一種確定地面出入式盾構施工盾構機土倉控制壓力的方法
2023-05-20 12:09:51 5
一種確定地面出入式盾構施工盾構機土倉控制壓力的方法
【專利摘要】本發明提供一種確定地面出入式盾構隧道施工盾構機土倉控制壓力合理範圍的方法，採用試驗測試—數值模擬計算—理論判斷相結合的方法；對現場隧道施工土體取樣並進行性能測試，依據試驗數據和隧道具體實際情況，建立與符合現場施工條件的地面出入式盾構隧道施工分析模型並進行計算，通過確定隧道施工段開挖地層側向土壓力、土倉中心平衡壓力和土倉前方土體主應力，並結合土體摩爾-庫倫破壞準則判別土倉前方的土體單元的破壞情況，最終確定地面出入式盾構隧道施工盾構機土倉控制壓力的合理範圍。本方法可在隧道施工推進的同時，根據不同施工條件和狀態，進行實時分析確定出土倉壓力的合理範圍，具有適用廣、可靠性高、應用方便的特點。
【專利說明】一種確定地面出入式盾構施工盾構機土倉控制壓力的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬盾構隧道工程施工領域，涉及一種確定地面出入式盾構施工盾構機土倉控制壓力的方法，可以適用於設定地面出入式這一特殊盾構隧道施工的盾構機土倉控制壓力範圍。
【背景技術】
[0002]隨著城市地面空間用地的緊張，城市基礎設施建設和城市空間布局向地下調整已是城市發展的必然趨勢。盾構法隧道由於對周圍環境影響較小、適應軟弱地質條件、施工速度快等優點，在地下工程建設中得到廣泛應用。
[0003]地面出入式盾構隧道施工法是一種無需工作井，盾構機從地表直接始發掘進，最後盾構機可在設定目標地點直接掘進到地表的施工方法；地面出入式盾構隧道施工法比普通土壓盾構隧道施工法具有工期短、造價低、佔地面積小等特點；是一種具有良好的社會經濟效益新型盾構隧道施工方法，有著廣闊的應用空間。
[0004]盾構機土倉控制壓力是地面出入式盾構施工工藝中最重要的工藝參數，是控制地面出入式盾構隧道施工對周圍環境影響的最主要控制目標之一。於其他土壓盾構相比，地面出入式盾構施工要經歷從正常覆土到淺覆土再到超淺覆土最終到負覆土這一過程，因此地面出入式盾構對盾構機土倉控制壓力的合理選取更為嚴格，對施工的順利實施更為重要。
[0005]目前普通土壓盾構土倉壓力的確定方法主要是採用經驗公式進行簡單計算。地面出入式盾構隧道施工中，覆土厚度和地層狀況發生較大變化，經驗公式很難對整個過程進行有效的設定；同時，影響地面出入式盾構施工盾構機土倉控制壓力設定的其他因素繁多，包括:地下水位、地下構築物的分布、盾構的直徑和形狀等等。因此，一種適合地面出入式盾構隧道施工特點，並能夠結合不同地質條件、周圍環境和施工條件，確定盾構機土倉控制壓力合理範圍的方法是極其迫切和十分必要的。
【發明內容】
[0006]為了達到滿足適合地面出入式盾構隧道施工特點的目的，本發明採用試驗測試一數值模擬計算一理論判斷相結合的方法，提供了一種確定地面出入式盾構隧道施工盾構機土倉控制壓力的設定方式。
[0007]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:
一種確定地面出入式盾構隧道施工盾構機土倉控制壓力合理範圍的方法，採用試驗測試一數值模擬計算一理論判斷相結合的方法；具體實施步驟如下:
(I)進行現場隧道施工土體性能測試試驗；具體步驟如下:
1)根據現場地質情況，對各層土體選取相應的取土方案；每層土體取3-4塊試塊；在取土時,應避免對土體的擾動；
