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申请/专利权人：中铁十五局集团有限公司

摘要：一种多土层盾构隧道开挖面楔形体安全系数的计算方法，在三维有限元模型盾构开挖面前方的失稳土体模块选取了多个特征点，考虑盾构隧道开挖面梯形支护压力因素，以有限元模型盾构开挖面楔形体特征点水平位移平均值为判定指标，确定支护临界压力以及梯形支护压力对楔形体安全的影响系数；通过单土层强度参数折减计算结果对盾构开挖面楔形体安全影响的对土层进行排序，对多土层参数进行耦合折减；计算单土层强度折减与多土层强度耦合折减条件下的土层安全系数差值，结合分配系数将差值按次序分配至多土层强度耦合折减安全系数上，获取楔形体稳定影响系数；由上述各影响系数和多地层强度折减耦合安全系数确定多地层盾构隧道开挖面楔形体安全系数。

主权项：1.一种多土层盾构隧道开挖面楔形体安全系数的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立包含开挖的隧道以及从隧道开挖位置直到地面的所有土层的三维有限元仿真模型，在仿真模型中选取位于隧道开挖面前方的失稳土体模块，失稳土体模块包括楔形体部分和柱形体部分，柱形体部分位于楔形体部分的上方并延伸至地面，楔形体部分具有一段斜面、一段与开挖面贴合的竖直对接面、以及一段与柱形体部分的底平面贴合的水平对接面，竖直对接面的形状为正方形，正方形的中心线交点与隧道开挖面的圆心重合，正方形的边长为，其中D为隧道开挖直径，竖直对接面的上侧边沿和下侧边沿均水平设置，竖直对接面的上侧边沿与水平对接面靠近隧道开挖面一侧的边沿连接，竖直对接面的下侧边沿与斜面的下侧边沿连接，斜面与水平方向的夹角为，其中φ为土层的内摩擦角，斜面的上侧边沿与水平对接面远离隧道开挖面一侧的边沿连接，斜面和竖直对接面的上侧边沿的中点连线与隧道轴线相互平行；步骤二、在失稳土体模块上选取多个特征点，将隧道开挖面的圆心与斜面上侧边沿的中点的连线作为下侧基准线，将斜面上侧边沿的中点竖直向上延伸至地面的直线作为上侧基准线，然后将隧道开挖面的圆心、斜面上侧边沿的中点、以及上侧基准线与地面的交点分别选取为特征点，在下侧基准线和上侧基准线上分别间隔选取多个特征点，多个特征点包含上侧基准线和下侧基准线分别与每个土层分界面的交点；步骤三、对隧道开挖面的梯形支护压力逐次进行修改，并通过仿真模型计算特征点水平位移平均值： ；上式中，m为第m次梯形支护压力修改后的水平位移平均值，为第m次梯形支护压力修改后的节点s沿隧道轴线方向y的位移量，s为位移特征点的个数；设隧道开挖面的梯形支护压力P=（Pa、Pb、Pc），其中Pa为隧道开挖面顶部压力，Pb为隧道开挖面中部压力，Pc为隧道开挖面底部压力，选取初始梯形支护压力P0=（Pa0、Pb0、Pc0），将P0代入仿真模型中进行计算，得到初始特征点水平位移平均值0；当0＞0时，以ΔP的幅值使P0逐次减小，得到梯形支护压力：P1=（Pa1、Pb1、Pc1）=（Pa0－ΔP、Pb0－ΔP、Pc0－ΔP）、P2=（Pa2、Pb2、Pc2）=（Pa0－2ΔP、Pb0－2ΔP、Pc0－2ΔP）、P3=（Pa3、Pb3、Pc3）=（Pa0－3ΔP、Pb0－3ΔP、Pc0－3ΔP）……Pm=（Pam、Pbm、Pcm）=（Pa0－m·ΔP、Pb0－m·ΔP、Pc0－m·ΔP）；将P1、P2、P3……Pm代入仿真模型中进行计算，得到1-P1、2-P2、3-P3……m-Pm数据组，并保证m＜0；当0＜0时，以ΔP的幅值使P0逐次增大，得到梯形支护压力：P1=（Pa1、Pb1、Pc1）=（Pa0＋ΔP、Pb0＋ΔP、Pc0＋ΔP）、P2=（Pa2、Pb2、Pc2）=（Pa0＋2ΔP、Pb0＋2ΔP、Pc0＋2ΔP）、P3=（Pa3、Pb3、Pc3）=（Pa0＋3ΔP、Pb0＋3ΔP、Pc0＋3ΔP）……Pm=（Pam、Pbm、Pcm）=（Pa0＋m·ΔP、Pb0＋m·ΔP、Pc0＋m·ΔP）；将P1、P2、P3……Pm代入仿真模型中