[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

说明书

本发明提供一种土压平衡盾构机开挖面主动极限支护压力设计方法，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；步骤三、建立叠加后成层土间的竖向土压力的第二模型；步骤四、建立局部球体区域水平方向的合力的第三模型；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；步骤六、通过将第三模型和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。本发明能够获得比较符合实际的盾构土舱压力，在理论及工程应用领域具有较高的指导意义。

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，具体而言，尤其涉及一种适用于砂土环境下土压平衡盾构机开挖面主动极限支护压力设计方法，该方法用于盾构机土舱压力设定。

背景技术

土压平衡盾构机是隧道盾构法施工最常用的盾构机之一，刀盘上的刀具通过旋转切削下来的渣土通过刀盘上的开口进入密闭土舱内，与渣土改良剂搅拌混合充满密闭土舱和螺旋输送机内的空间。盾构千斤顶的推力通过承压隔板传递到密闭土舱的开挖土体上，再转化为开挖土体的压力作用于盾构开挖面，从而达到平衡开挖面处的水平土压力和水压力，保证开挖面的稳定。

土舱压力是盾构施工过程中维持开挖面稳定最关键的参数，其反映了开挖面支护压力的水平，其中开挖面支护压力过大易造成地表隆起，而过小易造成地表塌陷。通过盾构施工的以往工程事故来看，有很大一部分是由于盾构的开挖面支护压力不足，导致地表塌陷造成严重的人员财产损失，所以，准确获得开挖面主动极限支护压力能够预判出盾构开挖面发生破坏的临界点，为土舱压力的设定范围提供依据。

一般的盾构机密闭土舱主要分为5个区，分别为上(占1/4)、左中(占1/4)、右中(占1/4)、左下(占1/8)、右下(占1/8)，就土舱压力的监控而言，在实际工程中重点针对上部土舱压力，结合实际监控过程，对此情况得到的解释是：对于维护开挖面土压力平衡的渣土，在土舱内属于一个动态平衡的状态，在落入土舱期间，由于重力作用的影响，导致土舱内的渣土出现下部密实上部松散的情况，这就很容易造成土舱内平衡土压力提供不足的现象，所以重点监控上部土舱压力，并及时采取保压措施。

目前针对开挖面支护压力的理论分析主要分为两大类，第一类是极限分析法，虽然该研究模型比较吻合盾构圆形开挖面破坏区的外形，但是由于其分析方法复杂，从而实用性不高；第二类分析方法是极限平衡法，由于其分析模型简单得到了较为广泛的应用，其代表性是Horn基于Janssen的筒仓理论提出的楔形体计算模型。Anagnostou，Broere，魏纲等众多学者根据不同土层对该楔形体计算模型进行了修正，但在进行楔形体模型分析时对开挖面实际的破坏区形状以及影响楔形体模型支护压力计算的因素研究不够，所以对开挖面主动极限支护压力估计值过高。目前采用的盾构土舱压力理论设计方法应用在盾构机掘进施工时，普遍出现支护压力过大的情况，加大了盾构机的设备损耗。因此，有必要提供一种新的设计方法以解决难以准确获得开挖面主动极限支护压力进而预判出盾构开挖面发生破坏的临界点的问题，避免出现支护压力过大导致加大盾构机设备损耗的情况。

发明内容

根据上述提出的现有技术中采用的盾构土舱压力理论设计方法难以准确获得开挖面主动极限支护压力进而预判出盾构开挖面发生破坏的临界点的技术问题，而提供一种土压平衡盾构机开挖面主动极限支护压力设计方法。本发明主要利用将建立的第一模型、第二模型、第三模型和第四模型进行组合，从而确定开挖面主动极限支护压力。

本发明采用的技术手段如下：

一种土压平衡盾构机开挖面主动极限支护压力设计方法，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；