一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移预测方法

土层或岩石的钻进;采矿的设备制造及其应用技术1.本发明属于岩土工程领域，特别涉及一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移预测方法，适用于上软下硬的土岩复合地层，用于计算盾构隧道施工引起的地表及地下土体位移值。背景技术：2.盾构在我国应用广泛，正向着大直径、大埋深、复合地层等更复杂的工程发展。近年来，国内出现了越来越多在上软下硬土岩复合地层中掘进的盾构工程，盾构在该类地层掘进时极易造成上部软土超挖，引起较大地表沉降。因此，针对盾构在上软下硬土岩复合地层中掘进引起的土体位移及地表沉降问题展开研究具备工程意义。3.针对上软下硬地层中掘进引起的土体变形问题，目前常见的方法包括经验法、解析(半解析)法、数值模拟、室内模型试验，其中以数值模拟为主。针对经验法，大多数的工作主要集中在根据实测数据进行反分析，从而对经典的peck公式进行修正，起到预测地表沉降的目的，该方法依托于单个工程进行分析研究，更多适用于该工程所在地区，缺乏普遍性，难以直接应用于其他地区工程中。数值模拟法的精度很大程度上取决于建模水平、边界条件以及参数的选取，精确度无法得到有效保证。室内模型试验无法避免缩尺寸效应的影响，且对外界扰动较为敏感，精度无法得到保障，另一方面，模型试验需根据试验要求定制试验模型，需花费大量的时间、精力及成本。而解析法(半解析)法采用等效土体损失参数g的概念，可有效分析不同工程中隧道施工引起的地表沉降规律，适用范围广，但目前大多针对均质地层，针对土岩复合地层的研究较少，因此有必要提出一种适用于上软下硬土岩复合地层中隧道施工引起的土体位移预测方法。4.综上所述，经验法、数值模拟、室内模型试验三种方法存在着不少缺点，而解析(半解析)法目前大多针对均质地层，目前还没有一种盾构在复合地层中施工引起的土体位移预测方法，因此有必要提出一种有效的研究方法。技术实现要素：5.本发明的目的是提供一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移预测方法，以解决现有经验法适用性低、数值模拟精度难以控制、室内模型试验需花费大量时间、精力、成本的问题。6.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：7.一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移预测方法，包括：8.收集相关工程地层参数、盾构隧道设计参数，建立盾构隧道、上部层状覆土和下部硬岩三者之间的三维计算模型，确定计算面x0，计算深度z0、计算半径l，将计算面x0前后各l的范围作为计算范围，在计算范围内找出土岩交界面rsi面坡度α角，隧道坡度θ角变化的位置，并在α角、θ角变化处将计算范围切割成n段，得到各段的tanα和tanθ值；9.利用开挖面收敛模式参数γ、开挖断面p和收敛后断面q的埋深h1、h2来表示实际工程中隧道开挖面的收敛模式；10.计算几何间隙gp、土体三维弹塑性变形u*3d和基于盾构偏心率κ计算考虑盾构施工纠偏、超挖而产生的径向间隙ω，将三个部分累加并结合注浆填充率δ进行修正得到等效土体损失参数g；11.根据计算面x0处的地层分布及土体参数，得到计算深度z0的主要影响角正切值tanβi′。12.基于随机介质理论，已知某个断面的地表土体位移实测数据，根据该断面的相关参数通过将计算范围内各段盾构开挖引起的在不同方向的地表位移分别进行叠加，获得地表土体任意一点位移计算值，然后将计算值与实测数据进行拟合，通过不断调整计算参数和反复拟合，确定注浆填充率δ、盾构偏心率κ、开挖面收敛模式参数γ，再通过调整盾构偏心率κ的方式对同一工程位于计算面x0、计算深度z0处的土体位移值进行预测。