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申请/专利权人：浙大城市学院

摘要：本发明公开了一种考虑多因素的饱和土小曲率盾构施工引起土体变形预测方法，包括：对饱和土内部作用集中力引起土体竖向变形初始解进行积分处理，得到盾壳作用面上分布力引起的土体竖向变形；考虑刀盘挤土效应，得到曲线盾构推进系统各分区附加推力引起土体变形；考虑曲线盾构盾壳内、外两侧摩擦力差异、盾尾浆液蔓延以及土体软化特性，得到盾壳摩擦力引起土体变形；考虑盾尾注浆压力沿盾尾空隙环向分布的不均匀性，得到盾尾注浆压力引起土体变形；考虑曲线盾构推进过程土体呈椭圆非径向移动和线路内侧额外超挖，得到土体损失引起土体变形；综合各因素引起的土体竖向变形，得到饱和土小曲率盾构施工引起土体总变形量。

主权项：1.一种考虑多因素的饱和土小曲率盾构施工引起土体变形预测方法，其特征在于，包括：对饱和土内部作用集中力引起土体竖向变形初始解进行积分处理，得到盾壳作用面上分布力引起的土体竖向变形；考虑刀盘挤土效应，得到曲线盾构推进系统各分区附加推力引起土体变形；考虑曲线盾构盾壳内、外两侧摩擦力差异、盾尾浆液蔓延以及土体软化特性，得到盾壳摩擦力引起土体变形；考虑盾尾注浆压力沿盾尾空隙环向分布的不均匀性，得到盾尾注浆压力引起土体变形；考虑曲线盾构推进过程土体呈椭圆非径向移动和线路内侧额外超挖，得到土体损失引起土体变形；综合各因素引起的土体竖向变形，得到饱和土小曲率盾构施工引起土体总变形量；其中，对饱和土内部作用集中力引起土体竖向变形初始解进行积分处理，得到盾壳作用面上分布力引起的土体竖向变形，具体包括：基于半无限空间饱和土内部作用集中力时土体任意位置变形初始解，经坐标转化，得到竖向和水平方向集中力作用下土体的竖向变形公式分别为： ， ，式中：μzv为竖直力作用下z方向的土体位移，单位：m；μzh为水平力作用下z方向的土体位移，单位：m；F1为竖向集中力，单位：kPa；F2为水平集中力，单位：kPa；h为作用力与自由表面的垂直距离，单位：m；π为圆周率；G为剪切弹性模量，单位：kPa，x为计算点离盾构中心轴线的横向水平距离，y为计算点离开挖面的水平距离，z为盾构中心轴线离地表的竖向距离；其中，考虑刀盘挤土效应，得到曲线盾构推进系统各分区附加推力引起土体变形，具体包括：取盾构开挖面内任一微元的面积，开挖面任一单元所受集中力为：，式中：A1、r、1分别为开挖面单元面积、半径、角度，单位分别为、mm、°；F1、q分别为开挖面任一单元所受的集中力、开挖面单位面积上的正面附加推力，单位：kPa；经过坐标转换，得到用于代入半无限饱和土内部受集中力的位移初始解的等效坐标： ，考虑盾构掘进时刀盘对开挖面前方土体的挤土效应，得到刀盘附加推力计算公式： ，式中：μ为泊松比；为土体不排水弹性模量，单位：MPa；为盾构掘进速度，单位：cmmin；为刀盘开口率，单位：%；D为刀盘直径，单位：m；为刀盘闭口部分幅数；为刀盘转速，单位：rmin；为刀盘切入土体产生的挤压力，单位：kPa；由于曲线盾构线路各分区刀盘附加推力不同而采取分区间积分，可得曲线盾构掘进过程中在盾构开挖面受到不均匀正面附加推力作用下土体的竖向变形表达式： ，其中： ， ，式中：μz-q为切口附加推力引起的土体竖向变形，单位：m；z0为隧道轴线埋深，单位：m；Rs为隧道半径，单位：m；q1为刀盘上、下分区附加推力，单位：kPa；q2、q3分别为刀盘右、左分区附加推力，单位：kPa；其中，考虑曲线盾构盾壳内、外两侧摩擦力差异、盾尾浆液蔓延以及土体软化特性，得到盾壳摩擦力引起土体变形，具体包括：由于盾构机为一圆柱刚体，取盾