2)將試塊放置於剪切盒中，剪切盒與試塊間隙應用膨脹水泥砂漿填充；3)施加垂直壓力，進行試塊土體壓縮，壓力按等量分成3至4級逐漸增大，直至試塊土體垂直變形穩定；
4)施加剪力,進行試塊土體剪切,剪力每隔Imin等量加載一次並記錄相應的剪切力及剪切變形量；當試塊土體剪切變形急劇增加或者剪切變形達到試樣尺寸的1/10時，認為土體破壞；
5)繪製抗剪強度與垂直壓力的關係曲線，確定相應各土層土體的內摩擦角-以及粘聚力e值；
(2)建立地面出入式盾構隧道施工數值計算模型，進行地面出入式盾構隧道施工數值模擬；其具體步驟如下:
1)根據地面出入式盾構隧道施工實際地質條件和周圍環境，建立隧道施工非線性有限元模擬模型；
2)土體採用彈塑性本構關係，設置自由面、對稱面和法向位移約束等邊界條件，採用有限元方法進行數值模擬。
[0008](3)施加地面出入式盾構隧道施工段土體自重及地面超載作用力進行非線性有限元數值模擬計算，得到隧道施工初始地應力場，從而確定地面出入式盾構隧道施工段開挖斷面地層原始側向土壓 力；
(4)將地面出入式盾構隧道開挖斷面原始地層側向土壓力設置為土倉壓力，作為力邊界條件施加並進行非線性有限元數值模擬計算；以土倉中心點位移作為判定指標，判別土倉中心是否達到力的平衡；通過進行數值試驗，如果土倉中心點位移為正，表示壓力過大；反之，表示壓力偏小；土倉中心位移絕對值最小，近似為零時，確定出土倉中心平衡壓力即土倉壓力；
(5)將所確定的土倉壓力，作為力邊界條件施加並進行非線性有限元數值模擬計算，得到土倉前方土體的應力狀態，確定土倉前方土體單元主應力；
(6)改變土倉壓力比，結合莫爾-庫侖強度理論，進行土倉前方土體單元破壞情況的判斷，確定地面出入式盾構隧道施工盾構機土倉控制壓力設定範圍。
[0009]在地面出入式盾構隧道施工過程中，通過控制土倉中心點壓力來保持土倉前方土體穩定，不被破壞。故定義壓力比Zf為:
M = PJPn
式中P1為土倉壓力設定值巧為土倉中心點初始壓力值。通過改變岸調整土倉壓力設
定值並進行非線性有限元數值模擬計算；
結合莫爾-庫侖強度理論，進行土倉前方土體單元破壞情況的判斷。土倉前方土體破
壞面上的抗剪強度/是該面上法向應力σ的函數:
Tj =C + ζΤΧ?β?ψ
式中e為土體的粘聚力，f?為土體的內摩擦角，其值由步驟(1)試驗中測定。若土體的莫爾圓與破壞包線相割，土倉前方土體處於破壞狀態。
[0010]不斷增大或減/」M調整土倉壓力設定值並進行計算，同時不斷進行土倉前方土體單元破壞情況的判斷，:用定盾構機土倉控制壓力的合理範圍。[0011]與現有技術相比，本發明具有如下突出的實質性特點和顯著地優點:
本發明採用試驗測試一數值模擬計算一理論判斷相結合的方法，根據地面出入式盾構隧道施工不同地質條件、周圍環境和施工特點，通過數值模擬計算，結合土體摩爾-庫倫破壞準，準確地確定出地面出入式盾構隧道施工盾構機土倉控制壓力的合理範圍。本方法擺脫了以往根據經驗公式確定土倉壓力，而導致施工風險較大的問題，以及理論方法不能連續分析的問題；同時，本方法可在隧道施工推進的同時，根據不同施工條件和狀態，進行實時分析確定出土倉壓力的合理範圍，具有適用廣、可靠性高、應用方便的特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1本發明方法的操作流程圖。
[0013]圖2本發明的地面出入式盾構隧道施工數值模擬模型圖。
[0014]圖3本發明土倉前方土體單元示意圖。