13.进一步地，收集相关工程地层参数、盾构隧道设计参数，建立盾构隧道、上部层状覆土和下部硬岩三者之间的三维计算模型，具体为：14.收集相关工程地层参数、盾构隧道设计参数，建立三维坐标系，其中，隧道轴线位于xoz平面上，开挖断面埋深为h1，掘进方向沿着x轴正向，与水平呈θ角；隧道上部存在多个层状地层，且隧道在掘进方向穿越上软下硬的土岩复合地层，开挖面上部为软土层，下部为硬岩层；将rsi面简化为折线段，与水平呈α角，埋深为h3，完成三维计算模型的建立。15.进一步地，利用开挖面收敛模式参数γ、开挖断面p和收敛后断面q的埋深h1、h2来表示实际工程中隧道开挖面的收敛模式，具体如下：[0016][0017]式中：γ的取值范围为[-1,1]，g表示等效土体损失参数。[0018]进一步地，等效土体损失参数g表示如下：[0019][0020]进一步地，根据计算面x0处的地层分布及土体参数，得到计算深度z0的主要影响角正切值tanβi′，表示如下：[0021][0022]式中：hi’为计算深度z0距地层i底部的高度，计算深度z0位于地层i(1≤i≤n)中，ki、为从上至下第i层地层的沉降槽宽度系数及土体内摩擦角，有h为土损发生区域中心的埋深，n为地层数量。[0023]进一步地，将计算范围内各段盾构开挖引起的在不同方向的地表位移分别进行叠加，获得地表土体位移计算值，具体如下：[0024][0025][0026][0027]式中：b1、a1和b2、a2分别为收敛前后沿z轴的积分上下限，d1、c1和d2、c2分别为收敛前后沿y轴的积分上下限，fj、ej(1≤j≤n)分别为各小段的上下限，满足：a1＝h3、b1＝h1-rd、a2＝h3、b2＝h2-(rd-0.5g)、.5g)、tanβi′为深度z0处的主要影响角正切值，h3为rsi面埋深，h1为开挖断面埋深，h2收敛后断面的埋深，rd为开挖面半径，ξ、ζ、η分别表示计算单元在x轴、y轴、z轴上的坐标值，取值范围对应土体损失发生区v的边界值；x、y、z分别表示任意一点(x,y,z)的坐标值。[0028]根据以上技术方案，本发明的有益效果是：[0029](1)本发明预测方法所得结果与实测数据较为吻合，准确性较高，可以用于计算上软下硬土岩复合地层中盾构施工引起的土体位移值。[0030](2)本发明在建立计算模型时，考虑了rsi面沿盾构掘进方向不断起伏，开挖断面内的土岩比例不断变化的情况，考虑了隧道开挖面上部存在多个覆土层的情况，考虑了盾构掘进方向存在一定的坡度，且坡度会发生变化的情况，从而使建立的力学模型与实际工程情况更加贴合，使得计算结果更加准确。[0031](3)本发明适用性广，可用于不同的上软下硬土岩复合地层工程，计算过程中只需获得相关的工程资料，通过少数断面的地表实测数据对计算参数进行反分析确定后，即可对更多断面的地表及地下土体位移值进行估算，便于盾构施工过程中，对未开挖断面的地表及地下土体位移值进行预测，对土体位移值较大的断面进行风险提示，从而提前进行土体加固措施或调整盾构施工方案，减少盾构开挖的影响。[0032](4)本工程所有的计算步骤均可通过matlab程序编程实现，计算不同断面，不同深度，甚至不同工程土体位移值时，只需修改相关参数即可完成计算，方便实用，较为高效。