[发明专利]富水地层基坑降水开挖诱发已建隧道力学响应的估算方法

说明书

本发明提供一种富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，包括以下步骤，对富水地层基坑降水开挖过程及邻近已建隧道的力学行为作出必要的合理化假设和简化；了解工程背景及水文地质条件，确定所需的参数的量值；计算富水地层基坑降水开挖诱发的邻近已建隧道轴线位置处的竖向有效应力增量；竖向应力和水平应力，总水平应力和总竖向应力；建立邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力和总竖向应力作用下的力学平衡微分方程；求解邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总水平应力作用下的附加水平位移轴向分布函数总竖向应力作用下的附加竖向位移轴向分布函数；求解邻近已建隧道在富水地层基坑降水开挖诱发的总应力作用下的附加内力轴向分布函数。

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，特别是涉及一种富水地层基坑降水开挖过程中可能会诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法。

背景技术

随着城市地下空间开发与利用的深入推进，紧邻已建地铁隧道的基坑工程越来越多。据统计，杭州地区邻近已建地铁隧道的基坑工程的数量已超过100，基坑开挖会不可避免地对地层造成扰动，从而改变地层中的初始应力场和位移场，若基坑工程的围护结构或施工方法不合理，可能会导致邻近已建隧道发生不均匀隆沉或管片接缝张开等，严重时甚至会影响隧道结构的营运安全和长期服役性能。例如，宁波地铁1号线某盾构区间受邻近基坑开挖影响产生累计沉降39mm，水平位移50mm，结构呈“横鸭蛋”式变形且整体向基坑方向偏移，隧道管片出现大面积破损和多处纵向贯通裂缝。因此，为保护邻近基坑的已建隧道和优化基坑围护结构形式及施工方案，需要在设计阶段预测基坑开挖对已建隧道力学响应的影响效应。

针对该问题，国内外研究者和工程师基于现场实测、理论分析、数值模拟和模型试验等手段开展了大量的研究，取得了一定的进展，例如中国专利文献CN110188413A公开了一种基坑开挖引起的旁侧盾构隧道围压变化的预测方法，根据基坑开挖的卸载模型，采用Mindlin解计算基坑开挖引起的土体附加应力，得到隧道横向附加荷载分布；提出能描述隧道横向受力位移再平衡的附加围压重分布模型，并推导得到附加围压的计算公式。又如中国发明文献CN111428304A公开了一种基坑开挖下带有抗浮锚杆盾构隧道的位移变形预测方法，明确基坑与下卧盾构隧道之间的相对位置关系及相关参数，合理建立坐标系统，由此构建计算分析模型；而后考虑盾构隧道发生纵向变形时既受弯又抗剪以及基坑土体开挖后地基参数沿隧道纵向的变化(开挖扰动效应)，将盾构隧道等效为Vlasov地基模型中的Timoshenko梁，作用于隧道处的基坑开挖卸荷作用采用Mindlin解计算，由此建立相应的力学模型，得到隧道在基坑开挖卸荷作用下的挠曲线微分方程；最后采用有限差分法计算基坑开挖引起的下卧既有盾构隧道隆起变形，该预测方法具有考虑了抗浮锚杆作用管片数、盾构隧道变形情况与真实情况接近、精确度高的特点；例如中国发明专利CN106339554B公开了一种基坑开挖引起邻近既有地铁隧道位移的计算方法，该计算方法对工程具有预测、指导作用，为今后有关基坑开挖对邻近隧道影响方面的研究提供了理论基础。中国发明专利文献CN110727985A公开了一种邻近基坑工程的既有地铁隧道竖向变形的预测方法，该预测方法基于实测数据，更符合工程需要，更适用于类似工程的方案优化和结果验证。

然而，以上研究成果大多数均没有考虑基坑降水对邻近已建隧道力学响应的影响效应，因此不适用于预测富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道的力学响应，即使考虑了降水效应，计算过程也过于复杂，其实用性和精度还有待进一步验证和讨论。众所周知，基坑降水会增大地层中的有效应力，从而对邻近隧道产生附加应力和附加变形，因此有必要在预测基坑开挖对邻近已建隧道力学响应影响效应的过程中考虑基坑降水效应。

发明内容

本发明的目的是提供一种富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的简化估算方法，通过引入Dupuit–Forchheimer模型考虑了富水地层基坑降水对邻近已建隧道力学响应的影响效应，简化估算方法理论依据合理可方便地应用于相关工程初步设计中富水地层基坑降水开挖诱发邻近已建隧道力学响应的预测。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：