基于掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土设定方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种基于掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土设定方法。

背景技术

随着沿江沿海城市交通的发展，为缓解城市交通压力，修建大断面过江越海隧道成为一种趋势。过江越海软土隧道往往采用泥水平衡盾构进行施工。由于受到线路线形、地层条件和工程造价的制约，一般要求覆土厚度尽可能薄，称之为小覆土区间。盾构隧道在小覆土区间施工过程中，盾构掘进面临着水压较高、地层软硬交互、水下地形地貌多变以及盾构直径较大等诸多方面的挑战，若掘进面发生主动失稳破坏或泥水劈裂破坏，会导致江水倒灌、隧道坍塌等事故，因此必须设定合理的覆土厚度规避盾构掘进中的高风险事故。

现有技术中，特殊小覆土区间一般采用加固或加大覆土厚度等措施，受特殊条件制约时也采用把盾构始发和到达竖井加深等措施，增大了工程造价和施工难度。

因此，有必要设计一种基于盾构掘进安全的合理覆土设定方法，使盾构隧道施工更加安全、线性更加优越、成本更加经济。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土设定方法，以解决上述背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明的实施例提供的一种基于掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土设定方法，其特征在于，该方法包括：

获取越江海盾构隧道设计与施工参数，确定隧道上覆地层与上覆水层的物理力学参数；

计算出不同覆土厚度下保证盾构掘进安全的泥水支护压力上限值P_U(z)；

计算出不同覆土厚度下保证盾构掘进安全的泥水支护压力下限值P_L(z)；

计算出不同覆土厚度下保证掘进安全的盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)；

根据所采用的盾构机泥水压力控制精度与施工过程中的泥水压力控制范围，确定掘进过程中盾构泥水支护压力最大波动范围P_v；

令所述盾构泥水支护压力最大波动范围P_v等于一定覆土厚度下的所述盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)，得出最小覆土厚度z_min，将所述最小覆土厚度z_min乘以安全系数K_s得出满足掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土厚度z_r。

优选地，所述的获取越江海盾构隧道设计与施工参数，确定隧道上覆地层与上覆水层的物理力学参数，包括：

根据越江海盾构隧道设计与施工方案，确定盾构的直径D，以及水面到隧道覆土顶面的距离h_w；

在隧道沿线获取隧道上覆地层土样，对土样进行重度试验、内摩擦角和粘聚力试验，确定施工现场内土的重度γ、有效重度γ’，内摩擦角和粘聚力c；

取施工区域内的江、海水测得江、海水的重度γ_w；

取盾构施工所用泥水测得盾构泥水的重度γ_f。

优选地，所述的在隧道沿线获取隧道上覆地层土样，包括：

采用钻孔取土的方法获取隧道上覆地层土样，取土量满足制作不少于三个三轴试验仪试件。

优选地，所述的计算出不同覆土厚度下保证盾构掘进安全的泥水支护压力上限值P_U(z)，包括：

所述盾构泥水支护压力上限值P_U(z)的计算公式为：

式中：P_f(z)为泥水劈裂破坏起裂压力，P_c(z)为泥水渗透破坏临界压力，γ_f为盾构泥水的重度，D为盾构的直径；

所述泥水渗透破坏临界压力P_c(z)的计算公式为：

P_c(z)＝γ′·z+γ_w(h_w+z)(2)

式中：γ’为土的有效重度，z为覆土厚度，h_w为水面到隧道覆土顶面的距离，γ_w为江、海水的重度；

所述泥水劈裂破坏起裂压力P_f(z)的计算公式为：

式中：σ₃(z)为最小主应力，为土的内摩擦角，c为土的粘聚力；

所述最小主应力σ₃(z)的计算公式为：

σ₃(z)＝(γz+q)·(1-sinφ)>

式中：γ为土的重度，z为覆土厚度，q为超载；

所述超载q的计算公式为：

q＝γ_wh_w(5)