附图说明[0033]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：[0034]图1为本发明实施例提供的预测方法的流程图；[0035]图2为本发明实施例提供的计算模型图；[0036]图3为盾构开挖面收敛示意图；[0037]图4为三种典型隧道开挖面收敛模式；[0038]图5为盾构机偏心示意图；[0039]图6为盾构偏心超挖示意图；[0040]图7为盾构超挖区域示意图；[0041]图8为地层主要影响角(β)的传递示意图；[0042]图9为单元开挖示意图；[0043]图10为案例一(广州某地下综合管廊)工程计算简图及可靠性验证图；[0044]图11为案例二(佛莞城际铁路)工程计算简图及可靠性验证图；[0045]图12为案例三(深圳地铁7号线)工程计算简图及可靠性验证图。[0046]图13为不同硬岩比(b)工况下横向地表沉降值对比图；[0047]图14为不同硬岩比(b)工况下纵向地表沉降值对比。[0048]附图标记说明：隧道1；软土层2；硬岩层3；上覆层状地层4；设计开挖边界5；实际开挖边界6；超挖区域7。具体实施方式[0049]下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。[0050]如图1所示，本发明实施例提供一种土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移预测方法，包括如下步骤：[0051]步骤s101，根据工程地层特点及盾构隧道特点建立三维坐标系，建立计算模型，获得地层参数和盾构隧道设计参数。根据建立的计算模型，确定计算面x0，计算深度z0、计算半径l，将计算面x0前后各l的范围作为计算范围，在计算范围内找出rsi面坡度α角，隧道坡度θ角变化的位置，在α角、θ角变化处将计算范围切割成n段，得到各段的tanα和tanθ值。[0052]步骤s102，利用开挖面收敛模式参数γ、开挖断面p和收敛后断面q的埋深h1、h2来表示实际工程中隧道开挖面的收敛模式。[0053]步骤s103，分别计算几何间隙gp、土体三维弹塑性变形u*3d和考虑盾构施工纠偏、超挖而产生的径向间隙ω，将三个部分累加并即可得到等效土体损失参数g。[0054]步骤s104，根据计算面x0处的地层分布及土体参数，得到计算深度z0的主要影响角正切值tanβi′。[0055]步骤s105，基于随机介质理论，已知某个断面的地表实测数据，根据该断面的相关参数通过上述方法进行地表位移值的计算，然后将计算值与实测数据进行拟合，通过不断调整计算参数和反复拟合，确定注浆填充率δ、盾构偏心率κ、开挖面收敛模式参数γ，再通过调整盾构偏心率κ的方式对同一工程位于计算面x0、计算深度z0处的土体位移值进行计算。[0056]步骤s106，根据计算得到的各个断面土体位移值，指导现场施工，便于及时采取控制措施控制土体位移，优化施工参数。[0057]在研究之前首先作如下假设：(1)沿y轴方向的地层为水平层状地层，每一层土质均质连续，各向同性；(2)盾构开挖引起的土体损失集中在软土层，下部硬岩层不产生变形，开挖形成的空隙将全部由注浆填充。[0058]具体的，所述步骤s101具体如下：[0059]收集相关工程地层参数、盾构隧道设计参数，建立三维坐标系，如图2(a)所示，隧道轴线位于xoz平面上，开挖断面埋深为h1，掘进方向沿着x轴正向，与水平呈θ角，隧道上部存在多个层状地层，且隧道在x1～x4之间穿越上软下硬的土岩复合地层，开挖面上部为软土层，下部为硬岩层。由图2(b)可知，将rsi面简化为折线段，与水平呈α角，埋深为h3；完成三维计算模型的建立。确定计算面x0，计算深度z0、计算半径l，将计算面x0前后各l的范围作为计算范围，在计算范围内找出rsi面坡度α角，隧道坡度θ角变化的位置，并在α角、θ角变化处将计算范围切割成n段，得到各段的tanα和tanθ值。