[发明专利]一种新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形的高精度预测方法

说明书

本发明涉及隧道工程技术领域，公开了一种新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形的高精度预测方法，包括将既有盾构隧道简化为搁置于非线性Pasternak地基上的接头非连续盾构隧道模型，构建隧道管片环段纵向位移差分方程和环间接头区段纵向位移差分方程，隧道环间接头处弯矩差分方程和非接头处弯矩差分方程；盾构隧道纵向环间张开量Δ计算公式，采用牛顿迭代法进行求解分别得到盾构隧道的纵向位移、弯矩和环间接头张开角，本发明的预测方法综合考虑了隧道接头弱化作用，能够充分反映盾构隧道的结构特点，更合理的反映实际工程中盾构隧道结构的变形，进而高精度的地预测新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形，具有切实意义上的实用价值。

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形的高精度预测方法。

背景技术

随着城市化建设步伐的加快，城市轨道交通工程也得到快速发展，然而有限的城市地下空间和日益增多的地铁线路使得新建地铁隧道交叉上穿既有盾构隧道的工程情况越来越多。新建隧道开挖施工中拼装的隧道管片重量远小于挖除土体的重量，两者存在较大的重量差，这会引起下卧土层应力释放，产生卸荷效应，引发下方既有盾构隧道发生隆起变形，从而导致既有盾构隧道结构产生诸如管片破损渗水、接头张开、纵向不均匀沉降等一系列病害，严重者将导致机车脱轨等严重安全事故。因此，探究和摸清新建隧道上穿引起既有盾构隧道的变形规律，对进一步评估并减少新建隧道施工对既有盾构隧道的不利影响具有重要的现实意义。

针对既有盾构隧道在新建隧道上穿引起的纵向响应，国内外学者通过现场实测、室内模型试验、数值模拟、理论解析法等方法进行了富有成效的研究，并取得了一定的研究成果。尽管前人不断完善地基模型以充分反映隧道-地基的连续性和非线性变形特点，但依然是将盾构隧道视为等效连续梁，通过赋予梁纵向等效抗弯刚度体现了接头的作用，本质上忽略了盾构隧道环间接头的影响，这和盾构隧道的实际变形情况有一定的出入。

此外，目前关于预测既有盾构隧道在新建隧道上穿开挖下的纵向受力变形的方法大多采用等效连续梁模拟盾构隧道变形，采用Winker、Pasternak、Kerr等弹性地基模型考虑梁与土体间的相互作用。实际上，盾构隧道由于环间采用螺栓连接会使接头处刚度远低于管片，环间接头是盾构隧道的薄弱位置，而目前的预测方法基本是把盾构隧道考虑为连续的长梁，忽视了管片环间接头对整体变形弱化；且地基土变形具有非线性特点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形的高精度预测方法，能够充分反映盾构隧道的结构特点，更合理的反映实际工程中盾构隧道结构的变形，进而高精度的地预测新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明提供一种新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形的高精度预测方法，包括：

基于弹性力学Mindlin解推导建立隧道开挖引起既有盾构隧道轴线处土体纵向自由位移u(y)；

建立非连续盾构隧道计算模型：将盾构隧道沿长度方向划分为标准环单元和接头单元，其中标准环单元为将管片环简化后的Euler-Bernoulli短梁，其长度与管片环长度一致，接头单元为模拟环间接头的无长度转动弹簧；

将既有盾构隧道简化为搁置于非线性Pasternak地基上的接头非连续盾构隧道模型，并参考所述纵向自由位移u(y)分别构建：

隧道管片环段纵向位移差分方程和环间接头区段纵向位移差分方程；

隧道环间接头处弯矩差分方程和非接头处弯矩差分方程；

盾构隧道纵向环间张开量Δ计算公式；

采用有限差分法和牛顿迭代法进行求解分别得到盾构隧道的纵向位移、弯矩和纵向环间张开量Δ。