式中：γ_w为江、海水的重度，h_w为水面到隧道覆土顶面的距离。

优选地，所述的计算出不同覆土厚度下保证盾构掘进安全的泥水支护压力下限值P_L(z)，包括：

所述盾构泥水支护压力下限值P_L(z)的计算公式为：

式中：P_t(z)为掘进面主动失稳临界支护压力，γ_w为江、海水的重度，z为覆土厚度，D为盾构的直径；

所述掘进面主动失稳临界支护压力P_t(z)的计算公式为：

P_t(z)＝cN_c(z)+γ′DN_γ′(z)+γ_wh_wN_w(z)(7)

式中：N_c(z)为粘聚力影响系数，N_γ’(z)为有效重度影响系数，N_w(z)为水位高度影响系数；

所述粘聚力影响系数N_c(z)的表达式为：

式中：K为侧压力系数，D为盾构的直径，B为松动区宽度，R₀为对数螺旋线型滑动面的初始半径，为土的内摩擦角；

所述有效重度影响系数N_γ’(z)的表达式为：

式中：f₁和f₂为滑动体力矩影响系数，l_a为对数螺旋线型滑动面的原点到掘进面的距离；

所述水位高度影响系数N_w(z)的表达式为：

所述侧压力系数K的表达式为：

所述的松动区宽度B的表达式为：

所述对数螺旋线型滑动面的初始半径R₀的表达式为：

所述滑动体力矩影响系数f₁和f₂的表达式为：

所述对数螺旋线型滑动面的原点到掘进面的距离l_a的表达式为：

优选地，所述的计算出不同覆土厚度下保证掘进安全的盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)，包括：

所述盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)为不同覆土厚度条件下，掘进过程中的盾构泥水支护压力的安全设定范围；

所述盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)的计算公式：

P_d(z)＝P_U(z)-P_L(z)(16)

式中，只含有覆土厚度z一个自变量。

优选地，所述的根据所采用的盾构机泥水压力控制精度与施工过程中的泥水压力控制范围，确定掘进过程中盾构泥水支护压力最大波动范围P_v，包括：

所述施工过程中的泥水压力控制范围，考虑带压换刀工况下设定的泥水压力。

优选地，所述的令所述盾构泥水支护压力最大波动范围P_v等于一定覆土厚度下的所述盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)，得出最小覆土厚度z_min，将所述最小覆土厚度z_min乘以安全系数K_s得出满足掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土厚度z_r，包括：

当所述盾构泥水支护压力最大波动范围P_v等于一定覆土厚度下的所述盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)时，所述覆土厚度为满足掘进安全的越江海盾构隧道的最小覆土厚度z_min；

所述安全系数K_s的取值范围为：1.0～1.2。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种安全、经济的越江海盾构隧道合理覆土的设定方法，适用于掘进风险大的小覆土区间。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提供的一种基于掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土设定方法中，采用泥水劈裂破坏起裂压力或泥水渗透破坏临界压力计算盾构泥水支护压力上限值，采用掘进面主动失稳临界支护压力计算盾构泥水支护压力下限值，计算过程中同时考虑了施工过程中的掘进面稳定性，能够充分保障施工安全。

(2)本发明适用于粘土、砂土地层，计算所得埋深比传统设定方法更小，使隧道接线更加灵活，并进一步缩短隧道长度，节约工程成本。

(3)本发明方法简单、实用性强，便于推广。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土设定方法的工程地质条件简图；

图2为本发明实施例提供的一种基于掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土设定方法的最小覆土厚度设定方法示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土设定方法的流程框图；

图4为本发明实施例提供的一种基于掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土设定方法的处理流程图；