进行计算，得到1-P1、2-P2、3-P3……m-Pm数据组，并保证m＞0；然后根据数据组建立特征点水平位移平均值和开挖面中心梯形支护压力的关系曲线图，从关系曲线图中选出特征点水平位移平均值最接近0时的梯形支护压力P*=（Pa*、Pb*、Pc*）作为临界支护压力；步骤四、将仿真模型中的梯形支护压力设定为临界支护压力P*，然后分别对多个土层进行强度折减计算，强度折减计算的方法为：首先对土层的粘聚力c和内摩擦角φ按照强度折减系数Fk进行折减，强度折减系数Fk选取自强度折减系数序列F0、F1、F2、F3……Fm，k为强度折减的次序数，k=1，2，3……m，Fk=Fk-1+ΔF，ΔF的取值范围为0.5~3.0；折减后的粘聚力cf和内摩擦角φf的计算公式为： ；然后将每次强度折减后新得到的粘聚力cf和内摩擦角φf代入仿真模型中进行计算，得到每次强度折减后多个特征点分别沿隧道轴线方向y的位移量Δusy，然后计算计算特征点水平位移平均值： ；上式中，k为第k次强度折减后的水平位移平均值，为第k次强度折减后特征点节点s的沿隧道轴线方向y的位移量，s为位移特征点的个数；在对多个土层分别进行强度折减计算时，将l个土层从地面开始向下依次标记序号为土层1，2，3……l，对粘聚力c和内摩擦角φ依次按照按照强度折减系数序列F1-l、F2-l、F3-l……进行折减，得到多个土层的水平位移平均值序列1-l、2-l、3-l……k-l；然后分别建立多个土层的水平位移平均值和强度折减系数的关系曲线图，从关系曲线图中选出水平位移平均值的突变区域，并在突变区域的两侧绘制切线，将两侧切线交点对应的强度折减系数选取为该土层的安全系数，从而得到每个土层的安全系数F1*，F2*，F3*……Fl*；然后对每个土层的安全系数按照数值从小到大的顺序进行排列，并根据排列顺序将每个土层的安全系数重新标记序号为，，……，将每个安全系数对应的土层重新标记序号为土层1*，2*，3*……l*；步骤五、将仿真模型中的梯形支护压力设定为临界支护压力P*，在仿真模型中逐次进行多个土层的强度折减计算，得到多个土层的安全系数、、……；当l*=1时，=；当l*=2，3，4……时，分别根据土层重新标记的1*，2*，3*……l*的序号顺序，在仿真模型中逐次选取多个土层进行强度折减计算，分别获取相应折减土层的建立特征点水平位移平均值和开挖面中心梯形支护压力的关系曲线图，然后根据突变区域两侧切线交点得到相应土层的安全系数；步骤六、根据单土层强度折减的安全系数，，……，以及多个土层的强度折减安全系数、、……，分别计算每个土层的强度折减对失稳土体模块的影响系数w1*、w2*、w3*……wl*；601、按照土层重新标记的1*，2*，3*……l*的序号顺序，计算折减系数的差值；602、将ΔFl*依次按照分配系数wl-1、wl-2、wl-3……wl-l-1分配到土层1*，2*，3*……l-1*的、、……安全系数值上，并计算更新后的多地层耦合折减安全系数、、……，公式如下： ； ； ；…… ；603、当l=2时，ΔF2*全部分配在土层1*的安全系数上，多地层耦合折减安全系数更新为、、……；当l=3时，ΔF3*按照w3-1、w3-2分配在土层1*、2*的安全系数上，分配系数分别为： ； ；多地层耦合折减安全系数更新为、、……；当l=4时，ΔF4*按照w4-1、w4-2、w4-3分配在土层1*、2*、3*的安全系数上，分配系数分别为： ； ； ；多地层耦合折减安全系数更新为、、、……；直至将ΔFl*分配在土层1*，2*，3*……l-1*的、、……安全系数上，获得最终的多地层耦合折减安全系数、、、……，；604、计算多地层耦合折减中，每个地层对楔形体稳定影响系数w1*、w2*、w3*……wl*的计算公式如下： ； ； ；…… ；步骤七、计算梯形支护压力对楔形体安全的影响系数λ，公式为： λ=Pb0Pb*；步骤八、计算多土层盾构隧道开挖面楔形体的最终安全系数F，公式为： 。

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