[发明专利]一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法

权利要求书

1.一种盾构掘进周围地层变形及加固范围确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立组合拱模型，确定隧道顶部位置的地层变形g；

步骤2，确定隧道上方摩擦拱高度H₂，然后根据端承拱厚度与摩擦拱的关系确定相对应的端承拱效应；

步骤3，确定端承拱初始应力、摩擦拱初始应力及隧道开挖完成后的地层应力；

步骤4，根据步骤3确定端承拱回弹变形量、摩擦拱回弹变形量；

步骤5，根据步骤4确定隧道中心线处的地层变形；

步骤6，综合所预测的地层变形及周围既有结构变形控制标准，确定土拱松动区加固范围；

所述步骤1中，隧道顶部位置的地层变形g的计算公式为：

g=G_p；

其中，G_p为盾构直径与衬砌直径差；

所述步骤2中，隧道上方摩擦拱高度H₂为：

其中，η₀为等效地层损失率，R为隧道半径，α为土体体积膨胀系数，β=45°+φ/2，φ为土体内摩擦角，k₁和b为无量纲系数；

所述步骤2中，端承拱顶部在地表以下，端承拱厚度H₁= 0.4B；根据端承拱厚度与摩擦拱的关系确定相对应的端承拱效应，其具体包括如下情况：

当C- H₂ ≤ 0时，C₁ = 0且H₁ = 0，此时不考虑端承拱效应；

当0 C- H₂ ≤ 0.4B时, H₁ = C - H₂且C₁ = 0，此时部分考虑端承拱效应；

当C- H₂ 0.4B时, H₁ = 0.4B且 C₁ = C - H₂ - 0.4B，此时完全考虑端承拱效应；

其中，C₁为端承拱顶部距地表高度；B为摩擦拱宽度；H₁为端承拱厚度；H₂为摩擦拱高度，C为隧道顶部至地表距离；

所述步骤3中，端承拱初始应力为：

其中，σ_r为端承拱内土体径向应力，σ_θ为端承拱内土体切向应力，K_P为朗肯被动土压力系数，C₁为端承拱顶部距地表高度，B为摩擦拱宽度，H₁为端承拱厚度，r是极坐标值，γ为土体重度，φ为土体内摩擦角；

所述步骤3中，摩擦拱初始应力包括摩擦拱顶部作用应力和摩擦拱平均竖向应力；

所述摩擦拱顶部作用应力为：

所述摩擦拱平均竖向应力为：

其中，K_av为平均侧向土压力系数，其公式为：

其中，K_a为朗肯主动土压力系数，θ₀=π/4+φ/2，φ为土体内摩擦角，C₁为端承拱顶部距地表高度，K_P为朗肯被动土压力系数，B为摩擦拱宽度，H₁为端承拱厚度；H₂为摩擦拱高度，γ为土体重度；z₂表示纵坐标；

竖向土压力分布系数，其公式为：

摩擦拱区域竖向土压力为：

摩擦拱区域水平土压力为：

卸载回弹模量为：

其中，E_ur为卸载回弹模量，为参考卸载回弹模量，σ'₃为小主应力,所述小主应力由端承拱及摩擦拱区域应力计算公式计算得出，p^ref为刚度参考应力；m为刚度应力水平相关幂指数，m_x为竖向土压力分布系数，c为土体粘聚力；

所述步骤4中，端承拱回弹变形量为：

其中，r_bi及r_ti分别为端承拱i层土的底部及顶部坐标值，为端承拱i层土的卸载回弹模量，为端承拱初始竖向应力，为端承拱初始水平应力，为隧道开挖后端承拱竖向应力，C₁为端承拱顶部距地表高度，H₁为端承拱厚度，B为摩擦拱宽度，μ为土体泊松比，为隧道开挖后端承拱内水平应力，K_P为朗肯被动土压力系数，K₀为静止土压力系数，γ为土体重度。