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专利号: 2020110651998
申请人: 浙大城市学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2025-05-22
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种新建隧道注浆环对既有盾构隧道防护效果的评估方法,其特征在于,包括:根据新建隧道和既有隧道的相对位置建立三维坐标系,在盾构体前端设置刀盘附加推力q,沿盾构体环向设置盾壳侧摩阻力f,盾构体尾部设置附加注浆压力p,建立新建隧道力学模型;

根据建立的新建隧道力学模型,考虑刀盘附加推力q、盾壳侧摩阻力f、附加注浆压力p、土体损失四个因素,并将附加注浆压力p分解为竖向附加应力p1和水平向附加应力p2,分别计算四个因素在既有隧道轴线处某点(x,y,z)产生的沿竖直方向的附加应力,经计算可得q产生的竖向附加应力σz‑q、f产生的竖向附加应力σz‑f、p1产生的竖向附加应力σz‑p1、p2产生的竖向附加应力σz‑p2、土体损失产生的附加应力σz‑s,将各个附加应力进行求和,求得因隧道开挖引起的既有隧道轴线处的总竖向附加应力σz‑k,在上述的总竖向附加应力σz‑k的基础上加上因注浆环引起的既有隧道轴线处的竖向附加应力σz‑u即可求得既有隧道所受总的竖向附加应力σz;

通过剪切错台和刚体转动协同变形模型对既有隧道的竖向位移进行计算,将最终的总竖向附加应力σz代入,即可求得既有隧道的竖向位移ω的最终计算公式,代入计算范围内的任意一点即可得到对应位置的隧道位移值ω;

根据所得的ω的大小进行评估,参照《城市轨道交通结构安全保护技术规程》中I级控制标准,若隧道位移值ω小于5mm,则为合理,反之不合理;

其中,因注浆环引起的既有隧道轴线处的竖向附加应力σz‑u的计算过程如下:新建隧道上半圆注浆环总长度L=L1+L2,新建隧道轴线埋深为H,半径为R;在注浆环内任取一计算单元dV=dξdζdη,计算单元的埋深为η;注浆环厚度为t1,由于注浆的影响,原本注浆区内的部分土体被挤出形成边缘膨胀区,边缘膨胀区厚度为Δt,最后形成的浆‑土混合体厚度为t2,体积膨胀率为Q;

对注浆环及边缘膨胀区范围内进行积分,即可求得新建隧道壁后注浆引起的周围土体沿竖直方向的变形Uz‑u及附加应力σz‑u为:σz‑u=kUz‑u                              (12)式中:a、b为变量ξ沿x轴积分上下限,c、d为变量ζ沿y轴的积分上下限,e、f为变量η沿z轴的积分上下限,下标中的1表示积分区域为注浆区,2表示积分区域为注浆区及边缘膨胀区;各积分上下限计算公式如下:a1=‑L1、b1=L2、c1=‑(R+t1)、d1=R+t1、a2=‑L1、b2=L2、c2=‑(R+t2)、d2=R+t2、

2.根据权利要求1所述的一种新建隧道注浆环对既有盾构隧道防护效果的评估方法,其特征在于,建立新建隧道力学模型,具体包括:在地面上沿着新建隧道轴线方向建立x轴,垂直于新建隧道轴线方向建立y轴,竖直向下建立z轴;新建隧道轴线位于xoz平面,上部为既有隧道,下部为新建隧道,两隧道上下重合,新建隧道轴线埋深为H,半径为R,既有隧道轴线埋深为h,半径为Rs;新建隧道前端切削面位于x=x0处,盾构体切削面上设置沿着x轴正向的刀盘附加推力q,沿盾构体环向设置盾壳侧摩阻力f,盾构体尾部设置径向的附加注浆压力p,完成新建隧道力学模型的构建。

3.根据权利要求2所述的一种新建隧道注浆环对既有盾构隧道防护效果的评估方法,其特征在于,q产生的竖向附加应力σz‑q计算过程如下:式中:R1和R2均为中间变量,具体关系为

μ为土的泊松比;r和θ分别为计算点距原点距离和所

在角度。

4.根据权利要求1所述的一种新建隧道注浆环对既有盾构隧道防护效果的评估方法,其特征在于,f产生的竖向附加应力σz‑f计算过程如下:式中:Ld为盾构机长度;R3和R4均为中间变量,具体关系为

s为积分变

量。

5.根据权利要求1所述的一种新建隧道注浆环对既有盾构隧道防护效果的评估方法,其特征在于,p产生的竖向附加应力σz‑p1和水平向的附加应力σz‑p2计算过程如下:式中:m0为盾尾注浆影响长度,R5和R6均为中间变量,具体关系为

6.根据权利要求1所述的一种新建隧道注浆环对既有盾构隧道防护效果的评估方法,其特征在于,土体损失引起的附加应力σz‑s计算过程如下:盾构掘进引起的既有隧道位置处任一点的土体竖向位移值Uz:

其中:

式中:B、λ、δ均为中间变量,k为地基基床系数,有 E0为土的变形模量,有 Es为地基土压缩模量,b为地基梁宽度,EI为隧道等效抗弯刚度,μ为土体泊松比;d为土体移动焦点到新建隧道中心点的距离;ηs为最大土体损失百分率(%),η(x)为沿x轴方向土体损失百分率变化函数;

进而得到土体损失在既有隧道轴线处产生的附加应力σz‑s为:

σz‑s=k·Uz                                                 (10)。

7.根据权利要求1所述的一种新建隧道注浆环对既有盾构隧道防护效果的评估方法,其特征在于,通过剪切错台和刚体转动协同变形模型对既有隧道的竖向位移进行计算的过程如下:盾构掘进产生的附加应力将会用于克服地层抗力、克服管片环间的剪切力、克服环间拉力而分别做功,即满足:Wσ=WR+WS+WT                             (13)式中:Wσ为附加应力做功总量,WR为克服地层抗力做功,WS为克服环间剪切力做功,WT为克服环间拉力做功,其中,式中:N为既有隧道上受到附加应力影响中心点单侧的管片环数,ks为隧道环间剪切刚度,kt为隧道环间抗拉刚度,k为地基基床系数,j为管片环刚体转动效应比例系数,Dt为管片环环宽,m和m+1为相邻两环管片环的序号,D为既有隧道直径,w(l)为既有隧道的竖向位移函数,σ(l)为总竖向附加应力沿既有隧道轴线的分布函数;l为沿既有隧道轴线方向的长度变量;

盾构隧道的竖向位移函数ω(l)为:

式中: A为位移函数中的待定系数矩阵,有A={a0,

T

a1···an} ,n为傅里叶级数的展开阶数;N为既有隧道单侧受影响管片环数,Dt为管片环环宽。