向距离H、富水地层基坑降水井内水位至不透水层的竖向距离hDW、地层渗透系数Ksoil、给水度μ、地下水重度γw。
S3，计算富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的竖向有效应力增量
具体计算步骤为：
S3.1，基于Dupuit–Forchheimer模型，富水地层基坑降水稳定后的富水地层基坑外地层中地下水位线YDWT(x)的计算公式为：
S3.2，基于库萨金经验公式，富水地层基坑降水漏斗半径R的计算公式为：
S3.3，基于有效应力原理，富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的竖向有效应力增量
的计算公式为：
其中，x是计算点至富水地层基坑降水井边缘的水平距离。
S4，计算富水地层基坑开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的竖向应力
和水平应力
S4.1，将明氏应力解中的竖向应力分量在富水地层基坑底部和富水地层基坑侧面范围内进行积分，计算富水地层基坑开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的竖向应力
为：
S4.2，将明氏应力解中的水平应力分量在富水地层基坑底部和富水地层基坑侧面范围内进行积分，计算富水地层基坑开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的水平应力
为：
其中，n是富水地层基坑开挖深度范围内的土层层数；
i是富水地层基坑开挖深度范围内的土层层数的序号；
dsb是富水地层基坑底部对应的面积元素；
Ds1是平行于邻近已建隧道轴线的富水地层基坑侧面对应的积分区域；
dss1是平行于邻近已建隧道轴线的富水地层基坑侧面对应的面积元素；
Ds2是垂直于邻近已建隧道轴线的富水地层基坑侧面对应的积分区域；
dss2是垂直于邻近已建隧道轴线的富水地层基坑侧面对应的面积元素；
S5，计算富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的总水平应力Δσh(x)和总竖向应力Δσv(x)；
富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的总水平应力Δσh(x)为：
富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的总竖向应力Δσv(x)为：
S6，建立邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力和总竖向应力作用下的力学平衡微分方程；
根据文克尔弹性地基梁理论及材料力学相关知识，邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力作用下的力学平衡微分方程为：
邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总竖向应力作用下的力学平衡微分方程：
S7，求解邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力作用下的附加水平位移轴向分布函数wh(x)和邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总竖向应力作用下的附加竖向位移轴向分布函数wv(x)；
根据微分方程相关知识及邻近已建隧道的荷载与位移边界条件，求解步骤(6)中的微分方程，得到邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力作用下的附加水平位移轴向分布函数wh(x)的表达式：
得到邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总竖向应力作用下的附加竖向位移轴向分布函数wv(x)的表达式：
S8，求解邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总应力作用下的附加内力轴向分布函数。
根据受力特点，邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总应力作用下的轴向附加内力可分为竖向弯矩、竖向剪力、水平弯矩、水平剪力，根据文克尔弹性地基梁理论，
竖向弯矩的轴向分布函数的表达式：
竖向剪力的轴向分布函数的表达式：
水平弯矩的轴向分布函数的表达式：
水平剪力的轴向分布函数的表达式：
以某市轨道交通车站附近有一建筑富水地层基坑为例，该富水地层基坑的平面形状近似为矩形(44.6m×19.3m)，开挖深度为10.72m，富水地层基坑长边与邻近已建隧道的轴线近似平行，富水地层基坑与邻近已建隧道之间的水平净距约为9.58m，邻近已建隧道的埋深约为21m。富水地层基坑降水前的初始地下水位在地表以下2.5m处，场地土层自上而下分别为填土、粘土和中风化泥质砂岩，其层厚分别为4.92m、17.4m和22.3m；填土的重度为17.6kN/m3、弹性模量为38MPa、泊松比为0.29、黏聚力为12kPa、内摩擦角为10.5°、渗透系数为0.002m/d，粘土的重度为20.3kN/m3、弹性模量为32MPa、泊松比为0.3、黏聚力为17kPa、内摩擦角为24°、渗透系数为0.0005m/d，中风化泥质砂岩的重度为23kN/m3、弹性模量为81MPa、泊松比为0.25、黏聚力为36kPa、内摩擦角为38°、渗透系数为0.0001m/d。
基于本发明的一种富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，将上述参数代入到本发明的步骤中进行运算，得到本实施例中的邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总应力作用下的力学响应如图6至图8所示，图6至图8中也同时给出了采用有限元法得到的邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总应力作用下的力学响应曲线图；
通过对比可以发现，基于本发明的一种富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法得到的结果与有限元法得到的结果吻合度较好，验证了本发明的一种富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法的精确性，因此该简化估算方法可方便地应用于相关工程初步设计中富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的预测。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
