空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形預測方法與流程

本發(fā)明屬于隧道工程，具體涉及一種空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形預測方法。

背景技術：

1、盾構施工具有對城市地面交通干擾小、施工周期短、適應復雜多變的地下環(huán)境等優(yōu)點。是目前城市隧道的首選施工方法。隨著地下空間的不斷開發(fā)和對隧道選型要求的進一步提高，越來越多的空間弧形盾構隧道被設計和施工?？臻g線盾構隧道的施工難度較大，對地面的影響也較為復雜。為了保證盾構機按照預定的空間軸線進行掘進，對盾構機的姿態(tài)控制要求也比較高。這些都是空間線盾構施工中的主要問題。

2、盾構施工過程中會對土體沉降產生影響的主要因素為土體損失和施工荷載，土體損失主要來源于盾尾整合間隙，在小半徑轉彎區(qū)段還存在超挖間隙；影響較大的施工荷載有：正面附加推力、盾殼對土體的軸向摩擦力和盾尾的注漿壓力。

3、針對正面附加推力，需要一種空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形預測方法。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的是根據上述現有技術的不足之處，提供一種空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形預測方法，通過分析水平偏航、豎直俯仰和曲率半徑改變對異常掘進段的終止面的影響，進而得到盾構開挖面推力各分力作用在掌子面上導致的豎向土體損失，實現了對空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形的預測，為實際隧道施工提供了參考。

2、本發(fā)明目的實現由以下技術方案完成：

3、一種空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形預測方法，所述預測方法包括以下步驟：

4、s1：建立空間直角坐標系，并根據盾構機的掘進姿態(tài)構建空間曲線盾構隧道計算模型；

5、其中，所述空間直角坐標系中的坐標原點o、x軸和y軸均位于地表，而z軸豎直向下；

6、假定所述盾構機位于地下h深度，始發(fā)于y軸負半軸部分，以曲率半徑q向右轉彎掘進；所述盾構機掘進至xoz面，此時發(fā)生水平偏航、豎直俯仰和曲率半徑改變，所述盾構機從正常掘進段進入異常掘進段；

7、s2：分析水平偏航、豎直俯仰和曲率半徑改變對異常掘進段的終止面的影響，確定異常掘進段的終止面圓心坐標c＝(a,b,c)與開挖面方向向量并獲得圓面空間參數方程；

8、其中，終止面圓心坐標c＝(a,b,c)為：

9、

10、式中，qyaw為盾構機在異常掘進段掘進過程中的曲率半徑，α為盾構機的偏航角，θs為盾構機在異常掘進段掘進過程中的轉動角度，β為盾構機的俯仰角；

11、開挖面方向向量為：

12、

13、圓面空間參數方程為：

14、

15、式中，r為點(x,y,z)與點(x0,y0,z0)的距離，點(x0,y0,z0)為集中力f的作用點(0,0,c)的修改坐標；t為圓面弧度；

16、s3：根據掌子面方向向量將盾構開挖面推力f1進行分解，得到盾構開挖面推力f1各分力作用在掌子面上導致的豎向土體損失wat；

17、其中，掌子面方向向量將盾構開挖面推力f1分解為：

18、

19、式中，f1x、f1y和f1z表示f1在x、y和z方向上的分力；

20、盾構開挖面推力f1各分力作用在掌子面上導致的豎向土體損失wat：

21、

22、式中：

23、ωx為x軸方向上的超挖層厚度，ωy為y軸方向上的超挖層厚度，ωz為z軸方向上的超挖層厚度；

24、

25、水平偏航后終止面圓心的位置變化如下：

26、水平偏航僅影響終止面圓心的x、y的取值；已知預定圓心c的坐標為(q·cosθs,q·sinθs,h)，取點o'＝(0,0,h)，則繞z軸旋轉α的角度，旋轉后的向量為水平偏航后異常掘進段的旋轉軸心點為p＝(q-q·cosα,q·sinα,h)，將的起點平移至p點，水平偏航后終止面圓心位置為(q-q·cosα+q·cos(θs-α),q·sinα+q·sin(θs-α),h)。

27、豎直俯仰后終止面圓心的位置變化如下：

28、水平俯仰僅會導致終止面圓心在豎直方向上變化；在異常掘進段，盾構機發(fā)生了β的俯仰，每繞旋轉軸旋轉θs，即向前掘進θs·q的距離，會導致終止面圓心在豎直方向上變化θs·q·sinβ。

