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1、10申请公布号CN102425430A43申请公布日20120425CN102425430ACN102425430A21申请号201110346463X22申请日20111104E21D9/1420060171申请人上海交通大学地址200240上海市闵行区东川路800号72发明人吴怀娜沈水龙许烨霜74专利代理机构上海汉声知识产权代理有限公司31236代理人郭国中54发明名称软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法57摘要本发明公开一种软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法，步骤为获取含隧道在内的浅层土的土层划分信息，随后提取隧道所在土层的土样进行室内常规土工试验；利用水准仪测量隧。
2、道结构整体沉降，以隧道纵向为横轴，以隧道累积沉降值为纵轴标出隧道各环沉降累积值；对隧道累积沉降曲线进行分段拟合，确定累积沉降曲线的高斯拟合方程；确定隧道剪力值；确定每个螺栓的剪应力和拉应力，根据得到的隧道环间螺栓的剪应力和拉应力，控制隧道的纵向变形。本发明采用COSSERAT非平衡力学理论体系定量地确定隧道衬砌环间螺栓的应力，方法简单，便于推广，适用于盾构隧道纵向变形的控制问题。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图2页CN102425437A1/2页21一种软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法，其特征在于包括以下步骤第一步，获取含。
3、隧道在内的浅层土的土层划分信息，随后提取隧道所在土层的土样进行室内常规土工试验；第二步，利用水准仪测量隧道结构整体沉降，以隧道纵向为横轴，以隧道累积沉降值为纵轴标出隧道各环沉降累积值；第三步，对隧道累积沉降曲线进行分段拟合，确定累积沉降曲线的高斯拟合方程；第四步，确定隧道剪力值；所述的隧道剪力值满足以下公式其中，2X为隧道上方的COSSERAT不平衡荷载；D为隧道衬砌外直径，具体通过隧道横断面设计图确定；第五步，确定每个螺栓的剪应力和拉应力，根据得到的隧道环间螺栓的剪应力和拉应力，控制隧道的纵向变形。2根据权利要求1所述的软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法，其特征在于所述的分段拟合。
4、是指以隧道累积沉降曲线的极小值点为分段节点，将隧道沉降曲线分为若干段，对每段曲线进行高斯拟合。3根据权利要求2所述的软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法，其特征在于所述的高斯拟合方程满足以下公式其中，SMAX为沉降漏斗的峰值；S0为隧道整体沉降量；I为沉降槽宽度系数；XC为沿沉降槽中心的坐标；X为隧道任意一点的横向坐标。4根据权利要求1所述的软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法，其特征在于所述的COSSERAT不平衡荷载通过如下步骤获得1确定隧道上方总荷载；所述的隧道上方总荷载满足以下公式XTSX，其中，T为第一步中获得的隧道所在土层土体的重度；2确定COSSERAT不平衡。
5、荷载所述的COSSERAT不平衡荷载满足以下公式其中，1X为平衡荷载，满足以下公式1XTS0。5根据权利要求1所述的软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法，其特征在于所述的每个螺栓的剪应力满足以下公式权利要求书CN102425430ACN102425437A2/2页3其中，XB为螺栓对应的横坐标；BXB为螺栓的剪应力；D为隧道内直径，DB为螺栓直径，N为环间螺栓个数，通过隧道设计图确定。6根据权利要求1所述的软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法，其特征在于所述的每个螺栓的拉应力满足以下公式其中，B为螺栓的拉应力；L为隧道衬砌环宽度，具体通过隧道横断面设计图确定；E为螺栓的弹性。
