[发明专利]一种不同埋深砂土盾构隧道开挖面极限支护力的计算方法

权利要求书

1.一种不同埋深砂土盾构隧道开挖面极限支护力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1根据隧道埋深、开挖尺寸设计参数假定开挖面的破坏模式，提出不同埋深下开挖面失稳的理论模型：

假定土体均质、各向同性，满足摩尔库伦屈服准则；当开挖面发生失稳破坏时，土体塌陷区扩展到地表，此时为浅埋隧道；浅埋盾构隧道破坏区轮廓由区域①和区域②两部分构成，其中区域①为圆柱体筒仓三维塌陷区，所述的筒仓塌陷区下表面与区域②楔形体上表面相连；区域②为开挖面前方的楔形体，主要为沿隧道内部的水平位移；

当开挖面发生失稳破坏时，土体塌陷区无法扩展到地表，此时隧道可能处于过渡区或深埋区；过渡区与深埋区的区别在于：过渡区仅形成了部分土拱效应，即三维塌陷区顶部与地表之间的土体均形成了土拱效应；而深埋区形成了完整的土拱效应，即三维塌陷区顶部以上形成了一定高度的土拱，土拱顶部与地表之间的土体处于初始未扰动状态；

过渡区和深埋区盾构隧道破坏区轮廓均由区域①、区域②和区域③三部分构成，其中区域①为圆柱体筒仓三维塌陷区与土拱之间的三维拱形塌陷区，所述的拱形塌陷区下表面与圆柱体筒仓塌陷区上表面相连；所述的土拱形状为合理拱轴线，即形状为抛物线型；区域②为圆柱体筒仓三维塌陷区，所述的筒仓塌陷区下表面与区域③楔形体上表面相连；区域③为开挖面前方的楔形体，为沿隧道内部的水平位移；

S2理论推导过程如下：

浅埋区：

所述的区域①圆柱体筒仓三维塌陷区作用在所述的区域②楔形体上表面的压应力q₃为：

其中：r为区域①圆柱体筒仓的半径，γ为单位体积土体自重，为土体内摩擦角，K^l为圆柱体筒仓区的侧压力系数，H₃为圆柱体筒仓区高度；

开挖面极限支护均布压应力σ_T的表达式为：

BL＝πr²

其中：D为隧道直径，B为区域②楔形体竖直直角边，B大小为与隧道开挖面面积相同正方形的边长，β为区域②楔形体与水平面的夹角，也称为开挖面破裂角，L为区域②楔形体水平直角边，L大小通过所述的B和β来确定；

过渡区：

所述的土拱传递荷载机制如下所述：

假定土拱为合理拱轴线型，所述的土拱作用在区域①三维拱形塌陷区上表面的压应力q₁为：

C＝H₁+H₂+H₃

H₃＝2L

其中：C为隧道埋深，γ为单位体积土体自重，H₁为土拱高度，H₂为合理拱轴线的拱高，H₃为圆柱体筒仓区高度，K₀为静止土压力系数，K^l为圆柱体筒仓区的侧压力系数，L为区域③楔形体水平直角边，L的大小通过所述的B和β来确定，n为将高为H₁的土拱平均为成n份高为H₁/n的土拱，K_i为第i份土拱的水平侧压力系数；

所述的区域①三维拱形塌陷区作用在所述的区域②圆柱体筒仓三维塌陷区上表面的压应力q₂为：

所述的区域②圆柱体筒仓三维塌陷区作用在所述的区域③楔形体上表面的压应力q₃为：

其中：e为自然常数，大小为2.7183；

开挖面极限支护均布压应力σ_T的表达式为：

BL＝πr²

其中：D为隧道直径，B为区域②楔形体竖直直角边，B大小为与隧道开挖面面积相同正方形的边长，β为区域②楔形体与水平面的夹角，也称为开挖面破裂角，L为区域②楔形体水平直角边，L大小可通过所述的B和β来确定；

深埋区：

所述的土拱以上未扰动土体作用在土拱上表面的均布荷载q₀为：

q₀＝(C-H₁-H₂-H₃)γ

所述的土拱传递荷载机制如下所述：

假定土拱为合理拱轴线型，所述的土拱作用在区域①三维拱形塌陷区上表面的压应力q₁为：

H₃＝2L

H₁＝L

其中：C为隧道埋深，γ为单位体积土体自重，H₁为土拱高度，H₂为合理拱轴线的拱高，H₃为圆柱体筒仓区高度，K₀为静止土压力系数，K^l为圆柱体筒仓区的侧压力系数，L为区域③楔形体水平直角边，L大小通过所述的B和β来确定，n为将高为H₁的土拱平均分成n份高为H₁/n的土拱，K_i为第i份土拱的水平侧压力系数；

所述的区域①三维拱形塌陷区作用在所述的区域②圆柱体筒仓三维塌陷区上表面的压应力q₂为：

所述的区域②圆柱体筒仓三维塌陷区作用在所述的区域③楔形体上表面的压应力q₃为：

开挖面极限支护均布压应力σ_T的表达式为：

BL＝πr²

其中：D为隧道直径，B为区域②楔形体竖直直角边，B大小为与隧道开挖面面积相同正方形的边长，β为区域②楔形体与水平面的夹角，也称为开挖面破裂角，L为区域②楔形体水平直角边，L大小通过所述的B和β来确定。