图中，隧道在x1～x4之间穿越土岩复合地层，在该范围内，α角在x＝x2处发生变化，θ角在x＝x3处发生变化，共分成4段。[0060]如图3所示，大圆表示开挖断面p，直径为dd，中心o1埋深为h1；小圆表示收敛后断面q，中心o2埋深为h2，由于沿y轴方向每一层的土质均匀，中心o1和o2仅发生z方向的偏移。开挖面内分两层，rsi面上部为软土层，下部为硬岩层，阴影表示硬岩层注浆填充部分。[0061]所述地层参数包括各地层厚度hi，内摩擦角土岩交界面(rsi面)埋深h3，盾构隧道设计参数包括开挖断面直径dd、隧道管片外径d、开挖断面埋深h1、盾构机主机长度l。[0062]上部参数进一步解释如下：[0063]x轴沿着隧道轴线方向，单位符号为m；[0064]y轴与隧道轴线方向水平垂直，盾构中轴线竖直投影与x轴重合，则y坐标为距离盾构轴线的水平距离，单位符号为m；[0065]z轴沿着竖直方向，z坐标为地表以下的深度，单位符号为m；[0066]h1、h2、h3分别为盾构开挖断面p中心o1的埋深(也即隧道轴线埋深)、收敛后断面q中心o2的埋深、土岩交界面(rsi面)的埋深，单位符号为m；[0067]dd为开挖断面直径，单位符号为m；[0068]α角、θ角分别为rsi面坡度角和隧道坡度角，单位符号为度(°)；[0069]具体的，所述步骤s102具体如下：[0070]如图4所示，基于随机介质理论，上部地层土体损失体积应等于盾构开挖断面收敛体积与硬岩层注浆填充体积之差，即等于开挖面在软土层中的收敛体积。为了准确计算隧道开挖引起的上部土体位移，需对开挖面收敛模式进行确定。经研究，盾构隧道开挖面上部软土的收敛模式包含以下三种典型模式：(1)等量收敛模式：收敛前后中心位置不发生变化，如图4(a)所示，g为等效土体损失参数(单位符号为m)；(2)底部相切非等量径向收敛模式：收敛后断面沉至开挖面底部，如图4(b)；(3)顶部相切非等量径向收敛模式：收敛后断面上浮至开挖面顶部，如图4(c)所示。盾构在上软下硬土岩复合地层中掘进过程中，盾构有着向软土层偏移的特性，使得掘进姿态难以控制，出现上偏；同时，下部硬岩开挖后闭合较慢，主要靠浆液填充，浆液长时间处于一种流动状态，会对包裹的管片产生浮力，从而使管片有向上的位移现象。在实际工程中，由于管片自身重力的影响，开挖面的收敛模式将并非局限于以上三种。本发明中，为了准确表示隧道可能出现的收敛模式，引入开挖面收敛模式参数γ，则开挖断面p和收敛后断面q的埋深h1、h2满足：[0071][0072]式中：γ的取值范围为[-1,1]，当γ＝0、1、-1时，分别对应图4(a)、图4(b)、图4(c)的开挖面收敛模式；在全断面软土地层中开挖时，开挖面收敛模式接近于图4(b)所示模式，取γ＝1；随开挖面内硬岩占比增大，收敛后断面出现上浮趋势，极限状态对应图4(c)所示模式，取γ＝-1，实际工程中γ取值可根据地表沉降数据进行反推。[0073]具体的，所述步骤s103具体如下：[0074]对于g的计算，存在如下公式：[0075]g＝gp+u*3d+ω(2)[0076]式中：gp是开挖断面直径dd与隧道管片外径d之间的几何空隙(单位符号为m)，即gp＝dd-d；u*3d为土体的三维弹塑性变形(单位符号为m)，本实施例假设u*3d＝0；ω为考虑盾构施工纠偏、超挖而产生的径向间隙(单位符号为m)。[0077]如图5所示，令盾构机主体偏心距为m，测量方法有两种：(1)在隧道开挖面周围布设监测点测量各点竖直、水平方向的位移sh、sv来计算；(2)通过纠偏装置测量盾构偏心率κ来计算偏心距m。满足：[0078][0079]式中：l为盾构机主机长度；p为盾构偏心角；κ为盾构偏心率，实际工程中一般取0～4％。