6、模量，LB为螺栓的长度；SX为SX的一阶导函数。7根据权利要求1所述的软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法，其特征在于所述的浅层土的土层划分是指利用孔压式静力触探确定土体的贯入阻力和孔隙水压与深度的关系曲线，检测深度为隧道中心线埋深的15倍，沿隧道纵向每100M布置一个检测孔；画出以孔隙水压与贯入阻力之比为横轴，以贯入阻力与初始地层应力之比为纵轴的关系图，并将该图划分若干不同土性特征区以此代表不同土的类型；将实测的静力触探曲线的数据标于该图以判断场地土层的类型；再根据土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线，确定施工现场土层划分信息。8根据权利要求1所述的软土地层盾构隧道结构抵抗。
7、纵向变形的保护控制方法，其特征在于所述的提取隧道所在土层的土样是指用薄壁取土设备在隧道所在土层取土，用于做室内常规土工试验，土样数以不少于三个试件为宜，隧道纵向取土间隔为100M。9根据权利要求1所述的软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法，其特征在于所述的室内常规土工试验是指密度试验，即通过环刀法等密度试验方法测得各土层的湿密度，并计算相应的重度。10根据权利要求1所述的软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法，其特征在于所述的水准仪测量是指以地面一等水准测量路线作为首级水准控制点，在主要地铁车站出入口附件埋设临时水准基点，在车站站厅设置基准点并进行联测；测量路线采取单程线路观。
8、测并在两个地铁车站之间的车站站厅基准点附和，即上行线、下行线形成附合线路；测量采用国家二等水准测量精度，每一个隧道衬砌环逐一测量，测量频率为每半年一次。权利要求书CN102425430ACN102425437A1/5页4软土地层盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法技术领域0001本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种软土地层中盾构隧道结构抵抗纵向变形的保护控制方法。背景技术0002随着我国城市化进程的加快，城市人口不断增多，可利用空间越来越少，城市地下轨道交通的发展不仅缓解了城市繁重的交通压力，而且有效利用了城市空间，为城市的可持续发展做出了重要贡献。盾构法是常用的地下隧道施工。
9、方法，它具有施工安全、掘进速度快、自动化作业等特点，是软弱含水地层中长距离隧道开挖的最佳选择。然而，软土地层盾构隧道在长期运营中容易产生沉降、变形，导致衬砌开裂、渗漏，严重时甚至造成轨道扭曲，影响行车安全。0003国际隧道联合会ITA经过大量的调查研究于2000年在TUNNELLINGANDUNDERGROUNDINGSPACETECHNOLOGY隧道和地下空间技术发表了GUIDELINESFORTHEDESIGNOFSHIELDTUNNELLINING盾构隧道设计指南。该文全面系统地介绍了当前盾构隧道的设计流程及分析方法。不难发现，当前盾构隧道的结构设计是将隧道简化为二维模型，仅考虑隧道横断。
10、面上的受力变形，却没有对隧道长期运营引起的纵向变形和结构受力进行针对性的分析，对于隧道纵向螺栓则完全凭经验设计。我国地下铁道设计规范GB5015792推荐使用荷载结构模型的横向设计方法，也未考虑隧道纵向变形的影响。2010年版上海市地基基础设计规范DGJ08112010较之1999年版DGJ08111999更加强调了隧道的纵向沉降的影响，提出接缝最大张开、环间错台限值的取用，但对隧道纵向设计的分析方法依然缺乏明确的说明，对螺栓受力分析没有定量的确定方法。目前隧道纵向变形的研究已经逐渐引起了学者的关注，但纵向结构设计模型尚不成熟，对于拉、剪共同作用下的纵向连接螺栓仍然没有很好的保护方法。0004。