壳表面任一微单元，受力点埋深，盾壳圆周土体任一单位面积所受集中力；式中：A2、r、2分别为为盾壳任一单元面积、半径、角度，单位为、mm、°；F2、f分别为盾壳圆周任一单元所受的集中力、开挖面单位面积上的摩擦力，单位：kPa；经过坐标转换，得到用于代入半无限饱和土内部受集中力的位移初始解的等效坐标： ，考虑盾壳刚体表面和饱和软土相互运动过程，土体会发生软化，得到软土区盾壳与土体摩擦力： ，其中： ，式中：f为盾壳摩擦力，单位：kPa；为作用于盾壳的径向正应力，可由作用于盾壳2位置处的竖向与水平土压力、求解得出，单位：kNm2；为盾构轴线处的竖向土压力，单位：kNm2；为侧向静止土压力系数；γ为土体重度，单位符号为kNm3；为盾构与周围土体的截面摩擦角，单位：°；为桩-土界面残余摩阻力与极限侧摩阻力的比值；综合考虑曲线盾构施工过程中浆液蔓延、盾壳刚体表面与软土作用产生土体软化效应以及线路内、外侧盾壳摩擦力不等进行分区积分，得到盾壳摩擦力引起土体竖向变形的表达式： ，其中： ， ，式中：为盾壳摩擦力引起的土体竖向变形，单位：m；、分别为线路内侧、外侧摩擦力折减系数；L为盾壳全长，单位：m；f1、f2分别为盾壳内、外侧摩擦力；其中，考虑盾尾注浆压力沿盾尾空隙环向分布的不均匀性，得到盾尾注浆压力引起土体变形，具体包括：取盾尾注浆面任一微单元面积，受力点埋深，盾尾注浆面任一单位面积所受集中力，将其分解为竖直力，只考虑盾尾注浆竖直分力的作用；式中：A3、r、3分别为盾尾注浆面任一单元面积、半径、角度，单位符号分别为、mm、°；F3、p分别为盾尾注浆面任一单元所受的集中力、注浆面单位面积上的注浆压力，单位符号为:kPa；经过坐标转换，得到用于代入半无限饱和土内部受集中力的位移初始解的等效坐标： ，考虑到盾尾注浆的不均匀性，注浆过程可视为牛顿流体扩散模型，得到注浆压力沿盾尾空隙环向分布的计算公式： ，式中：为注浆孔直接注浆压力，单位符号为：MPa;为注浆方向，向上填充为“-”，向下填充为“+”；A’为牛顿流体系数；q’为浆液流量，单位符号为m3s；为浆液粘度系数，单位：Pa·s；0为注浆孔与x轴的夹角；综合考虑盾尾注浆不均匀性，对注浆区域分区积分得到盾尾注浆压力引起土体竖向变形的表达式： ，其中： ， ，式中：为盾尾注浆压力引起土体竖向变形，单位：m；m为盾构管片单环长度，单位：m；pz1、pz2、pz3分别为盾尾注浆面右侧、上侧和下侧的注浆压力，单位：kPa；其中，考虑曲线盾构推进过程土体呈椭圆非径向移动和线路内侧额外超挖，得到土体损失引起土体变形，具体包括：考虑椭圆非等量径向土体移动得到盾尾处的土体损失引起土体竖向变形表达式： ，其中： ，式中：Vloss为隧道单位长度的地层损失量，单位：m3·m-1；L为盾壳全长，单位：m；g1为土体损失参数；Gp为盾构与隧道之间的几何空隙；U3D为盾构前部土体的三维弹塑性变形；w1为施工影响因素；α1为考虑注浆填充影响后的参数；又曲线盾构线路内侧额外超挖量为， ，将坐标系沿x轴进行平移，平移距离为0.5，得到饱和土曲线盾构施工土体损失引起地层竖向变形的表达式: ，式中：R为曲线盾构线路的半径，单位：m；Rs为开挖隧道半径，单位：m；为线路内测额外超挖量，符号：m；L为盾壳全长，单位：m；其中，综合各因素引起的土体竖向变形，得到饱和土小曲率盾构施工引起土体总变形，具体包括：综合曲线盾构掘进施工引起的地表变形考虑了开挖面附加推力、盾壳摩擦力、盾尾注浆压力以及地层损失四个主要影响因素，得到小曲率盾构施工引起土体的总变形： 。

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