其中，1-江、海水，2-隧道覆土(黏土)层，3-盾构隧道，4-盾构掘进面。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例提供了一种安全、经济的越江海盾构隧道合理覆土的设定方法，适用于掘进风险大的小覆土区间；根据施工过程中的盾构泥水压力波动范围，采用盾构不同覆土厚度下的保证掘进安全的泥水压力限值计算方法，得出泥水压力波动范围内的合理覆土厚度。

本发明实施例提供的一种基于掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土设定方法所预设的工程地质条件简图如图1所示，工程地质的具体内容包括：江、海水1，隧道覆土(黏土)层2，盾构隧道3和盾构掘进面4。

本发明实施例提供的一种基于掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土设定方法的示意图如图2所示，计算得到盾构泥水支护压力上限值、盾构泥水支护压力下限值，令上限值与下限值之间的差值等于泥水支护压力最大波动范围，得出最小覆土厚度z_min。

本发明实施例提供的一种基于掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土设定方法的流程框图如图3所示。

如图4所示，具体步骤如下：

S410：获取越江海盾构隧道设计与施工参数，确定隧道上覆地层与上覆水层的物理力学参数。

根据越江海盾构隧道设计与施工方案，确定盾构的直径D，以及水面到隧道覆土顶面的距离h_w。

在隧道沿线获取隧道上覆地层土样，采用钻孔取土的方法获取隧道上覆地层土样，取土量满足制作不少于三个三轴试验仪试件。

对土样进行重度试验、内摩擦角和粘聚力试验，确定施工现场内土的重度γ、有效重度γ’，内摩擦角和粘聚力c。

取施工区域内的江、海水测得江、海水的重度γ_w。

取盾构施工所用泥水测得盾构泥水的重度γ_f。

S420：计算出不同覆土厚度下保证盾构掘进安全的泥水支护压力上限值P_U(z)。

盾构泥水支护压力上限值P_U(z)的计算公式为：

式中：P_f(z)为泥水劈裂破坏起裂压力，P_c(z)为泥水渗透破坏临界压力，γ_f为盾构泥水的重度，D为盾构的直径。

泥水渗透破坏临界压力P_c(z)的计算公式为：

P_c(z)＝γ′·z+γ_w(h_w+z)>

式中：γ’为土的有效重度，z为覆土厚度，h_w为水面到隧道覆土顶面的距离，γ_w为江、海水的重度。

泥水劈裂破坏起裂压力P_f(z)的计算公式为：

式中：σ₃(z)为最小主应力，为土的内摩擦角，c为土的粘聚力。

最小主应力σ₃(z)的计算公式为：

σ₃(z)＝(γz+q)·(1-sinφ)(4)

式中：γ为土的重度，z为覆土厚度，q为超载。

超载q的计算公式为：

q＝γ_wh_w(5)

式中：γ_w为江、海水的重度，h_w为水面到隧道覆土顶面的距离。

S430：计算出不同覆土厚度下保证盾构掘进安全的泥水支护压力下限值P_L(z)。

盾构泥水支护压力下限值P_L(z)的计算公式为：

式中：P_t(z)为掘进面主动失稳临界支护压力，γ_w为江、海水的重度，z为覆土厚度，D为盾构的直径。

掘进面主动失稳临界支护压力P_t(z)的计算公式为：

P_t(z)＝cN_c(z)+γ′DN_γ′(z)+γ_wh_wN_w(z)>

式中：N_c(z)为粘聚力影响系数，N_γ’(z)为有效重度影响系数，N_w(z)为水位高度影响系数。

粘聚力影响系数N_c(z)的表达式为：

式中：K为侧压力系数，D为盾构的直径，B为松动区宽度，R₀为对数螺旋线型滑动面的初始半径，为土的内摩擦角。

有效重度影响系数N_γ’(z)的表达式为：

式中：f₁和f₂为滑动体力矩影响系数，l_a为对数螺旋线型滑动面的原点到掘进面的距离。

水位高度影响系数N_w(z)的表达式为：

侧压力系数K的表达式为：

松动区宽度B的表达式为：

对数螺旋线型滑动面的初始半径R₀的表达式为：

滑动体力矩影响系数f₁和f₂的表达式为：

对数螺旋线型滑动面的原点到掘进面的距离l_a的表达式为：

S440：计算出不同覆土厚度下保证掘进安全的盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)。

盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)为不同覆土厚度条件下，掘进过程中的盾构泥水支护压力的安全设定范围。

盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)的计算公式：

P_d(z)＝P_U(z)-P_L(z)(16)

式中，只含有覆土厚度z一个自变量。

S450：根据所采用的盾构机泥水压力控制精度与施工过程中的泥水压力控制范围，确定掘进过程中盾构泥水支护压力最大波动范围P_v。

施工过程中的泥水压力控制范围，考虑带压换刀工况下设定的泥水压力。

S460：令所述盾构泥水支护压力最大波动范围P_v等于一定覆土厚度下的所述盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)，得出最小覆土厚度z_min，将所述最小覆土厚度z_min乘以安全系数K_s得出满足掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土厚度z_r。

当盾构泥水支护压力最大波动范围P_v等于一定覆土厚度下的盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)时，覆土厚度为满足掘进安全的越江海盾构隧道的最小覆土厚度z_min。

安全系数K_s的取值范围为：1.0～1.2。

实施例二

该实施例提供了一种基于掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土设定方法，其具体实现可以包括如下的步骤：

步骤一：根据越江海盾构隧道设计与施工方案，确定盾构直径D＝15m，水面到隧道覆土顶面的距离h_w＝9m。

在隧道沿线获取隧道上覆地层土样，对土样进行重度试验、内摩擦角和粘聚力试验，确定施工现场内土的重度γ＝18.7kN/m³，有效重度γ’＝17.7kN/m³、内摩擦角粘聚力c＝30.0kPa。

取施工区域内江、海水测得江、海水的重度γ_w＝10.0kN/m³；取盾构施工所用泥水测得盾构泥水的重度γ_f＝11.0kN/m³。

步骤二：计算不同覆土厚度z下保证盾构掘进安全的泥水支护压力上限值P_U(z)：

P_U(z)＝9.70z+206.84(黏土地层；单位为kPa)。

步骤三：计算不同覆土厚度z下保证盾构掘进安全的泥水支护压力下限值P_L(z)：

P_L(z)＝10.00z+48.15·exp(-0.013z)+132.06(单位为kPa)。

步骤四：计算不同覆土厚度下保证掘进安全的盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)：

P_d(z)＝74.78-48.15·exp(-0.013z)-0.30z(单位为kPa)。

步骤五：根据所采用的盾构机泥水压力控制精度与施工过程中的泥水压力控制范围，得出掘进过程中盾构泥水支护压力最大波动范围P_v：

P_v＝30.56kPa。

步骤六：令盾构泥水支护压力最大波动范围P_v等于一定覆土厚度下的盾构泥水支护压力允许差值P_d(z)，得出满足掘进安全的越江海盾构隧道最小覆土厚度z_min＝14.55m，最小覆土厚度设定方法含义如图2所示。

安全系数K_s取1.2，则满足掘进安全的越江海盾构隧道合理覆土厚度z_r＝17.46m，整体流程如图3所示。

综上所述，本发明实施例采用泥水劈裂破坏起裂压力或泥水渗透破坏临界压力计算盾构泥水支护压力上限值，采用掘进面主动失稳临界支护压力计算盾构泥水支护压力下限值，并根据施工过程中的盾构泥水压力波动范围，得出泥水压力波动范围内的合理覆土厚度。本发明充分考虑了盾构掘进过程中泥水劈裂破坏或泥水渗透破、掘进面主动失稳破坏，防止了越江海盾构隧道掘进面的劈裂与失稳破坏，确定了越江海盾构隧道的合理覆土厚度，保障了越江海盾构隧道掘进的合理性与安全性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。