11、经对现有技术文献检索发现，隧道纵向变形常采用的分析模型为纵向梁弹簧模型和纵向等效连续化模型。前者由日本的小泉淳等于1988年在土木學會論文集日本土木工程学会学报发表的一軸方向特性化中提出。它将梁单元模拟衬砌环、以弹簧的轴向、剪切和转动效应模拟环向接头和螺栓，它的缺点是无法得到相邻管片接头间的相对不连续变形量，无法精确给出螺栓的内力。后者由日本的志波由紀夫等于1988年在土木學會論文集日本土木工程学会学报发表的一耐震解析長手方向覆工剛性評價法中提出。它将隧道视为均质圆环，将接头和管片视为具有相同刚度和结构特性的均匀连续梁。事实上，隧道的纵向变形表现为相邻衬砌环间的错台，这种错台会导致螺栓产生剪应。
12、力，当错台达到一定程度会使环缝张开，使螺栓产生拉应力。这种“错台”的变形模式和以均质圆环为模型的隧道弯曲模式有着本质的区别，因而用纵向等效连续化模型同样不能准确地计算螺栓的内力。发明内容说明书CN102425430ACN102425437A2/5页50005本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种软土地层中盾构隧道纵向变形的保护控制方法，利用地质调查的方法确定含隧道在内的浅层土的土层特性，通过对隧道长期沉降曲线进行拟合，并结合COSSERAT非平衡力学理论体系的分析方法确定隧道环间螺栓的剪应力和拉应力，从而控制隧道的纵向变形。0006本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤0007第一步。
13、，获取含隧道在内的浅层土的土层划分信息，随后提取隧道所在土层的土样进行室内常规土工试验。0008所述的浅层土的土层划分是指利用孔压式静力触探确定土体的贯入阻力和孔隙水压与深度的关系曲线，检测深度为隧道中心线埋深的15倍，沿隧道纵向每100M布置一个检测孔。画出以孔隙水压与贯入阻力之比为横轴，以贯入阻力与初始地层应力之比为纵轴的关系图，并将该图划分若干不同土性特征区以此代表不同土的类型；将实测的静力触探曲线的数据标于该图以判断场地土层的类型；再根据土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线，确定施工现场土层划分信息；0009所述的提取隧道所在土层的土样是指用薄壁取土设备在隧道所在土层取土，用于。
14、做室内常规土工试验。土样数以不少于三个试件为宜，隧道纵向取土间隔约为100M。0010所述的室内常规土工试验是指密度试验，即通过环刀法等密度试验方法测得各土层的湿密度，并计算相应的重度。0011第二步，利用水准仪测量隧道结构整体沉降，以隧道纵向为横轴，以隧道累积沉降值为纵轴标出隧道各环沉降累积值。0012所述的水准仪测量是指以地面一等水准测量路线作为首级水准控制点，在主要地铁车站出入口附件埋设临时水准基点，在车站站厅设置基准点并进行联测。测量路线采取单程线路观测并在两个地铁车站之间的车站站厅基准点附和，即上行线、下行线形成附合线路。测量采用国家二等水准测量精度，每一个隧道衬砌环逐一测量，测量频。
15、率为每半年一次。0013第三步，对隧道累积沉降曲线进行分段拟合，确定累积沉降曲线的高斯拟合方程。0014所述的分段拟合是指以隧道累积沉降曲线的极小值点为分段节点，将隧道沉降曲线分为若干段，对每段曲线进行高斯拟合。0015所述的高斯拟合方程满足以下公式0016其中，SMAX为沉降漏斗的峰值；S0为隧道整体沉降量；I为沉降槽宽度系数；XC为沿沉降槽中心的坐标；X为隧道任意一点的横向坐标。0017第四步，确定隧道剪力值。0018所述的隧道剪力值满足以下公式00190020其中，2X为隧道上方的COSSERAT不平衡荷载；D为隧道衬砌外直径，具体通说明书CN102425430ACN102425437A。
