[发明专利]一种考虑开挖面局部破坏的浅埋盾构隧道地层隆起极限分析方法

说明书

本发明公开了一种考虑开挖面局部破坏的浅埋盾构隧道地层隆起极限分析方法，属于盾构施工技术领域。理论模型研究主要都基于开挖面整体失稳假设，然而支护力过大引起的隧道开挖面被动破坏存在一个由局部破坏到整体失稳的渐进演化过程。已有数值模拟研究发现了开挖面局部被动失稳破坏现象。目前，整体被动失稳假设对分析局部被动破坏模式具有局限性，而对局部被动破坏的发展与失稳机理的研究较少。本方法假定土体破坏模式，提出理论模型。根据理论模型，推导理论公式。建立数值3D模型，计算局部失稳比η和极限支护力σsubgt;T/subgt;的值，并与理论模型结果进行对照。本发明提出的局部失稳模型获得的极限支撑压力更小，更接近数值模拟得到的结果。

技术领域

本发明涉及一种分析浅埋盾构隧道地层隆起极限的方法，尤其涉及一种考虑开挖面局部破坏的浅埋盾构隧道地层隆起极限分析方法，属于盾构施工技术领域。

背景技术

盾构法施工具有对城市建筑物的影响小、安全性高等优点，是城市地铁隧道建设中最常采用的施工方法之一。在盾构隧道施工中，保持开挖面的稳定是工程施工安全的基本前提。其中开挖面支护力设定是一个关乎开挖面稳定性的重要参数，支护力过小会引起开挖面前方土体发生主动破坏，支护力过大则易引起开挖面前方土体发生被动破坏。实际隧道开挖过程中，由于开挖面推力设定过高或者施工操作不当等原因导致地表隆起破坏，从而造成损失的案例时有发生，因此，对盾构隧道开挖面被动失稳的研究不可忽视。

目前国内外众多学者对隧道开挖面稳定性进行了研究，主要从三个方面展开：理论方法、模型试验法和数值模拟。但其研究成果绝大部分是关于主动破坏的研究，关于隧道开挖面被动破坏的研究则比较少。采用理论分析法研究开挖面稳定性的关键在于开挖面前方岩土体破坏模式的假定，合理的破坏模式能更加精确的确定开挖面的极限支护力。Leca和Dormieux(1990)提出用一个延伸到地表的倒锥体分析Mohr-Coulomb材料中盾构隧道开挖面被动破坏的失稳模式。Soubra(2000)在LecaDomreiux的模型基础上，将模型中的滑动块体改为由三部分组成的三维破坏机制，并给出了粘聚力相关系数N_c与地表超载相关系数N_s间的关系。之后，Soubra et al.(2008)又将破坏区域修正为由5个锥体拼接组合而成，每个锥体都存在一个顶角β和底角α参数，进一步优化了上限解的结果。李昀(2008)推导了三维楔形体模型的被动破坏极限平衡解，并得出计算被动破坏时，不考虑土拱的计算与考虑土拱的计算模型都能有效的计算出极限支护力。Mollon et al.(2010)采用空间离散化点生点技术，提出被动破坏区域在纵轴上的投影由两个对数螺旋线包围而成，这种模型在隧道前方很好的和圆形开挖面吻合。刘志(2012)通过采用假定破坏区由刚性块体组成的刚性滑块上限法(单滑块和多滑块模型)和结合有限元法的极限上限有限元法，从地表隆起破坏模式和开挖面极限支护力两个方面，分析了浅覆地铁盾构的稳定性问题。陈仁朋等(2013)研究了砂土地层下的被动破坏模式，将传统的三维楔形体极限平衡模型中的棱柱体修正为具有一定倾角的倒棱台。SENENT et al.(2013)分别在隧道掌子面和拱顶的破坏的研究中利用极限分析法和非线性的Hoek-Brown破坏准则，为研究隧道破坏模式提供了一种新的方法。张箭等(2014)和李得建等(2016)都基于非线性破坏准则和极限分析上限法推导了浅埋隧道掌子面三维被动支护力的上限表达式和最优解。极限分析法研究极限状态下破坏区域的应力场或速度场，能够考虑岩土体的本构关系，比极限平衡法的严密性更高。另外，数值模拟法(Y.LI et al；Wong K S et al.,2009；)和模型试验法(李昀,2008；Wong K S etal.,2012；)也被广泛用于开挖面被动失稳的分析中。