[发明专利]一种确定盾构隧道纵向弯曲刚度的分析方法

摘要

一种确定盾构隧道纵向弯曲刚度的分析方法，适用于分析不同设计条件下隧道结构的纵向弯曲刚度。在盾构隧道建设、特别是城市轨道建设领域具有广泛应用前景。本发明规避了目前计算分析中难以综合考虑盾构隧道拼装方式、横向刚度、螺栓作用等诸多因素的影响问题，获得了实际盾构纵向刚度的规律，为盾构隧道的理论解析方法或数值模拟方法中，盾构隧道刚度的取值问题提供了简便可靠的确定思路。该分析方法以实际隧道为分析对象，基于下穿既有区间隧道的结构变形监测数据进行分析，比较客观的反映了隧道的实际情况。而且实际投入较少，方便快捷。该分析方法适用于分析不受地层条件、隧道直径、管片尺寸以及连接方式的影响，适应性强。

主权项

一种确定盾构隧道纵向弯曲刚度的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)资料的收集与整理；获取计算分析所需要的监测数据及设计资料，包括获既有隧道的变形监测数据及监测方案，既有隧道与新建隧道的设计方案，新建隧道施工方案及施工进度。既有隧道变形监测点的布置以及变形监测频率与监测精度需满足规范规定要求；(2)分析新建隧道施工条件下既有隧道结构变形曲线的形态特征；对既有隧道结构变形监测数据进行分析计算，获得既有隧道结构变形监测曲线的最大沉降量S_max与沉降曲线的地层损失系数这两个典型的曲线特征指标；既有隧道沉降曲线的地层损失系数为地铁施工引起的既有线沉降槽的面积与新建隧道开挖的面积A的百分比；(3)新建隧道开挖的面积A＝πr²，r为新建隧道的开挖半径；计算既有线沉降槽的面积需要先根据既有隧道结构变形监测数据拟合得到既有线沉降槽变形曲线公式的参数，然后根据沉降槽曲线公式求沉降槽面积；新建隧道下穿施工时既有线沉降槽变形曲线用公式进行预测计算；公式中A为新建隧道开挖的面积；为既有隧道沉降曲线的地层损失系数；K^t为既有线沉降槽宽度系数；z为既有隧道中心点埋深；z₀为新建隧道中心点埋深；x为从沉降曲线中心到所计算点的水平距离；(4)从公式可知，在下穿隧道施工的影响下，既有线隧道的沉降变形曲线主要和其埋深、地层损失系数以及其自身结构刚度有关，即：也就是说，当隧道的埋深确定、地层损失系数一定时，既有线隧道的沉降变形规律仅和其自身刚度有关；(5)假定实际既有线盾构隧道的实际刚度为M，在某一个外界因素作用下下产生的实测的沉降曲线为s_Me；假定有一个等效的均匀刚度的管状隧道，其材料、厚度和实际隧道相同，其结构的原始弯曲刚度为M₀，且M₀>M；通过减小该假想隧道的刚度，即将M₀降低至η_iM₀；其中η_i为折减系数，η_i<1；则会计算得到一个假定的等效均匀隧道的沉降曲线，记为s_Equ；调整η_i，使s_Me＝s_Equ，此时M＝η_iM₀，由此获得盾构隧道的实际纵向弯曲刚度；(6)构建新建隧道施工对既有隧道影响的数值分析模型；包括地层模型与隧道结构模型；确定模型边界条件以及隧道开挖施工模拟分析步骤；(7)确定土体本构关系及模型的物理力学参数；土体的本构模型采用修正剑桥模型，地层模型参数根据新建隧道的岩土工程勘察报告进行取值；隧道结构采用均质结构单元进行模拟，物理力学参数根据材料的试验报告进行取值；(8)模拟新建隧道的开挖施工过程，计算不同开挖阶段隧道施工对既有隧道结构的变形影响；隧道开挖施工的进度模拟要与隧道变形监测时间对应的实际施工进度相对应；(9)提取计算模型中隧道结构变形监测点位置的变形数据，按照步骤(1)、(2)中所述的分析方法获得既有隧道的最大沉降量S_max和沉降曲线的地层损失系数并和相同开挖施工条件下实测曲线进行对比；(10)对比隧道变形实测与模拟计算结果，分析既有隧道最大沉降量S_max和沉降曲线地层损失系数的实测值与计算值的误差；将这两个指标的相对误差控制在10％以内；如果这两项指标的相对误差有一项超过10％，则需要通过调整既有隧道的纵向刚度折减系数η_i进行重新计算；(11)当既有隧道最大沉降量S_max和沉降曲线地层损失系数的实测值与计算值的误差均不超过10％时，认为计算得到的沉降槽曲线与实测曲线吻合较好；此时计算模型中隧道的纵向等效弯曲刚度与真实隧道的纵向弯曲刚度近似。