[0015]圖4本發明土倉前方土體失穩至劈裂破壞過程圖。
[0016]圖5本發明土倉前方土體失穩至坍塌破壞過程圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明:
如圖1所示，一種確定地面出入式盾構隧道施工盾構機土倉控制壓力合理範圍的方法，採用試驗測試一數值模擬計算一理論判斷相結合的方法；對現場隧道施工土體取樣並進行性能測試，依據試驗數據和隧道具體實際情況，建立與符合現場施工條件的地面出入式盾構隧道施工分析模型並進行計算，通過確定隧道施工段開挖地層側向土壓力、土倉中心平衡壓力和土倉前方土體主應力，並結合土體摩爾-庫倫破壞準則判別土倉前方的土體單元的破壞情況，最終確定地面出入式盾構隧道施工盾構機土倉控制壓力的合理範圍。
[0018]( I)進行現場隧道施工土體性能測試試驗。現場取樣進行土體原位直剪試驗，得到土體的內摩擦角P以及粘聚力e。具體步驟如下:
I)根據現場地質情況，對各層土體選取相應的取土方案。每層土體取3-4塊試塊。在取土時，應避免對土體的擾動。
[0019]2)將試塊放置於剪切盒中，剪切盒與試塊間隙應用膨脹水泥砂漿填充。
[0020]3)施加垂直壓力，進行試塊土體壓縮，壓力按等量分成3至4級逐漸增大，直至試塊土體垂直變形穩定。
[0021]4)施加剪力，進行試塊土體剪切，剪力每隔Imin等量加載一次並記錄相應的剪切力及剪切變形量。當試塊土體剪切變形急劇增加或者剪切變形達到試樣尺寸的1/10時，認為土體破壞。
[0022]5)繪製抗剪強度與垂直壓力的關係曲線，確定相應各土層土體的內摩擦角-以及粘聚力e值。
[0023](2)地面出入式盾構隧道施工數值模擬方法為有限元方法，其具體步驟如下:
I)根據隧道施工實際地質條件和周圍環境，建立隧道施工非線性有限元模擬模型。本例模型中隧道內尺寸:概500mm (內徑)；隧道外尺寸:脫200mm (外徑)；盾構機外徑尺寸D:Z6340mm ;管片厚度為350mm2)土體採用彈塑性本構關係，設置自由面、對稱面和法向位移約束等邊界條件，如圖2所示。
[0024](3)施加隧道施工段土體自重及地面超載作用力進行非線性有限元數值模擬計算，得到隧道施工初始地應力場，從而確定地面出入式盾構隧道施工段開挖斷面地層原始側向土壓力。
[0025](4)將地面出入式盾構隧道開挖斷面原始地層側向土壓力設置為土倉壓力，作為力邊界條件施加並進行非線性有限元數值模擬計算。以土倉中心點位移作為判定指標，判別土倉中心是否達到力的平衡。通過進行數值試驗，如果土倉中心點位移為正，表示壓力過大；反之，表示壓力偏小。土倉中心位移絕對值最小，近似為零時，確定出土倉中心平衡壓力。
[0026](5)將所確定的土倉壓力，作為力邊界條件施加並進行非線性有限元數值模擬計算，得到土倉前方土體的應力狀態，換算確定土倉前方土體單元主應力；如圖3所示。
[0027](6)在地面出入式盾構隧道施工過程中，通過控制土倉中心點壓力來保持土倉前方土體穩定，不被破壞。故定義壓力比為:
【權利要求】
