一種縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種建筑工程技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種縱向沉降變形引起盾 構(gòu)隧道附加內(nèi)力的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的高速發(fā)展，采用盾構(gòu)法進(jìn)行地鐵隧道建設(shè)已成為一 種常用手段。盾構(gòu)法是指使用盾構(gòu)機(jī)一邊控制開(kāi)挖面及圍巖不發(fā)生坍塌失穩(wěn)，一邊進(jìn)行隧 道掘進(jìn)、出渣，并在機(jī)內(nèi)逐環(huán)拼裝管片形成隧道襯砌的施工方法。盾構(gòu)隧道的襯砌是一種 "縱柔環(huán)剛"的結(jié)構(gòu)，在隧道施工及使用過(guò)程中，一經(jīng)擾動(dòng)極易產(chǎn)生縱向變形及沉降。隧道 縱向變形會(huì)使隧道產(chǎn)生一定的附加內(nèi)力，嚴(yán)重時(shí)將引起管片開(kāi)裂、螺栓拉裂、隧道漏水、漏 泥等，影響隧道的安全及使用壽命。然而，當(dāng)前的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往是將隧道簡(jiǎn)化為 二維模型，僅在隧道縱向上選取一些特殊橫斷面分析其內(nèi)力，隧道縱向變形引起的附加內(nèi) 力并未給予考慮。國(guó)際隧道協(xié)會(huì)（ITA)于2000在《Tunnelling and Underground Space Technology》（隧道和地下空間技術(shù)）發(fā)表的《盾構(gòu)法隧道設(shè)計(jì)指導(dǎo)》中強(qiáng)調(diào)，為了保障隧 道的長(zhǎng)期使用安全，有必要在設(shè)計(jì)之初對(duì)隧道縱向變形引起的附加內(nèi)力加以考慮。
[0003] 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，隧道縱向內(nèi)力分析常采用縱向等效化連續(xù)模型。該 模型是由日本的志波由紀(jì)夫等于1988年在《土木學(xué)會(huì)論文集》（日本土木工程學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)） 發(fā)表的- > F卜 >才、>〇耐震解析(二3長(zhǎng)手方向覆工剛性〇評(píng)價(jià)法》中提出。模型中 隧道被簡(jiǎn)化為均質(zhì)的歐拉-伯努利梁，隧道的變形為梁在彎曲作用下的撓曲變形，即管片 環(huán)一側(cè)混凝土受壓，另一側(cè)螺栓受拉，管片環(huán)繞中性軸剛度旋轉(zhuǎn)，這種變形模式稱(chēng)為彎曲變 形模式。2009年王如路在《地下工程與隧道》發(fā)表的《上海地鐵盾構(gòu)隧道縱向變形分析》中 根據(jù)隧道變形引起的滲漏及實(shí)際監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行反分析，提出隧道變形并非表現(xiàn)為管片環(huán)的 剛度旋轉(zhuǎn)，而主要是管片環(huán)間的錯(cuò)臺(tái)變形累積而成。雖然環(huán)與環(huán)之間的錯(cuò)臺(tái)量往往很小，但 逐環(huán)累積成的隧道變形量仍不容忽視，這種錯(cuò)臺(tái)變形的模式稱(chēng)為剪切變形模式。實(shí)際上，隧 道變形作為細(xì)長(zhǎng)形的圓管，其撓曲變形是存在的，而環(huán)與環(huán)之間連接螺栓的剪切剛度較小， 使得隧道的剪切變形同樣不可忽視，隧道變形應(yīng)兼具彎曲變形和剪切變形兩種模式。傳統(tǒng) 的以歐拉伯努利梁理論為基礎(chǔ)的隧道內(nèi)力分析模型無(wú)法考慮隧道的剪切變形，其得出來(lái)的 隧道內(nèi)力也與實(shí)際存在較大差異，無(wú)法為隧道縱向設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方法的不足，提供一種縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力 的確定方法，準(zhǔn)確地確定縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力，為隧道縱向設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
[0005] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明在確定隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)信息后，建立 能夠考慮剪切變形的隧道縱向鐵木辛柯梁模型，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)測(cè)出隧道變形段的沉降值， 然后采用高斯曲線對(duì)其進(jìn)行擬合，確定基于鐵木辛柯梁模型的隧道沿線沉降函數(shù)及截面轉(zhuǎn) 角函數(shù)，進(jìn)而根據(jù)隧道變形及內(nèi)力的關(guān)系確定隧道的附加內(nèi)力值。