[0080]如图6所示，盾构按设计开挖边界开挖，受到盾构机主体偏心影响，会在原开挖边界的周围形成超挖区域(图中阴影)，以图中偏心方向为例，盾构开挖中心由点o偏向点o’。超挖区域面积s偏满足：[0081][0082]式中：rd为开挖面半径；q角有q＝arccos(m/2rd)。[0083]由于盾构偏心方向在开挖过程中是动态变化的，为了综合表示这种动态间隙的厚度，朱才辉等对其进行了均匀化处理，如图7所示，假设这部分间隙均匀分布在盾构外壳周围，将超挖间隙面积等效为一大于盾构外壳的环形区域(阴影部分)，该环形区域外径为rd′，均匀化厚度为δ，故有：[0084][0085]联立公式(4)和公式(5)，可得：[0086][0087]则ω满足：[0088][0089]考虑到壁后注浆对空隙的填充作用，式(2)修正为：[0090]g＝(1-δ)(gp+ω)(8)[0091]式中：δ为注浆填充率，实际工程中可根据地表沉降数据进行反推，一般取值范围为60％～90％。[0092]具体的，步骤s104具体如下：[0093]考虑隧道开挖断面上部存在多层覆土的情况，盾构在开挖过程中引起的土体变形将会逐层向上扩散传递。根据随机介质理论的唯一性可知地层某一单元dζdη开挖所引起的上部土体沉降曲线是唯一的，所以从隧道开挖层开始依次向上逐层推导的沉降曲线将和实际沉降曲线一致。同理，多层地层主要影响角β也可以通过逐层向上传递推导而成。如图8所示，上下地层厚度分别为h1和h2，假设土损发生区域中心、埋深为h(h＝h1+h2)的变形单元dζdη在下地层中形成的地层主要影响角为β2，之后变形继续向上传递，在上地层中形成的地层主要影响角为β1，从几何关系上满足：[0094][0095]同理，n层地层主要影响角β满足：[0096][0097]式中：hi、βi(i＝1,2···n)依次为从上至下第i层地层的高度及地层主要影响角。[0098]韩煊，李宁建立了随机介质理论与peck公式的联系，即：[0099][0100]将式(11)代入式(10)，可得：[0101][0102]式中：ki、为从上至下第i层地层的沉降槽宽度系数及土体内摩擦角，有[0103]公式(12)所求的tanβ为地表处的地层主要影响角正切值，可进一步推广到单元dζdη上部任意计算深度z，设该计算深度位于地层i(1≤i≤n)中，则计算深度z处的地层主要影响角正切值tanβi′满足：[0104][0105]式中：hi’为计算深度z距地层i底部的高度。[0106]对于计算深度z0的主要影响角正切值tanβi′，将z0代入式(13)即可计算获得。[0107]具体的，步骤s105具体如下：[0108]随机介质理论由litwiniszyn提出，该理论从概率统计理论出发，将开挖对周围土体的影响等效为无限多个微单元开挖影响的总和。如图9，任取一个埋深为η的计算单元，体积为dξdζdη，开挖单元完全塌陷引起的上部任意一点(x,y,z)土体在各个方向上的位移值dux、duy、duz为：[0109][0110][0111][0112]式中：dξ、dζ、dη分别为x轴、y轴、z轴方向上的积分单元，r(z)为z方向上的影响半径，有r(z)＝(η-z)/tanβi′；由于计算单元后续需要在土体损失发生区v内进行积分，故η的取值范围就是在土体损失发生区v在埋深方向的上下边界内。[0113]在软土层中的收敛体积内，对所有土体单元产生的土体位移进行积分就可以得到隧道开挖引起的总的土体位移。土体损失发生区v满足：[0114]v＝vp-vq-vs(17)[0115]式中：vp是开挖断面体积、vq是收敛后断面体积、vs是硬岩层注浆填充体积。