软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法

摘要

本发明公开一种软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法，步骤为：获取含隧道在内的浅层土的土层划分信息，随后提取隧道所在土层的土样进行室内常规土工试验；利用水准仪测量隧道结构整体沉降，以隧道纵向为横轴，以隧道累积沉降值为纵轴标出隧道各环沉降累积值；对隧道累积沉降曲线进行分段拟合，确定累积沉降曲线的高斯拟合方程；确定隧道剪力值；确定每个螺栓的剪应力和拉应力，根据得到的隧道环间螺栓的剪应力和拉应力，控制隧道的纵向变形。本发明采用Cosserat非平衡力学理论体系定量地确定隧道衬砌环间螺栓的应力，方法简单，便于推广，适用于盾构隧道纵向变形的控制问题。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种软土地层中盾 构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法。

背景技术

随着我国城市化进程的加快，城市人口不断增多，可利用空间越来越少， 城市地下轨道交通的发展不仅缓解了城市繁重的交通压力，而且有效利用了城 市空间，为城市的可持续发展做出了重要贡献。盾构法是常用的地下隧道施工 方法，它具有施工安全、掘进速度快、自动化作业等特点，是软弱含水地层中 长距离隧道开挖的最佳选择。然而，软土地层盾构隧道在长期运营中容易产生 沉降、变形，导致衬砌开裂、渗漏，严重时甚至造成轨道扭曲，影响行车安全。

国际隧道联合会(ITA)经过大量的调查研究于2000年在《Tunnelling and  Undergrounding Space Technology》(隧道和地下空间技术)发表了《Guidelines  for the Design of Shield Tunnel Lining》(盾构隧道设计指南)。该文全面系统地 介绍了当前盾构隧道的设计流程及分析方法。不难发现，当前盾构隧道的结构 设计是将隧道简化为二维模型，仅考虑隧道横断面上的受力变形，却没有对隧 道长期运营引起的纵向变形和结构受力进行针对性的分析，对于隧道纵向螺栓 则完全凭经验设计。我国《地下铁道设计规范(GB50157-92)》推荐使用荷载结 构模型的横向设计方法，也未考虑隧道纵向变形的影响。2010年版《上海市地 基基础设计规范》(DGJ08-11-2010)较之1999年版(DGJ08-11-1999)更加强 调了隧道的纵向沉降的影响，提出接缝最大张开、环间错台限值的取用，但对 隧道纵向设计的分析方法依然缺乏明确的说明，对螺栓受力分析没有定量的确 定方法。目前隧道纵向变形的研究已经逐渐引起了学者的关注，但纵向结构设 计模型尚不成熟，对于拉、剪共同作用下的纵向连接螺栓仍然没有很好的保护 方法。

经对现有技术文献检索发现，隧道纵向变形常采用的分析模型为纵向梁-弹 簧模型和纵向等效连续化模型。前者由日本的小泉淳等于1988年在《土木學會 論文集》(日本土木工程学会学报)发表的《シ一ルドトンネルの軸方向特性の モデル化について》中提出。它将梁单元模拟衬砌环、以弹簧的轴向、剪切和 转动效应模拟环向接头和螺栓，它的缺点是无法得到相邻管片接头间的相对不 连续变形量，无法精确给出螺栓的内力。后者由日本的志波由紀夫等于1988年 在《土木學會論文集》(日本土木工程学会学报)发表的《シ一ルドトンネルの 耐震解析にる長手方向覆工剛性の評價法》中提出。它将隧道视为均质圆环， 将接头和管片视为具有相同刚度和结构特性的均匀连续梁。事实上，隧道的纵 向变形表现为相邻衬砌环间的错台，这种错台会导致螺栓产生剪应力，当错台 达到一定程度会使环缝张开，使螺栓产生拉应力。这种“错台”的变形模式和以 均质圆环为模型的隧道弯曲模式有着本质的区别，因而用纵向等效连续化模型 同样不能准确地计算螺栓的内力。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种软土地层中盾构隧道纵向 变形的保护控制方法，利用地质调查的方法确定含隧道在内的浅层土的土层特 性，通过对隧道长期沉降曲线进行拟合，并结合Cosserat非平衡力学理论体系 的分析方法确定隧道环间螺栓的剪应力和拉应力，从而控制隧道的纵向变形。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

第一步，获取含隧道在内的浅层土的土层划分信息，随后提取隧道所在土 层的土样进行室内常规土工试验。

所述的浅层土的土层划分是指：利用孔压式静力触探确定土体的贯入阻力 和孔隙水压与深度的关系曲线，检测深度为隧道中心线埋深的1.5倍，沿隧道纵 向每100m布置一个检测孔。画出以孔隙水压与贯入阻力之比为横轴，以贯入阻 力与初始地层应力之比为纵轴的关系图，并将该图划分若干不同土性特征区以 此代表不同土的类型；将实测的静力触探曲线的数据标于该图以判断场地土层 的类型；再根据土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线，确定施工 现场土层划分信息；