Claims (10)
1.富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，
(1)对富水地层基坑降水开挖过程及邻近已建隧道的相应力学行为作出合理化假设和简化；
(2)搜集并确定简化估算方法所需的参数；
(3)计算富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道轴线位置处的竖向有效应力增量
(4)计算富水地层基坑开挖诱发邻近已建隧道轴线位置处的竖向应力
和水平应力
(5)计算富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道轴线位置处的总水平应力Δσh(x)和总竖向应力Δσv(x)；
(6)建立邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力和总竖向应力作用下的力学平衡微分方程；
(7)求解邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力作用下的附加水平位移轴向分布函数wh(x)和邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总竖向应力作用下的附加竖向位移轴向分布函数wv(x)；
(8)求解邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总应力作用下的附加内力轴向分布函数。
2.根据权利要求1所述的富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，其特征在于，步骤(1)中，所述合理化假设和简化包括以下方面：
1)假设富水地层基坑降水浸润线服从Dupuit–Forchheimer模型；
2)假设富水地层为弹性、均质、各向同性的半无限空间体；
3)不考虑富水地层基坑降水开挖的空间和时间效应；
4)不考虑邻近已建隧道的存在对富水地层基坑开挖的卸荷效应影响；
5)假设邻近已建隧道与邻近已建隧道周围土体之间的相互作用服从文克尔线弹性地基模型。
3.根据权利要求1所述的富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，其特征在于，步骤(2)所需的参数包括邻近已建隧道的抗弯刚度折减系数η、邻近已建隧道抗弯刚度EI、邻近已建隧道的直径D、地基土水平基床系数kh、地基土竖向基床系数kv、富水地层基坑开挖深度范围内的土层层数n、第i层土的重度γsi(i＝0，1，2，…，n)、第i层土的厚度Hi(i＝0，1，2，…，n)、第i层土的泊松比νi(i＝0，1，2，…，n)、应力释放因子ζ、第i层土的静止土压力系数K0i(i＝0，1，2，…，n)、富水地层基坑降水井半径r、富水地层基坑降水漏斗半径R、坑外地层中初始地下水位至不透水层的竖向距离H、富水地层基坑降水井内水位至不透水层的竖向距离hDW、地层渗透系数Ksoil、给水度μ和地下水重度γw。
4.根据权利要求1所述的富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，其特征在于，步骤(3)的具体计算步骤为：
(3.1)基于Dupuit–Forchheimer模型，计算富水地层基坑降水稳定后的基坑外地层中地下水位线YDWT(x)为：
(3.2)基于库萨金经验公式，计算富水地层基坑降水漏斗半径R为：
(3.3)基于有效应力原理，计算富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的竖向有效应力增量
为：
其中，x是计算点至基坑降水井边缘的水平距离；
r是富水地层基坑降水井半径；
H是富水地层基坑外地层中初始地下水位至不透水层的竖向距离；
hDW是富水地层基坑降水井内水位至不透水层的竖向距离；
Ksoil是富水地层渗透系数；
μ是给水度；
γw是地下水重度。
5.根据权利要求1所述的富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，其特征在于，步骤(4)具体包括以下步骤：
(4.1)将明氏应力解中的竖向应力分量在富水地层基坑底部和富水地层基坑侧面范围内进行积分，计算富水地层基坑开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的竖向应力
为：
(4.2)将明氏应力解中的水平应力分量在富水地层基坑底部和富水地层基坑侧面范围内进行积分，计算富水地层基坑开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的水平应力
为：
其中，n是富水地层基坑开挖深度范围内的土层层数；
i是富水地层基坑开挖深度范围内的土层自上而下的序号；
γsi是第i层土的重度；
Hi是第i层土的厚度；
Db是富水地层基坑底部对应的积分区域；
dsb是富水地层基坑底部对应的面积元素；
ζ是应力释放因子；
K0i是第i层土的静止土压力系数；
Ds1是平行于邻近已建隧道轴线的富水地层基坑侧面对应的积分区域；
dss1是平行于邻近已建隧道轴线的富水地层基坑侧面对应的面积元素；
Ds2是垂直于邻近已建隧道轴线的富水地层基坑侧面对应的积分区域；
dss2是垂直于邻近已建隧道轴线的富水地层基坑侧面对应的面积元素；
6.根据权利要求1所述的富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，其特征在于，步骤(5)中，富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道轴线位置处的总水平应力Δσh(x)为：
富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的总竖向应力Δσv(x)为：
7.根据权利要求1所述的富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，其特征在于，步骤(6)中，根据文克尔弹性地基梁理论，建立邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力作用下的力学平衡微分方程为：
建立邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总竖向应力作用下的力学平衡微分方程：
其中，D是邻近已建隧道的直径；
η是邻近已建隧道的抗弯刚度折减系数；
EI是邻近已建隧道抗弯刚度；
kh是地基土水平基床系数；
kv是地基土竖向基床系数。