[0006] 所述方法包括以下步驟：
[0007] 第一步、確定隧道及其構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)。
[0008] 所述的隧道及其構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)是指：隧道管片的內(nèi)、外直徑，管片環(huán)寬，管片混 凝土彈性模量、剪切模量，管片環(huán)間連接螺栓型號(hào)及個(gè)數(shù)，螺栓長(zhǎng)度，螺栓直徑，螺栓剪切模 量。
[0009] 所述的混凝土彈性模量和剪切模量可參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB50010-2010)》確定。
[0010] 所述的螺栓剪切模量可參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003)》確定。
[0011] 第二步、建立隧道縱向的鐵木辛柯梁模型，確定隧道的縱向等效彎曲剛度和等效 剪切剛度。
[0012] 所述的隧道縱向的鐵木辛柯梁模型是指：在縱向上以剛度等效的方法把由接頭和 管片環(huán)組成的隧道等效為具有相同剛度、均勻連續(xù)的鐵木辛柯梁，并賦予其等效彎曲剛度 和等效剪切剛度。
[0013] 優(yōu)選地，所述的等效彎曲剛度滿足以下公式=(EI)eq= IlEsIs
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力的確定方法，其特征在于，所述方法包括 如下步驟： 第一步、確定隧道及其構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)； 所述的隧道及其構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)是指：隧道管片的內(nèi)、外直徑，管片環(huán)寬，管片混凝土 彈性模量、剪切模量，管片環(huán)間連接螺栓型號(hào)及個(gè)數(shù)，螺栓長(zhǎng)度，螺栓直徑，螺栓剪切模量； 第二步、建立隧道縱向的鐵木辛柯梁模型，確定隧道的縱向等效彎曲剛度和等效剪切 剛度； 第三步、測(cè)出隧道各管片環(huán)的累計(jì)沉降值，建立沉降坐標(biāo)系，將隧道沉降突變段繪于坐 標(biāo)系中； 第四步、對(duì)隧道沉降突變段進(jìn)行曲線擬合，確定隧道沿線沉降函數(shù)W以及隧道沿線截 面轉(zhuǎn)角函數(shù)R 第五步、利用隧道沿線沉降函數(shù)W以及隧道沿線截面轉(zhuǎn)角函數(shù)P確定隧道沉降突變段 的附加內(nèi)力，所述的隧道沉降突變段的附加內(nèi)力是指：隧道沉降突變段的彎矩M，隧道沉降 突變段的剪力Q。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力的確定方法，其特 征在于，所述的隧道縱向的鐵木辛柯梁模型是指：在縱向上以剛度等效的方法把由接頭和 管片環(huán)組成的隧道等效為具有相同剛度、均勻連續(xù)的鐵木辛柯梁，并賦予其等效彎曲剛度 和等效剪切剛度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力的確定方法，其特 征在于，所述的等效彎曲剛度滿足以下公式：(El) eq=nESIS 其中，（EI)eq是等效彎曲剛度，n是縱向抗彎剛度有效率，取1/7 ;ES是混凝土的彈性模 量；Is是管片環(huán)截面慣性矩，滿足以下公式：Is=nr3t，式中，r為管片環(huán)的平均半徑，滿足 公式：r= 0. 25(0^00 ,式中DiS管片環(huán)外直徑,02為管片環(huán)內(nèi)直徑,t為管片環(huán)厚度，滿足 公式：t=0?5(D「D2)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力的確定方法，其特 征在于，所述的等效剪切剛度滿足以下公式：