[0116]令x＝x0为任意计算断面，为求得该断面内任意深度的土体位移值，需要计算以x＝x0为中心，两侧影响范围l内的隧道开挖影响，而在范围(x0-l,x0+l)内，如前述可能存在θ角或α角的变化点(如图2中的点a3、a2)或rsi面与隧道上下边界的交点(如图2中的点a1、a4)，在这些位置需进行断面分割，将整个(x0-l,x0+l)研究段划分为n小段。随机介质理论具有叠加原理，故可将各小段盾构开挖引起的土体变形进行叠加。由于x0的选取是任意的，故可求得任一点(x,y,z)各个方向的土体位移ux、uy、uz分别为：[0117][0118][0119][0120]式中：b1、a1和b2、a2分别为收敛前后沿z轴的积分上下限，d1、c1和d2、c2分别为收敛前后沿y轴的积分上下限，fj、ej(1≤j≤n)分别为各小段的上下限，满足：a1＝h3、b1＝h1-rd、a2＝h3、b2＝h2-(rd-0.5g)、0.5g)、tanβi′为深度z0处的主要影响角正切值；ξ、ζ、η分别表示计算单元在x轴、y轴、z轴上的坐标值，取值范围对应土体损失发生区v的边界值；x、y、z分别表示任意一点(x,y,z)的坐标值。[0121]在所述的步骤s105的基础上，可利用已知断面的实测地表沉降数据对计算参数(包括注浆填充率δ、盾构偏心率κ、开挖面收敛模式参数γ)进行反复拟合，再用于计算更多其他断面的地表或地下土体位移值。具体步骤如下：(1)已知某个断面的地表实测数据，根据该断面的相关参数通过上述方法进行地表位移值的计算，然后将计算值与实测数据进行拟合，通过不断调整计算参数和反复拟合，确定注浆填充率δ、盾构偏心率κ、开挖面收敛模式参数γ；(2)由于同一工程其它断面的硬岩比可能有所不同，需调整盾构偏心率κ，具体的调整规律可参照该工程已知断面反分析得到的结果(盾构偏心率κ与硬岩比的变化关系)；(3)根据调整后的盾构偏心率κ，对同一工程其它断面地表或地下土体位移值进行预测。[0122]如图10、图11、图12所示，本发明以三个国内盾构穿越上软下硬复合地层工程为实例进行案例的分析及本发明预测方法的可靠性验证。[0123]案例1——广州某地下综合管廊[0124]如图10(a)为广州某地下综合管廊的工程计算简图，图10(b)为计算结果对比图。该工程盾构隧道穿越的地层包括：①杂填土、②淤泥质黏土、③粉质黏土、④强风化炭质灰岩(软岩)、⑤中风化石灰岩(硬岩)。取398环及446环为研究断面，首先利用398环的实测数据进行数据参数(δ、κ、γ)的反分析，再根据硬岩分布差异调整盾构偏心率κ，最后对446环的地表沉降值进行预测。该工程根据α角、θ角变化的位置，将整个研究范围划分为4段，从左至右各段的长度依次为66m、72m、58.5m、63m；各段的隧道坡度角正切值tanθ均为0；各段的rsi面坡度角正切值tanα从左至右依次为-0.022、-0.021、-0.026、-0.024。[0125]在matlab程序计算过程中需要输入的主要参数包括地层参数、盾构隧道参数两大块。[0126]1、地层参数[0127]398环所在断面从上至下依次为①杂填土、②淤泥质黏土、③粉质黏土、④强风化炭质灰岩(软岩)，层厚依次为5m、5m、5m、9.75m，各地层内摩擦角依次为7.8°、9.3°、25.1°、28°。rsi面埋深h3为22.5m、硬岩比b为0.25。[0128]446环所在断面从上至下依次为①杂填土、②淤泥质黏土、③粉质黏土、④强风化炭质灰岩(软岩)，层厚依次为5m、5m、5m、7.5m，各地层内摩擦角依次为7.8°、9.3°、25.1°、28°。rsi面埋深h3为21m、硬岩比b为0.5。[0129]2、盾构隧道参数[0130]398环所对应的开挖断面埋深h1为21m，开挖断面直径dd为6.3m，管片外径d为6m，盾构机主机长度l为8.75m，注浆填充率δ为89％、开挖面收敛模式参数γ为-1、盾构偏心率κ为0.01％。