8.根据权利要求1所述的富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，其特征在于，步骤(7)根据微分方程相关知识及邻近已建隧道的荷载与位移边界条件，求解步骤(6)中的微分方程，得到邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力作用下的附加水平位移轴向分布函数wh(x)的表达式：
得到邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总竖向应力作用下的附加竖向位移轴向分布函数wv(x)的表达式：
其中，D是邻近已建隧道的直径；
EI是邻近已建隧道抗弯刚度；
kh是地基土水平基床系数；
kv是地基土竖向基床系数；
ξ是邻近已建隧道轴线上的任意位置处；
Δσh(ξ)是富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线上ξ位置处的总水平应力；
Δσv(ξ)是富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线上ξ位置处的总竖向应力。
9.根据权利要求1所述的富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，其特征在于，步骤(8)中，根据受力特点，邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总应力作用下的轴向附加内力可分为竖向弯矩、竖向剪力、水平弯矩、水平剪力。
10.根据权利要求9所述的富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，其特征在于，根据文克尔弹性地基梁理论，
竖向弯矩的轴向分布函数的表达式：
竖向剪力的轴向分布函数的表达式：
水平弯矩的轴向分布函数的表达式：
水平剪力的轴向分布函数的表达式：
其中，η是邻近已建隧道的抗弯刚度折减系数；
EI是邻近已建隧道抗弯刚度。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116108543A (zh) * | 2023-03-15 | 2023-05-12 | 湖南大学 | 欠固结地层沉降引起的盾构隧道附加内力及变形确定方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5297233A (en) * | 1976-02-12 | 1977-08-15 | Taiho Kensetsu Kk | Excavation method of lateral pit by means of method of shield construction |
| CN105220718A (zh) * | 2015-10-26 | 2016-01-06 | 青岛理工大学 | 一种建筑施工对邻近既有隧道的影响预测定方法 |
| CN105696636A (zh) * | 2016-04-01 | 2016-06-22 | 浙江大学 | 可模拟基坑开挖过程中地下水位变化的基坑模型试验装置 |
| 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 |
| CN109299578A (zh) * | 2018-11-20 | 2019-02-01 | 中南大学 | 基坑开挖引起下卧既有盾构隧道隆起变形的计算方法 |
| CN111753363A (zh) * | 2020-07-03 | 2020-10-09 | 浙大城市学院 | 一种考虑基坑围护结构变形和空间效应的基坑旁侧盾构隧道围压变化计算方法 |
| CN112131628A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-12-25 | 北京工业大学 | 一种隧道穿越富水断层综合考虑其倾角及走向的防突水最小安全厚度计算方法 |
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5297233A (en) * | 1976-02-12 | 1977-08-15 | Taiho Kensetsu Kk | Excavation method of lateral pit by means of method of shield construction |
| CN105220718A (zh) * | 2015-10-26 | 2016-01-06 | 青岛理工大学 | 一种建筑施工对邻近既有隧道的影响预测定方法 |
| CN105696636A (zh) * | 2016-04-01 | 2016-06-22 | 浙江大学 | 可模拟基坑开挖过程中地下水位变化的基坑模型试验装置 |
| 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 |
| CN109299578A (zh) * | 2018-11-20 | 2019-02-01 | 中南大学 | 基坑开挖引起下卧既有盾构隧道隆起变形的计算方法 |
| CN111753363A (zh) * | 2020-07-03 | 2020-10-09 | 浙大城市学院 | 一种考虑基坑围护结构变形和空间效应的基坑旁侧盾构隧道围压变化计算方法 |
| CN112131628A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-12-25 | 北京工业大学 | 一种隧道穿越富水断层综合考虑其倾角及走向的防突水最小安全厚度计算方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| PANPAN GUO ET AL.: "Displacement and force analyses of braced structure of deep excavation considering unsymmetrical surcharge effect", 《COMPUTERS AND GEOTECHINICS》 * |
| 朱成伟等: "水下双线平行隧道渗流场解析研究", 《岩土工程学报》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116108543A (zh) * | 2023-03-15 | 2023-05-12 | 湖南大学 | 欠固结地层沉降引起的盾构隧道附加内力及变形确定方法 |
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