其中，（kGA)eq是等效剪切剛度，1s是管片環(huán)寬；1b是螺栓長(zhǎng)度；n是環(huán)間連接螺栓的個(gè) 數(shù)；Gb是螺栓剪切模量;Ab是螺栓橫截面積，滿足以下公式：Ab= 0. 25Db2,式中，Db為螺栓 直徑；kb是螺栓的鐵木辛柯剪切系數(shù)，對(duì)圓形截面，kb取0. 9 ;GS是混凝土管片的剪切模量； As是管片環(huán)橫截面積，滿足以下公式：AS= 0.25^1 (D^-D/hDi為管片環(huán)外直徑，D2為管片 環(huán)內(nèi)直徑；ks是管片環(huán)的鐵木辛柯剪切系數(shù)，對(duì)圓環(huán)截面，k3取0. 5。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力的確定方法，其特 征在于，所述測(cè)出隧道各管片環(huán)的累計(jì)沉降值采用水準(zhǔn)測(cè)量法； 所述各管片環(huán)的累計(jì)沉降值是指：從管片安裝完畢開(kāi)始，隧道各管片環(huán)發(fā)生的堅(jiān)直方 向上的累計(jì)位移值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力的確定方法，其特 征在于，所述建立沉降坐標(biāo)系是指：以隧道縱向距離為橫軸，以累計(jì)沉降值為縱軸建立直角 坐標(biāo)系，將隧道沉降突變段沉降監(jiān)測(cè)值繪于該坐標(biāo)系中； 所述隧道沉降突變段是指：隧道沉降監(jiān)測(cè)中管片環(huán)發(fā)生沉降的區(qū)段。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力的確定方法，其特 征在于，所述的對(duì)隧道沉降突變段進(jìn)行曲線擬合是指：采用origin軟件自帶的高斯曲線擬 合功能對(duì)隧道沉降突變段各管片環(huán)的沉降監(jiān)測(cè)值進(jìn)行擬合； 所述的隧道沿線沉降函數(shù)w是指：對(duì)隧道沉降突變段進(jìn)行擬合所得的高斯擬合函數(shù) 式。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的一種縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力的確定 方法，其特征在于，所述的隧道沿線截面轉(zhuǎn)角函數(shù)^滿足以下公￥
其中，（EI)eq是等效彎曲剛度，（kGA)eq是等效剪切剛度，0為隧道沿線的截面轉(zhuǎn)角函 數(shù)，x為隧道橫坐標(biāo)，w為隧道沿線的沉降函數(shù)，^為w的一階導(dǎo)函數(shù)，$為p的二階導(dǎo) dx clx 函數(shù)，上述公式為二階常系數(shù)非齊次微分方程，結(jié)合邊界條件= 〇，pCk) = 〇確定，其 中，^、^分別為擬合沉降曲線斜率為零的左右兩個(gè)端點(diǎn)的橫坐標(biāo)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的一種縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力的確定 方法，其特征在于，所述的隧道沉降突變段的彎矩M滿足以下公式： M= (EI)eqK 其中：(EI)eq是等效彎曲剛度，k為中性軸的曲率，滿足以下公式：y=-$，式中， $為隧道沿線截面轉(zhuǎn)角函數(shù)P的一階導(dǎo)函數(shù)。 CIX
10. 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的一種縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力的確定 方法，其特征在于，所述的隧道沉降突變段的剪力Q滿足以下公式： Q= (kGA)eqy 其中：(kGA)eq是等效剪切剛度，Y為剪切角，滿足以下公式：爐，其中：w為隧 道沿線沉降函數(shù)，f為w的一階導(dǎo)函數(shù)，P為隧道沿線截面轉(zhuǎn)角函數(shù)。 UX
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力的確定方法，本發(fā)明在確定隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)信息后，建立能夠考慮剪切變形的隧道縱向鐵木辛柯梁模型，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)測(cè)出隧道變形段的沉降值，然后采用高斯曲線對(duì)其進(jìn)行擬合，確定基于鐵木辛柯梁模型的隧道沿線沉降函數(shù)及截面轉(zhuǎn)角函數(shù)，進(jìn)而根據(jù)隧道變形及內(nèi)力的關(guān)系確定隧道的附加內(nèi)力值。本發(fā)明利用考慮剪切變形的隧道縱向鐵木辛柯梁模型，能夠更好地反映隧道彎曲變形及剪切變形的縱向特性，從而更準(zhǔn)確確定縱向沉降變形引起盾構(gòu)隧道附加內(nèi)力值，為隧道縱向設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，便于推廣。
【IPC分類(lèi)】E21D9-06
【公開(kāi)號(hào)】CN104612700
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410784574
【發(fā)明人】吳懷娜, 沈水龍, 陳牧, 張寧
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2014年12月16日