29、曲率半徑改變后終止面圓心的位置變化如下：

30、曲率半徑改變僅影響終止面圓心的x、y的取值；當曲率半徑發(fā)生改變時，將曲率半徑改變后的終止面圓心平移至原點，計算旋轉θs后的終止面圓心到達點位，將終止面圓心還原，可得曲率半徑改變后的終止面圓心坐標為(qyaw·cosθs+q-qyaw,qyaw·sinθs,h)。

31、當水平偏航和曲率半徑改變同時發(fā)生時，終止面圓心的位置變化如下：

32、將曲率半徑改變后的旋轉軸平移至原點，再計算旋轉θs后的終止面圓心到達點位，此時的曲率半徑改變后的終止面圓心為i，i的具體坐標為(qyaw·cosθs,qyaw·sinθs,h)，則繞z軸旋轉α角度，旋轉后的向量為

33、水平偏航后的旋轉軸心點為p'＝(qyaw-qyaw·cosα,qyaw·sinα,h)，則水平偏航后的終止面圓心的坐標位置為：

34、(qyaw-qyaw·cosα+qyaw·cos(θs-α),qyaw·sinα+qyaw·sin(θs-α),h)；

35、將水平偏航后的終止面圓心平移至原點，則平移至原點后的終止面圓心坐標為：

36、(qyaw-qyaw·cosα+qyaw·cos(θs-α)+q-qyaw,qyaw·sinα+qyaw·sin(θs-α),h)。

37、ωx、ωy和ωz為經典mindlin位移解的改寫，即將集中力f的作用點(0,0,c)修改為任意點(x0,y0,z0)，得到作用在半無限彈性體內的任意一點(x0,y0,z0)，沿x，y和z軸正方向的單位力時，引起土體內某點(x,y,z)的豎向位移計算公式：

38、

39、

40、式中，g為剪切彈性模量，μ為泊松比，r為點(x,y,z)與點(x0,y0,z0)的距離，為點(x,y,z)與點(x0，y0，–z0)的距離。

41、本發(fā)明的優(yōu)點是：通過分析水平偏航、豎直俯仰和曲率半徑改變對異常掘進段的終止面的影響，進而得到盾構開挖面推力各分力作用在掌子面上導致的豎向土體損失，實現了對空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形的預測，為實際隧道施工提供了參考。

技術特征：

1.一種空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形預測方法，其特征在于所述預測方法包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形預測方法，其特征在于水平偏航后終止面圓心的位置變化如下：

3.根據權利要求1所述的一種空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形預測方法，其特征在于豎直俯仰后終止面圓心的位置變化如下：

4.根據權利要求2所述的一種空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形預測方法，其特征在于曲率半徑改變后終止面圓心的位置變化如下：

5.根據權利要求4所述的一種空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形預測方法，其特征在于當水平偏航和曲率半徑改變同時發(fā)生時，終止面圓心的位置變化如下：

6.根據權利要求1所述的一種空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形預測方法，其特征在于ωx、ωy和ωz為經典mindlin位移解的改寫，即將集中力f的作用點(0,0,c)修改為任意點(x0,y0,z0)，得到作用在半無限彈性體內的任意一點(x0,y0,z0)，沿x，y和z軸正方向的單位力時，引起土體內某點(x,y,z)的豎向位移計算公式：

技術總結
本發(fā)明公開了一種空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形預測方法，包括以下步驟：S1：建立空間直角坐標系，并根據盾構機的掘進姿態(tài)構建空間曲線盾構隧道計算模型；S2：分析水平偏航、豎直俯仰和曲率半徑改變對異常掘進段的終止面的影響，確定異常掘進段的終止面圓心坐標C＝(a,b,c)與開挖面方向向量并獲得圓面空間參數方程；S3：根據掌子面方向向量將盾構開挖面推力f<subgt;1</subgt;進行分解，得到盾構開挖面推力f<subgt;1</subgt;各分力作用在掌子面上導致的豎向土體損失W<subgt;AT</subgt;。本發(fā)明的優(yōu)點為：實現了對空間曲線盾構開挖面推力引起的土體豎向變形的預測，為實際隧道施工提供了參考。

技術研發(fā)人員：雷升祥,黃昌富,李少華,代敬輝,丁正全,劉中欣,姚鐵軍,李鳳偉,欒煥強
受保護的技術使用者：中鐵十五局集團有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/30