[发明专利]多线叠交隧道施工过程及对隧道变形影响数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明属隧道工程领域，具体涉及一种多线叠交隧道施工过程及对隧道变形影响数值模拟方法。

背景技术

随着城市化进程加快，地铁及轨道交通成为我国大城市重要的快捷便利公共交通方式。按照现有规划，到2020年我国28个城市建成运营的线路将达177条，总里程将达6100多公里。盾构法隧道在软土地区城市地下铁道、越江隧道等工程建设中得到广泛应用，然而，在实际施工中，由于地表建筑物及地下桩基、管线和既有隧道等构筑物制约，隧道施工中将不可避免地出现盾构上下叠交穿越的特殊施工工况，如：上海地铁2号线穿越地铁1号线，最小净距仅1.2m；上海地铁4号线浦东南路站～南浦大桥站区间隧道双线叠交，两条隧道的最小净距仅为2m，叠交长度约为437.7m；上海地铁11号线北段二期工程双线隧道分别从运营的地铁4号线隧道上、下方穿越，形成四线叠交的特殊工况。在这样叠交工况众多，叠交距离较长，甚至多线叠交的情况下进行隧道施工，存在极大的施工风险和安全隐患。因此，亟待针对软土地区多线叠交盾构隧道施工的影响效应，尤其是针对多线叠交隧道施工引起临近运营地铁隧道的变形影响进行理论研究，从而为地铁隧道的现场施工和后期运营提供良好咨询和建议。

目前，国内外关于叠交隧道的理论研究一般仅针对双线叠交，施工工况也仅仅局限于双线平行或垂直施工，其研究对象和叠交工况相对单一，研究机理还不够充分和深入，对于近期出现的三线甚至四线等多线叠交问题还很少研究，针对以任意角度斜交穿越的相互作用机理还没有进行系统研究，其设计和施工还无具体规范标准可循。本发明中的多线叠交隧道施工过程及对运营地铁隧道变形影响数值模拟方法，可以提供多线叠交盾构隧道穿越对周围土体以及既有隧道的变形影响机理，可以有效模拟掘进隧道与既有运营隧道呈现一定夹角进行斜交穿越施工的复杂工况。本发明对于类似多线叠交工程施工具有重要的现实指导意义，对于制定多线叠交隧道施工安全穿越技术标准以及临近既有建（构）筑物的安全保护措施也具有重要的理论参考价值。

发明内容

本发明目的在于针对既有叠交隧道的研究尚未涉及近期出现的三线甚至四线等多线叠交问题，同时针对常规数值模拟方法在模拟大角度斜交隧道施工工况时较难收敛的缺陷，提出一种适用于软土地区的多线叠交隧道施工过程及对地铁隧道变形影响数值模拟方法，从而加深对多线叠交盾构隧道施工土工环境效应的影响机理认识。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多线叠交隧道施工过程及对地铁隧道变形影响数值模拟方法，是针对软土地区多线隧道叠交施工、大角度斜向穿越施工以及超近距离既有构筑物施工的复杂工况,建立了能够同时考虑盾构推进、盾尾注浆、内衬施工等施工工况的多线叠交三维动态有限元数值模拟方法。其特征在于操作步骤和实施的技术方案如下：

第一步，确定土体基本物理力学参数并采用Drucker-Prager准则模拟土体本构关系：土体基本物理力学参数为各层土体重度、内聚力、内摩擦角、压缩模量和泊松比，通过现场原位测试结合室内试验共同确定；目前常用的土体本构关系有：Drucker-Prager准则，Mohr-Columb准则，Duncan-Chang准则以及剑桥准则等。在数值模拟计算中，Drucker-Prager准则能较好反映土体非线性特性，同时可避免其他准则屈服面在棱角处引起数值计算上的困难，从而避免奇异结果的出现。因此，本模拟方法中采用Drucker-Prager准则来模拟土体本构关系。

第二步，模拟场地初始自重应力场：在本模拟方法中，初始地应力场是随后隧道开挖模拟计算的基础，只有采用与实际相符的初始地应力场，才可能得出较为真实的解答。初始应力场通常为土体自重应力场，其在任意深度处土体竖向应力值为土体重度与该处土体深度的乘积，而该处土体水平向应力值为该处土体竖向应力值与静止土压力系数的乘积；静止土压力系数值可采用室内三轴仪测得，在原位可采用自钻式旁压仪测试得到。

第三步，模拟等代层结构：等代层是隧道周围土体扰动、隧道壁面土体向盾尾空隙的移动以及回填注浆作用的抽象概括，针对一定的地层结构条件和施工工艺，其厚度及其力学参数是一定的。等效层中的材料是土、水泥浆及土与水泥浆的混合体，其组成比例与土的性质、浆体材料和注浆压力等有关，可将等效层作为弹性材料看待，其参数包括厚度、弹性模量和泊松比。