所述的提取隧道所在土层的土样是指：用薄壁取土设备在隧道所在土层取 土，用于做室内常规土工试验。土样数以不少于三个试件为宜，隧道纵向取土 间隔约为100m。

所述的室内常规土工试验是指：密度试验，即通过环刀法等密度试验方法 测得各土层的湿密度，并计算相应的重度。

第二步，利用水准仪测量隧道结构整体沉降，以隧道纵向为横轴，以隧道 累积沉降值为纵轴标出隧道各环沉降累积值。

所述的水准仪测量是指：以地面一等水准测量路线作为首级水准控制点， 在主要地铁车站出入口附件埋设临时水准基点，在车站站厅设置基准点并进行 联测。测量路线采取单程线路观测并在两个地铁车站之间的车站站厅基准点附 和，即上行线、下行线形成附合线路。测量采用国家二等水准测量精度，每一 个隧道衬砌环逐一测量，测量频率为每半年一次。

第三步，对隧道累积沉降曲线进行分段拟合，确定累积沉降曲线的高斯拟 合方程。

所述的分段拟合是指：以隧道累积沉降曲线的极小值点为分段节点，将隧 道沉降曲线分为若干段，对每段曲线进行高斯拟合。

所述的高斯拟合方程满足以下公式：$S\left(x\right)=S_{\max }\exp [-\frac{{(x-x_c)}^2}{{2i}^2}]+S_0,$

其中，S_max为沉降漏斗的峰值；S₀为隧道整体沉降量；i为沉降槽宽度系数； x_c为沿沉降槽中心的坐标；x为隧道任意一点的横向坐标。

第四步，确定隧道剪力值。

所述的隧道剪力值满足以下公式：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \tau }}_{\mathrm{xz}}\left(x\right)=\frac{2{\int }_{x_c-3i}^x(x_c-x){\mathrm{\Delta \sigma }}_2\left(x\right)\mathrm{dx}}{D\times (x_c-x)},x\le x_c\\ {\mathrm{\Delta \tau }}_{\mathrm{xz}}\left(x\right)=\frac{2{\int }_{x_c+3i}^x(x-x_c){\mathrm{\Delta \sigma }}_2\left(x\right)\mathrm{dx}}{D\times (x-x_c)},x>x_c\end{array}\right)$

其中，Δσ₂(x)为隧道上方的Cosserat不平衡荷载；D为隧道衬砌外直径，具 体通过隧道横断面设计图确定。

所述的Cosserat不平衡荷载通过如下步骤获得：

1)确定隧道上方总荷载。

所述的隧道上方总荷载满足以下公式：Δσ(x)＝γ_tS(x)，

其中，γ_t为第一步中获得的隧道所在土层土体的重度。

2)确定Cosserat不平衡荷载。

所述的Cosserat不平衡荷载满足以下公式：

${\mathrm{\Delta \sigma }}_2\left(x\right)=\mathrm{\Delta \sigma }\left(x\right)-{\mathrm{\Delta \sigma }}_1\left(x\right)={\gamma }_t{S}_{\max }\exp [-\frac{{(x-x_c)}^2}{{2i}^2}],$

其中，Δσ₁(x)为平衡荷载，满足以下公式：Δσ₁(x)＝γ_tS₀。

第五步，确定每个螺栓的剪应力和拉应力，根据得到的隧道环间螺栓的剪 应力和拉应力，控制隧道的纵向变形。

所述的每个螺栓的剪应力满足以下公式：

${\mathrm{\Delta \tau }}_b\left(x_b\right)={\mathrm{\Delta \tau }}_{\mathrm{xz}}\left(x_b\right)\times \frac{D^2-d^2}{n·D_b^2},$

其中，x_b为螺栓对应的横坐标；Δτ_b(x_b)为螺栓的剪应力；d为隧道内直径， D_b为螺栓直径，n为环间螺栓个数，通过隧道设计图确定。

所述的每个螺栓的拉应力满足以下公式：

${\sigma }_b=\left(\begin{array}{c}0,S^{\prime }\left(x\right)L\le 8\\ \frac{4E[S^{\prime }\left(x\right)L-8]}{{3L}_b},S^{\prime }\left(x\right)L>8\end{array}\right)$

其中，σ_b为螺栓的拉应力；L为隧道衬砌环宽度，具体通过隧道横断面设 计图确定；E为螺栓的弹性模量，L_b为螺栓的长度；S’(x)为S(x)的一阶导函数。

与原有的技术相比，本发明采用Cosserat非平衡力学理论体系定量地确定 隧道衬砌环间螺栓的应力，打破了原有的凭借经验设计螺栓的局面，弥补了盾 构隧道结构设计的不足，为盾构隧道的安全使用提供保障。本发明方法简单， 便于推广，具有很大的应用价值。本发明适用于盾构隧道纵向变形的控制问题。

