[发明专利]一种地面堆载引起既有盾构隧道位移计算方法

说明书

本发明提供一种地面堆载引起既有盾构隧道位移计算方法，建立地面堆载力学计算模型，本专利考虑了隧道环间的“接头效应”，将隧道等效为一个由剪切弹簧连接的弹性地基短梁，充分考虑了隧道的结构特性和物理特性，运用Matlab可以快速计算得到由于地面堆载引起的盾构隧道纵向位移(包括竖向位移和水平位移)，以及盾构隧道环之间的错台量(包括水平错台量和竖向错台量)和剪切力(包括水平剪切力和竖向剪切力)，由此可判断地面堆载作用下隧道结构的安全性，与盾构隧道实际的受力和变形较为符合。

技术领域

本发明属于地下工程技术领域，具体涉及一种地面堆载引起既有盾构隧道位移计算方法。

背景技术

盾构隧道有上部地面堆载时，原有受力平衡被打破，引起盾构隧道应力的重分布，产生过大的横向或者纵向变形，引发管片开裂、接缝张开、螺栓失效等现象，影响地铁的安全性。为探究地面堆载对下卧盾构隧道的影响，并为今后隧道运营期变形预测提供理论指导，本专利将建立地面堆载下既有盾构隧道位移，并通过算例对比验证模型的合理性。

现有计算方法分析地面堆载引起既有盾构隧道都是基于弹性地基梁法，将盾构隧道简化为均质弹性梁，未考虑隧道环间的”接头效应”，无法计算管片错台量，与实际有所出入。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中不足，提供一种地面堆载引起既有盾构隧道位移计算方法。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本专利利用“剪切错台模型”，将盾构隧道等效为一个由剪切弹簧连接的弹性地基短梁，运用最小势能原理计算地面堆载引起下卧盾构隧道的纵向变形，以及相邻盾构隧道环之间的错台量和环间剪切力的大小，可评估盾构隧道在运营期间的结构安全性和抗渗性。本发明提供一种地面堆载引起既有盾构隧道位移计算方法，其特征在于，先建立地面堆载力学计算模型，如图1和图2所示；令荷载大小为q，单位为kPa；堆载长为L，单位为m；堆载宽为B，单位为m；盾构隧道轴线处埋深为H，单位为m；盾构隧道上部覆土厚h，单位为m；盾构隧道外径为D，单位为m；堆载中心离盾构隧道轴线的水平距离为s，单位为m；以地面堆载中心为原点，取平行盾构隧道方向为y轴，垂直盾构隧道方向为x轴；具体包括如下步骤：

步骤1)：地面堆载引起的盾构隧道附加应力计算

利用Boussinesq公式，在堆载区域取一微单元，微单元的长为ξ，宽为η，作用在微单元上的应力为σ，其单位力表达为σdξdη，通过积分可以求得引起盾构隧道轴线上某一点(x₁，y₁，z₁)的土体附加水平应力σ_x为：

盾构隧道轴线上某一点(x₁，y₁，z₁)的土体附加竖向应力σ_z为：

式中：

步骤2)：基于最小势能原理计算盾构隧道纵向变形

在分析盾构隧道与土体相互作用时，假定：将盾构隧道衬砌环视为由剪切弹簧连接的弹性地基短梁，地面堆载导致盾构隧道以环间剪切错台的方式进行变形；

步骤2.1)：运用能量变分法计算盾构隧道纵向位移量

步骤2.1.1)：盾构隧道的总势能

任取盾构隧道一环进行分析，编号为m，其所受到的水平荷载F_x为：

F_x＝P_x(y)-kDS_x(y)-K_t(ΔW_x(m+1)+ΔW_x(m)) (3)