[发明专利]一种类矩形盾构隧道施工中地表沉降计算方法

权利要求书

1.一种类矩形盾构隧道施工中地表沉降计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)、横向地表沉降计算：

对类矩形盾构隧道开挖引起的地表沉降进行研究；

在研究地表沉降之前，作以下假设：

(1)盾构是在正常固结软土中沿直线掘进，盾构机不偏斜，且土体不排水、不固结、密度不发生变化；

(2)地表沉降仅受土体损失影响；

(3)类矩形盾构隧道的开挖面形状及其收敛后轮廓均为两个半圆和矩形的组合图形；

建立类矩形盾构施工引起的地表沉降计算模型，其中：

x坐标为离隧道中轴线的横向水平距离，单位符号为m；

z坐标为地表以下的计算深度，单位符号为m；

w₁为隧道开挖面轴线埋深，单位符号为m；

w₂为隧道开挖面收敛后的轴线埋深，w₂＝w₁+αg/2，单位符号为m；

α为开挖面收敛模式参数，取值范围为[-1,1]；

g为等效土体损失参数，单位符号为m；

π为圆周率，取3.14；

ε为土体损失百分率；

S为左右两个半圆的圆心距离，单位符号为m；

R为开挖面轮廓半圆的半径，单位符号为m；

D₁、D₂、D₃、D₄为由类矩形盾构隧道开挖面的收敛面积划分而成的4个积分区域；

类矩形盾构隧道开挖面存在的三种收敛模式；

其一是对应开挖面收敛模式参数α＝0，其二是对应开挖面收敛模式参数α＝1，其三是对应开挖面收敛模式参数α＝-1；

再根据随机介质理论，地面以下点(ξ，η)处无限小微元开挖，当开挖单元完全塌落时引起地表处坐标为x的计算点沉降为：

式中：

ξ为开挖单元x坐标值；

η为开挖单元z坐标值；

β为隧道上覆土的主要影响角，单位符号为°；

为土的内摩擦角，单位符号为°；

类矩形盾构左右半圆的圆心坐标分别为(-t，w₁)、(t，w₁)；

类矩形盾构开挖面收敛后左右半圆的圆心坐标分别为(-t，w₂)、(t，w₂)；

其中：t为左右两个半圆的圆心至坐标原点的水平距离，单位符号为m；

类矩形盾构隧道施工引起的横向地表沉降计算公式为：

其中：

式中：二重积分的上下限分别为：a＝-t-R；b＝-t；a₁＝-t-(R-g/2)；b₁＝-t；

式中：二重积分的上下限分别为：e＝t；f＝t+R；e₁＝t；

式中：二重积分的上下限分别为：j＝-t；l＝t；m＝w₁-R；n＝w₂-(R-g/2)；

式中：二重积分的上下限分别为：j₁＝-t；l₁＝t；m₁＝w₂+(R-g/2)；n₁＝w₁+R；

步骤(2)、三维地表沉降计算：

三维地表沉降计算公式：

其中：D₁(y)、D₂(y)、D₃(y)、D₄(y)为纵向任一断面的4个积分区域；

式中：二重积分的上下限分别为：a＝-t-R；b＝-t；a₁(y)＝-t-(R-g(y)/2)；b₁＝-t；

式中：二重积分的上下限分别为：e＝t；f＝t+R；e₁＝t；f₁(y)＝t+(R-g(y)/2)；

式中：二重积分的上下限分别为：j＝-t；l＝t；m＝w₁-R；n(y)＝w₂-(R-g(y)/2)；

式中：二重积分的上下限分别为：j₁＝-t；l₁＝t；m₁(y)＝w₂+(R-g(y)/2)；n₁＝w₁+R；

m为修正系数；

ε_max为地表沉降趋于稳定时的最大土体损失率；

因此，根据现场施工参数：隧道开挖面轴线埋深w₁、土体损失百分率ε、左右两个半圆的圆心距离S、开挖面轮廓半圆的半径R、土的内摩擦角开挖面收敛模式参数α、纵向土体损失率修正参数m，从而计算得到预测类矩形盾构隧道开挖引起的地表计算点的沉降值，实现类矩形盾构隧道开挖引起的地表沉降的预测，防止施工时沉降过大引发安全事故。