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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施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，包括：根据工程资料确定计算参数；根据所述参数计算既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量；根据所述参数建立盾构下穿力学模型，刀盘附加推力考虑了刀盘的挤土效应；盾壳摩擦力考虑了土体的软化作用与浆液蔓延作用，盾尾注浆压力考虑了分区作用，土体损失考虑了注浆填充的影响；根据所述盾构下穿力学模型，计算各施工因素引起的既有隧道附加应力；将所述施工因素引起的既有隧道附加应力施加至既有隧道上，得到既有隧道变形。本发明避免了传统Mindlin解只能将土体视为单向介质的问题、以及将刀盘推力、盾壳摩擦力、盾尾注浆压力假设为均匀分布力的问题。

主权项：1.一种考虑施工因素的饱和软土盾构下穿引起既有隧道变形计算方法，其特征在于，包括：根据工程资料确定计算参数，所述计算参数包括土体参数、既有隧道管片设计参数、既有隧道与盾构空间位置参数，并通过盾构机在下穿前的试推段信息获取盾构机施工参数；根据所述土体参数与既有隧道管片设计参数，计算既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量；根据既有隧道与盾构空间位置参数，建立盾构下穿力学模型，其中刀盘附加推力考虑了刀盘的挤土效应，盾壳摩擦力考虑了土体的软化作用与浆液蔓延作用，盾尾注浆压力考虑了分区作用，土体损失考虑了注浆填充的影响；根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算刀盘附加推力引起的既有隧道附加应力；根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾壳摩擦力引起的既有隧道附加应力；根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾尾注浆压力引起的既有隧道附加应力；根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算土体损失引起的既有隧道附加应力；基于既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量，将所述施工因素引起的既有隧道附加应力施加至既有隧道上，得到既有隧道变形；其中，根据所述土体参数与既有隧道管片设计参数，计算既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量，具体包括：根据公式确定既有隧道纵向等效抗弯刚度；其中Ec为管片弹性模量；As为既有隧道横截面面积；n为纵向螺栓个数；l为两环管片轴线间的距离，即一环管片的长度；λ1，λ2为与隧道横截面有关的影响系数；为接头螺栓的平均线刚度，Eb为螺栓的弹性模量，Ab为螺栓横截面积，lb为螺栓长度；根据公式确定所述地基模量；其中；B为既有隧道直径；Es为土体的弹性模量，k为地基基床系数，μ为泊松比；其中，根据既有隧道与盾构空间位置参数，建立盾构下穿力学模型，具体包括：以盾构与既有隧道交叉点在地表上的投影点为坐标原点建立坐标系，盾构机垂直于xoz平面，沿着y轴负向掘进；L和Rs分别为盾构机的长度与刀盘半径，盾构机埋深为z0；既有隧道位于xoz平面内且平行于x轴，埋深为z；刀盘附加推力q作用于开挖面，并考虑刀盘的挤土效应；盾壳摩擦力f沿盾壳分布，考虑土体的软化作用，并考虑浆液蔓延导致靠近盾尾部分摩擦力的折减作用，浆液蔓延范围为l；盾尾注浆压力p沿盾尾环向不均匀分布，并分区处理，注浆压力作用范围为盾尾后一环管片的宽度m；土体损失Vloss集中于盾尾处，并考虑注浆填充的影响；其中，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算刀盘附加推力引起的既有隧道附加应力，具体包括：所述刀盘附加推力；其中μ为泊松比；v为盾构掘进速度；Δp’为刀盘切入土体产生的挤压力；Eu为土体不排水弹性模量；w为刀盘转速；k为刀盘闭口部分幅数；D为刀盘直径；ξ为刀盘开口率；建立积分坐标系x’y’z’，刀盘任意微元dA上作用集中力，对饱和土体中既有隧道某一点（x,y,z）产生的竖向附加应力；其中； ；；其中，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾壳摩擦力引起的既有隧道附加应力，具体包括：所述盾壳摩擦力；其中；；；σ轴为盾构轴线处的竖向土压力；K0为侧向静止土压力系数；γ为土体重度；δ’为盾构与周围土体的截面摩擦角；βs盾壳表面残余摩阻力与极限侧摩阻力的比值；建立积分坐标系x’y’z’，盾壳表面任意微元dA上作用集中力，盾壳摩擦力对饱和土体中既有隧道某一点（x,y,z）产生的竖向附加应力；其中； ；；λ为考虑盾尾浆液蔓延对盾壳摩擦力折减的系数，l为浆液蔓延范围；其中，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算盾尾注浆压力引起的既有隧道附加应力，具体包括：所述盾尾注浆压力；其中为注浆孔处实际注浆压力；为注浆孔与x轴的夹角；为牛顿流体系数；q为浆液流量；为浆液粘度系数；为盾尾间隙的一半；建立积分坐标系x’y’z’，盾尾任意微元dA上作用集中力，将其分解为竖直力和水平力，盾尾注浆压力对饱和土体中既有隧道某一点（x,y,z）产生的竖向附加应力 ； ；其中m为管片宽度，； ； ； ，L为盾构机长度；其中，根据盾构机施工参数与所述盾构下穿力学模型，计算土体损失引起的既有隧道附加应力，具体包括：所述土体损失；其中；；；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；ω为施工影响因素；为考虑注浆填充影响后的参数；土体损失引起既有隧道上某一点（x,y,z）的竖向附加应力；其中 ；K为地基模量；μ为土的泊松比；L为盾构机长度；其中，基于既有隧道纵向等效抗弯刚度与地基模量，将所述施工因素引起的既有隧道附加应力施加至既有隧道上，得到既有隧道变形；包括：所述施工因素引起的既有隧道附加应力值；将隧道视为附加分布荷载作用下的Winkler弹性地基无限长梁，得到盾构下穿既有隧道变形的微分控制方程；式中EI为既有隧道等效抗弯刚度；Wx为既有隧道竖向变形；k为地基基床系数，，B为既有隧道直径；qx为施工因素引起既有隧道上的附加荷载，qx=Bσzx；求解微分方程，得到作用在既有隧道上一点ξ的集中荷载qξdξ引起既有隧道在x处竖向变形为；对上式积分，得到附加分布荷载作用下既有隧道竖向变形计算式，对该式进行积分计算得到既有隧道变形，ξ为既有隧道上一点。

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