[发明专利]土压平衡盾构机开挖面主动极限支护压力设计方法

权利要求书

1.一种土压平衡盾构机开挖面主动极限支护压力设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、利用圆弧简化盾构开挖面前端土体破坏时的平衡拱效应，获得由局部球体区域和半圆台区域组成的组合型曲面体模型；通过半圆柱筒仓获得上部土体松动区模型；

步骤二、建立上部单一土层竖向土压力的第一模型，所述第一模型由对半圆柱筒仓进行微元体受力分析获得；

步骤三、建立叠加后成层土间的竖向土压力的第二模型，所述第二模型是根据所述第一模型获得的；

步骤四、建立局部球体区域水平方向的合力的第三模型，所述第三模型由对组合型曲面体模型中的局部球体区域从水平方向和竖直方向的剖面进行积分运算获得；

步骤五、建立半圆台区域针对隧道断面的水平合力的第四模型，所述第四模型是根据圆台母线方程，对组合型曲面体模型中的半圆台区域进行微元体受力分析获得的；

步骤六、通过将所述第三模型和所述第四模型组合并根据步骤三获得的第二模型确定开挖面主动极限支护压力。

2.根据权利要求1所述的土压平衡盾构机开挖面主动极限支护压力设计方法，其特征在于，所述第一模型满足如下公式：

其中，

ΣF_z＝0；

式中：σ_V为上部单一土层竖向土压力，kPa；ΣF_z＝0表示整个模型竖向所有力之和为0；K_Ⅲ为侧向土压力系数，值为γ为土体重度，KN/m³；c为土体黏聚力，kPa；B为开挖面前方松动区宽度，m，其中，为土体内摩擦角，°；σ_V+dσ_V为微元体下部竖向土压力，kPa；z为地表向下任意点深度，m；dz为任意深度z的微元体；dW为微元体自重，kN；C₀为常数，指P₀，其中，P₀为地表附加荷载，kPa。

3.根据权利要求1所述的土压平衡盾构机开挖面主动极限支护压力设计方法，其特征在于，所述第二模型满足如下公式：

式中：P_(n-1)为上一土层计算后得到的竖向土体压应力，kPa，相当于除去计算土层外其余上覆土体作用在土层上的力；z_n为第n层土层底面距地表的深度，m。

4.根据权利要求1所述的土压平衡盾构机开挖面主动极限支护压力设计方法，其特征在于，所述第三模型满足如下公式：

其中，

H_ΙΙΙ+T_{NΙΙΙ水平}＝N_ΙΙΙ水平；

F_ΙΙ+W_ΙΙΙ＝N_ΙΙΙ竖直+T_{NΙΙΙ竖直}；

式中：H_Ⅲ为作用在球面上的正压力合力，kPa；N_Ⅲ水平为作用在球面上水平方向的正压力合力，kPa；N_Ⅲ竖直为作用在球面上竖直方向的正压力合力，kPa；T_NⅢ水平为水平方向的摩阻力，kPa；T_NⅢ竖直为竖直方向的摩阻力，kPa；F_II为作用在局部球体顶部的竖向合力，kPa；W_Ⅲ为局部球体区域重力，N。

5.根据权利要求1所述的土压平衡盾构机开挖面主动极限支护压力设计方法，其特征在于，所述第四模型满足如下公式：

其中，

式中，H_Ⅱ为半圆台区域水平合力，kPa；K_a为主动土压力系数；为圆台母线方程。

6.根据权利要求1所述的土压平衡盾构机开挖面主动极限支护压力设计方法，其特征在于，所述开挖面主动极限支护压力满足如下公式：

其中，

S_ΙΙ+S_ΙΙΙ＝πR²；

式中：σ_T为开挖面主动极限支护压力，kPa；R为隧道半径，m；S_Ⅰ为局部球体区域投影面积，m²；S_Ⅱ为半圆台区域投影面积，m²；为关于的参数。