[0131]446环所对应的开挖断面埋深h1为21m，开挖断面直径dd为6.3m，管片外径d为6m，盾构机主机长度l为8.75m，注浆填充率δ为89％、开挖面收敛模式参数γ为-1、盾构偏心率κ为4％。[0132]案例2——佛莞城际铁路[0133]如图11(a)为佛莞城际铁路的工程计算简图，图11(b)为计算结果对比图。该工程盾构隧道穿越的地层包括：①素填土、②可塑状粉质黏土、③全风化花岗岩、④强风化二长花岗岩(硬岩)。取1322环及1346环为研究断面，首先利用1322环的实测数据进行数据参数(δ、κ、γ)的反分析，再根据硬岩分布差异调整盾构偏心率κ，最后对1346环的地表沉降值进行预测。该工程根据α角、θ角变化的位置，将整个研究范围划分为3段，从左至右各段的长度依次为80m、38.4m、40m；各段的隧道坡度角正切值tanθ从左至右依次为0.042,、0.042、-0.064；各段的rsi面坡度角正切值tanα从左至右依次为0.016、-0.013、-0.018。[0134]在matlab程序计算过程中需要输入的主要参数包括地层参数、盾构隧道参数两大块。[0135]1、地层参数[0136]1322环所在断面从上至下依次为①素填土、②可塑状粉质黏土、③全风化花岗岩，层厚依次为5m、6.5m、15.05m，各地层内摩擦角依次为7°、17.03°、21.3°。rsi面埋深h3为29.74m、硬岩比b为0.25。[0137]1346环所在断面从上至下依次为①素填土、②可塑状粉质黏土、③全风化花岗岩，层厚依次为6.25m、3.75m、17.13m，各地层内摩擦角依次为7°、17.03°、21.3°。rsi面埋深h3为29.25m、硬岩比b为0.5。[0138]2、盾构隧道参数[0139]1322环所对应的开挖断面埋深h1为27.61m，开挖断面直径dd为8.8m，管片外径d为8.5m，盾构机主机长度l为10m，注浆填充率δ为75％、开挖面收敛模式参数γ为-1、盾构偏心率κ为2.2％。[0140]1346环所对应的开挖断面埋深h1为29.25m，开挖断面直径dd为8.8m，管片外径d为8.5m，盾构机主机长度l为10m，注浆填充率δ为75％、开挖面收敛模式参数γ为-1、盾构偏心率κ为4％。[0141]案例3——深圳地铁7号线[0142]如图12(a)为深圳地铁7号线的工程计算简图，图12(b)为计算结果对比图。该工程盾构隧道穿越的地层包括：①素填土、②砾质粘性土、③全风化花岗岩(软岩)、④强风化花岗岩(软岩)、⑤中风化石灰岩(软岩)、⑥微风化花岗岩(硬岩)。取观测面1及观测面2为研究断面，首先利用观测面1的实测数据进行数据参数(δ、κ、γ)的反分析，再根据硬岩分布差异调整盾构偏心率κ，最后对观测面2的地表沉降值进行预测。该工程根据α角、θ角变化的位置，将整个研究范围划分为4段，从左至右各段的长度依次为49m、20m、18m、12m；各段的隧道坡度角正切值tanθ均为0；各段的rsi面坡度角正切值tanα从左至右依次为-0.24、0、0.47、0。[0143]在matlab程序计算过程中需要输入的主要参数包括地层参数、盾构隧道参数两大块。[0144]1、地层参数[0145]观测面1所在断面从上至下依次为①素填土、③全风化花岗岩(软岩)，层厚依次为5m、5.8m，各地层内摩擦角依次为22.6°、24°。rsi面埋深h3为12.6m、硬岩比b为0.4。[0146]观测面2所在断面从上至下依次为①素填土、②砾质粘性土、③全风化花岗岩(软岩)，层厚依次为3m、3m、3.7m，各地层内摩擦角依次为22.6°、22°、24°。