16、3/5页6过隧道横断面设计图确定。0021所述的COSSERAT不平衡荷载通过如下步骤获得00221确定隧道上方总荷载。0023所述的隧道上方总荷载满足以下公式XTSX，0024其中，T为第一步中获得的隧道所在土层土体的重度。00252确定COSSERAT不平衡荷载。0026所述的COSSERAT不平衡荷载满足以下公式00270028其中，1X为平衡荷载，满足以下公式1XTS0。0029第五步，确定每个螺栓的剪应力和拉应力，根据得到的隧道环间螺栓的剪应力和拉应力，控制隧道的纵向变形。0030所述的每个螺栓的剪应力满足以下公式00310032其中，XB为螺栓对应的横坐标；BXB为螺栓的剪应力；D。
17、为隧道内直径，DB为螺栓直径，N为环间螺栓个数，通过隧道设计图确定。0033所述的每个螺栓的拉应力满足以下公式00340035其中，B为螺栓的拉应力；L为隧道衬砌环宽度，具体通过隧道横断面设计图确定；E为螺栓的弹性模量，LB为螺栓的长度；SX为SX的一阶导函数。0036与原有的技术相比，本发明采用COSSERAT非平衡力学理论体系定量地确定隧道衬砌环间螺栓的应力，打破了原有的凭借经验设计螺栓的局面，弥补了盾构隧道结构设计的不足，为盾构隧道的安全使用提供保障。本发明方法简单，便于推广，具有很大的应用价值。本发明适用于盾构隧道纵向变形的控制问题。附图说明0037图1为隧道衬砌环剪切示意图。0038。
18、图2为隧道纵向沉降及其拟合曲线。0039图3为本发明方法确定的螺栓内力值。具体实施方式0040下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。0041实施例0042某轨道交通停车场出入库下行线盾构隧道埋深1125M，衬砌环外径为62M，内径说明书CN102425430ACN102425437A4/5页7为55M，环宽10M。环间采用17根M30螺栓连接，螺栓的长度为400MM，螺栓弹性模量为206105MPA。该隧道泵站发生事故后，隧道纵向产生错台变形。0043第一步，明确现场地质情况及隧。
19、道所在土层土体性质。地面至15倍隧道深度范围内土体划分为5层顶层0016M为回填土；第二层1634M为软黏土；第三层3461M为淤泥质粉质黏土；第四层61155M为淤泥质黏土；第五层未打穿为黏土。隧道所在地层为第四层淤泥质黏土层。利用薄壁取土器提取隧道所在地层天然土样三件，进行密度试验，获得隧道所在地层的湿密度是19KG/M3，计算得到土体的重度为190KN/M3。0044第二步，利用水准仪测量隧道结构整体沉降。如图2所示，以隧道纵向为横轴，以隧道累积沉降值为纵轴标出隧道各环累积沉降值。0045第三步，对隧道累积沉降曲线进行分段拟合，确定累积沉降曲线的高斯拟合方程。0046以隧道累积沉降曲线的。
20、极小值点为分段节点，将沉降曲线分为一段。如图2所示，隧道累积沉降曲线用高斯曲线拟合，拟合方程为00470048第四步，确定隧道剪力值。0049隧道剪力值公式满足以下方程00500051COSSERAT不平衡荷载通过以下步骤获得00521确定隧道上方总荷载。0053隧道上方总荷载为005400552确定COSSERAT不平衡荷载。0056COSSERAT不平衡荷载为00570058第五步，确定每个螺栓的剪应力。0059每个螺栓的剪应力按以下公式确定00600061采用本方法确定的每个螺栓的剪应力如图3所示。0062步骤六，确定每个螺栓的拉应力。0063每个螺栓的拉应力按以下公式确定说明书CN10。
21、2425430ACN102425437A5/5页800640065其中，0066采用本方法确定的每个螺栓的拉应力如图3所示。根据上述得到的隧道环间螺栓的剪应力和拉应力，控制隧道的纵向变形。0067本实施例可以准确的确定盾构隧道衬砌环间螺栓剪应力和拉应力，相比以前单纯依靠经验的方法更科学、更准确，给盾构隧道纵向变形的控制带来了很大的方便。0068尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。说明书CN102425430ACN102425437A1/2页9图1图2说明书附图CN102425430ACN102425437A2/2页10图3说明书附图CN102425430A。