1.一種確定地面出入式盾構施工盾構機土倉控制壓力的方法，採用試驗測試、數值模擬、理論判斷相結合的方法，其特徵在於，具體實施步驟如下: (I)進行現場隧道施工土體性能測試試驗； (2 )建立地面出入式盾構隧道施工數值計算模型，進行地面出入式盾構隧道施工數值模擬； (3 )施加地面出入式盾構隧道施工段土體自重及地面超載作用力，進行非線性有限元數值模擬計算，得到隧道施工初始地應力場，從而確定地面出入式盾構隧道施工段開挖斷面地層原始側向土壓力； (4)將地面出入式盾構隧道開挖斷面原始地層側向土壓力設置為土倉壓力，作為力邊界條件施加並進行非線性有限元數值模擬計算；以土倉中心點位移作為判定指標，判別土倉中心是否達到力的平衡；通過進行數值試驗，如果土倉中心點位移為正，表示壓力過大；反之，表示壓力偏小；土倉中心位移絕對值最小，近似為零時，確定出土倉中心平衡壓力即土倉壓力； (5)將所確定的土倉壓力，作為力邊界條件施加並進行非線性有限元數值模擬計算，得到土倉前方土體的應力狀態，確定土倉前方土體單元主應力； (6)改變土倉壓力比，結合莫爾-庫侖強度理論，進行土倉前方土體單元破壞情況的判斷，確定地面出入式盾構隧道施工盾構機土倉控制壓力設定範圍。
2.根據權利要求1所述的一種確定地面出入式盾構施工盾構機土倉控制壓力的方法，其特徵在於，所述步驟(1)進行現場隧道施工土體性能測試試驗的具體步驟為: 1)根據現場地質情況，對各層土體選取相應的取土方案；每層土體取3-4塊試塊；在取土時,應避免對土體的擾動 ； 2)將試塊放置於剪切盒中，剪切盒與試塊間隙應用膨脹水泥砂漿填充； 3)施加垂直壓力，進行試塊土體壓縮，壓力按等量分成3至4級逐漸增大，直至試塊土體垂直變形穩定； 4)施加剪力,進行試塊土體剪切,剪力每隔Imin等量加載一次並記錄相應的剪切力及剪切變形量；當試塊土體剪切變形急劇增加或者剪切變形達到試樣尺寸的1/10時，認為土體破壞； 5)繪製抗剪強度與垂直壓力的關係曲線，確定相應各土層土體的內摩擦角穸以及粘聚力c值。
3.根據權利要求1所述的一種確定地面出入式盾構施工盾構機土倉控制壓力的方法，其特徵在於，所述步驟(2)中的建立地面出入式盾構隧道施工數值計算模型，進行地面出入式盾構隧道施工數值模擬，其具體步驟如下: 1)根據地面出入式盾構隧道施工實際地質條件和周圍環境，建立隧道施工非線性有限元模擬模型； 2)土體採用彈塑性本構關係，設置自由面、對稱面和法向位移約束等邊界條件，採用有限元方法進行數值模擬。
4.根據權利要求1所述的一種確定地面出入式盾構施工盾構機土倉控制壓力的方法，其特徵在於，所述步驟(6)中的結合莫爾-庫侖強度理論，確定地面出入式盾構隧道施工盾構機土倉控制壓力設定範圍 ，其具體步驟如下:1)在地面出入式盾構隧道施工過程中，通過控制土倉中心點壓力來保持土倉前方土體穩定，不被破壞；故定義壓力比#為: 式中P為土倉壓力設定值；Ptt為土倉中心點初始壓力值；通過改變調整土倉 ?μ壓力設定值並進行非線性有限元數值模擬計算； 2)結合莫爾-庫侖強度理論，進行土倉前方土體單元破壞情況的判斷；土倉前方土體破壞面上的抗剪強度是該面上法向應力&的函數:Tf 二 f{p) =c + σΧ^?ψ 式中e為土體的粘聚力，φ為土體的內摩擦角，其值由步驟(1)試驗中測定；若土體的莫爾圓與破壞包線相割，土倉前方土體處於破壞狀態； 3)不斷增大或減小隻調整土倉壓力設定值並進行計算，同時不斷進行土倉前方土體單元破壞情況的判斷，最終確定 盾構機土倉控制壓力的合理範圍。
【文檔編號】E21D9/093GK103758527SQ201310290132
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年7月11日 優先權日:2013年7月11日
【發明者】馬永其, 吳惠明, 滕麗, 趙辛瑋, 陸幸, 周延凱 申請人:上海大學, 上海隧道工程股份有限公司