附图说明

图1为隧道衬砌环剪切示意图。

图2为隧道纵向沉降及其拟合曲线。

图3为本发明方法确定的螺栓内力值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。

实施例：

某轨道交通停车场出入库下行线盾构隧道埋深11.25m，衬砌环外径为6.2m， 内径为5.5m，环宽1.0m。环间采用17根M30螺栓连接，螺栓的长度为400mm， 螺栓弹性模量为2.06×10⁵MPa。该隧道泵站发生事故后，隧道纵向产生错台变 形。

第一步，明确现场地质情况及隧道所在土层土体性质。地面至1.5倍隧道深 度范围内土体划分为5层：顶层(0.0～1.6m)为回填土；第二层(1.6～3.4m)为 软黏土；第三层(3.4～6.1m)为淤泥质粉质黏土；第四层(6.1～15.5m)为淤泥 质黏土；第五层(未打穿)为黏土。隧道所在地层为第四层淤泥质黏土层。利 用薄壁取土器提取隧道所在地层天然土样三件，进行密度试验，获得隧道所在 地层的湿密度是1.9kg/m³，计算得到土体的重度为19.0kN/m³。

第二步，利用水准仪测量隧道结构整体沉降。如图2所示，以隧道纵向为 横轴，以隧道累积沉降值为纵轴标出隧道各环累积沉降值。

第三步，对隧道累积沉降曲线进行分段拟合，确定累积沉降曲线的高斯拟 合方程。

以隧道累积沉降曲线的极小值点为分段节点，将沉降曲线分为一段。如图2 所示，隧道累积沉降曲线用高斯曲线拟合，拟合方程为：

$S\left(x\right)=17.51+\frac{1074.17}{10.83\times \sqrt{\pi /2}}\times \exp [-\frac{{(x-35.61)}^2}{2\times {5.415}^2}]$

第四步，确定隧道剪力值。

隧道剪力值公式满足以下方程：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \tau }}_{\mathrm{xz}}\left(x\right)=\frac{2{\int }_{35.61-3\times 5.415}^x(35.61-x){\mathrm{\Delta \sigma }}_2\left(x\right)\mathrm{dx}}{6.2\times (35.61-x)},x\le 35.61\\ {\mathrm{\Delta \tau }}_{\mathrm{xz}}\left(x\right)=\frac{2{\int }_{35.61+3\times 5.415}^x(x-35.61){\mathrm{\Delta \sigma }}_2\left(x\right)\mathrm{dx}}{6.2\times (x-35.61)},x>35.61\end{array}\right)$

Cosserat不平衡荷载通过以下步骤获得：

1)确定隧道上方总荷载。

隧道上方总荷载为：

$\mathrm{\Delta \sigma }\left(x\right)={\gamma }_{t}S\left(x\right)=19.0\times \{17.51+\frac{1074.17}{10.83\times \sqrt{\pi /2}}\times \exp [-\frac{{(x-35.61)}^2}{2\times {5.415}^2}\left]\right\}$

2)确定Cosserat不平衡荷载。

Cosserat不平衡荷载为：

${\mathrm{\Delta \sigma }}_2\left(x\right)=19.0\times \frac{1074.17}{10.83\times \sqrt{\pi /2}}\times \exp [-\frac{{(x-35.61)}^2}{2\times {5.415}^2}]$

第五步，确定每个螺栓的剪应力。

每个螺栓的剪应力按以下公式确定：

${\mathrm{\Delta \tau }}_b\left(x_b\right)={\mathrm{\Delta \tau }}_{\mathrm{xz}}\left(x_b\right)\times \frac{{6.2}^2-{5.5}^2}{17·{0.03}^2}$

采用本方法确定的每个螺栓的剪应力如图3所示。

步骤六，确定每个螺栓的拉应力。

每个螺栓的拉应力按以下公式确定：

${\sigma }_b=\left(\begin{array}{c}0,S^{\prime }\left(x\right)\le 8\\ \frac{4\times 2.06\times {10}^5\times [S^{\prime }\left(x\right)-8]}{3\times 0.4},S^{\prime }\left(x\right)>8\end{array}\right)$

其中，$S^{\prime }\left(x\right)=\frac{-4\times 1074.17}{{10.83}^2\times \sqrt{\pi /2}}\times \exp [-\frac{{(x-35.61)}^2}{2\times {5.415}^2}]$

采用本方法确定的每个螺栓的拉应力如图3所示。根据上述得到的隧道环 间螺栓的剪应力和拉应力，控制隧道的纵向变形。

本实施例可以准确的确定盾构隧道衬砌环间螺栓剪应力和拉应力，相比以前 单纯依靠经验的方法更科学、更准确，给盾构隧道纵向变形的控制带来了很大 的方便。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上 述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后， 对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应 由所附的权利要求来限定。