rsi面埋深h3为10.4m、硬岩比b为0.77。[0147]2、盾构隧道参数[0148]观测面1所对应的开挖断面埋深h1为12m，开挖断面直径dd为6.4m，管片外径d为6m，盾构机主机长度l为8.75m，注浆填充率δ为86.8％、开挖面收敛模式参数γ为-1、盾构偏心率κ为0.01％。[0149]观测面2所对应的开挖断面埋深h1为12m，开挖断面直径dd为6.4m，管片外径d为6m，盾构机主机长度l为8.75m，注浆填充率δ为86.8％、开挖面收敛模式参数γ为-1、盾构偏心率κ为4％。[0150]如图10、图11、图12所示，各工程实测数据点均匀分布在理论计算曲线两侧，本发明方法预测值与实测数据吻合度较高，验证了方法的可靠性。本发明在计算盾构穿越上软下硬土岩复合地层引起的土体位移值上具备一定的准确性，可以用于分析未施工段各个断面的土体位移值，从而能够对一些土体位移较大的断面提前采取相应的加固措施，或针对性地调整盾构施工工艺或施工路线，减小盾构施工对周围环境的影响，对指导实际工程设计具备一定的意义。[0151]如图13所示为不同硬岩比(b)工况下横向地表沉降值对比。以佛莞城际铁路工程为背景，部分参数调整如下：h1＝25m、δ＝80％、κ＝2％、γ＝-1、tanα＝0、tanθ＝0，依次取硬岩比(b)为0、0.2、0.4、0.6、0.8，分别计算不同硬岩比下的横纵向地表沉降值，值得注意的是硬岩比b是开挖断面内硬岩层厚度与开挖直径的比值，有此计算案例保持h1不变，随着硬岩比b的调整，h3将对应发生变化。如图13所示，横向地表沉降值受硬岩比的影响明显，随着硬岩比的增大，地表沉降值整体减小、沉降槽变浅，但沉降值减小幅度逐渐降低；当硬岩比依次取0、0.2、0.4、0.6、0.8时，沉降槽宽度逐渐变小，沉降变形更加集中化。[0152]如图14为不同硬岩比(b)工况下纵向地表沉降值对比。纵向地表沉降值受硬岩比的影响同样明显，地表沉降值随着硬岩比的增大而减小，且减小幅度逐渐降低；盾构对地表变形的影响主要从刀盘前方约35m处开始(沉降值为最终沉降值的1％左右)，一直增长到刀盘后约40m达到稳定(沉降值为最终沉降值的99％左右)；地表纵向沉降曲线在[-20m,20m]的范围内变化剧烈，沉降变化量约占最终稳定值的80％，这表示地表受盾构开挖影响最大的区域位于刀盘前后约20m的区域；当硬岩比依次为0、0.2、0.4、0.6、0.8时，[-20m,20m]范围内的沉降变化量占最终沉降值的比例依次为74.6％、77.7％、79.7％、81.6％、83.7％，表示随着硬岩比的增大，纵向沉降变化区间更加集中，影响范围减小。综合上述，本方法计算结果反映的规律与周力军等(2018)、刘重庆等(2018)得到的研究结论相类似，侧面验证了本发明方法的可靠性。[0153]本发明涉及的三个工程案例依次来自论文“肖国微,王丁杰.盾构施工对上软下硬地层的沉降分析及防控措施[j].广东土木与建筑,2019,26(9):43-47.”、论文“周力军,张孟喜,王维,等.广州上软下硬复合地层中盾构隧道施工影响分析[j].铁道标准设计,2018,62(10):113-117.”和论文“何祥凡,申兴柱,王帆,等.盾构隧道穿越上软下硬地层施工力学特性分析[j].铁道标准设计,2017,61(2):89-95.”。大部分参数取值均来自于案例本身，少部分参数根据实际工程经验合理确定。[0154]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。









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