[发明专利]一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法及其系统

说明书

本发明公开了一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法及其系统，根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程；根据隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程，综合考虑隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数得到最小覆土厚度的计算公式；在考虑最大注浆压力条件下和不考虑注浆压力条件下，得到最小覆土层厚度取值范围，结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。

技术领域

本发明涉及覆土层厚度的确定方法，尤其涉及一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度的确定方法及其系统。

背景技术

目前，随着经济发展以及交通需求的增长，我国城市地下交通系统的建设进入高峰期，许多城市交通隧道的设计选线无法避开河道和湖泊。在盾构施工中，当盾构机穿越江、海、河和湖时，由于隧道使用线路上的限制及工程造价等原因，使得有时隧道所处位置的上覆土层较浅，如越江隧道、城市地铁隧道施工中穿越河道及湖底等情况。当上覆土层厚度小于1.0D～1.5D(D为开挖外径)时，必须对隧道上覆问题进行研究。在国内外，盾构隧道修建中遇到这一难题的工程实例也不在少数，例如：德国第4条易北河隧道直径为12.33m，最浅处土层的厚度只有7m；我国上海黄浦江复兴东路—大连路隧道最浅覆土仅为5.5m，不足盾构直径的一半；南京地铁南北一期工程，在盾构机穿越秦淮河时，河底标高距隧道顶仅为0.97m，不足隧道直径的1/6；长沙南湖路湘江公路隧道江中段最浅覆土仅为6.73m，约为盾构开挖外径的0.58倍。可以预见，越江跨海盾构隧道建设不可避免的要遇到上覆土层较浅的问题。

目前水下隧道最小覆土层厚度的确定方法主要应用于钻爆法施工的水下隧道工程中，而盾构法施工的水下隧道工程最小覆土厚度确定方法目前较少，局限性较大，且以工程经验法为主，最小覆土层厚度的确定过程中也未能考虑地层条件及施工荷载的影响，造成最小覆土层厚度计算结果偏保守，大幅增加工程造价，无法满足目前浅覆水下盾构隧道建设快速发展的需要。

发明内容

本发明目的在于提供一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度的确定方法及其系统，以解决现有浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法局限性较大，不考虑工程条件及施工环境影响的现有技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度的确定方法，包括：

步骤S1：根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程。

步骤S2：根据隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程，综合考虑隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数得到最小覆土厚度的计算公式。

步骤S3：在考虑最大注浆压力条件下和忽略注浆压力条件下的最小覆土层厚度值，得到最小覆土层厚度取值范围的大小边界值，结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。

优选地，步骤S1中，隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程为：

其中，σ、τ分别为破裂面上的法向应力与切向应力，θ为上覆土体发生剪切破坏时的破坏面与水平面的夹角，P₀为管片浮力对土柱底部的作用力，W为上覆土破裂体重力，AC为沿X轴方向夹角为θ的剪切破坏面，且y_A＝0，y_C＝h，y_A和y_C为A和C在Y轴方向的长度。

优选地，步骤S2中最小覆土厚度的计算公式：

为实现上述目的，本发明还公开了一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定系统，包括：