一种多土层盾构隧道开挖面楔形体安全系数的计算方法与流程

本发明涉及盾构隧道安全系数计算方法领域，尤其涉及一种多土层盾构隧道开挖面楔形体安全系数的计算方法。

背景技术：

1、城市区域，建筑及道路管线密集、复杂，盾构隧道开挖施工开挖面的稳定性对建筑和管线造成极大的安全威胁，盾构隧道开挖面前方土体破坏区呈三维楔形体模型，楔形体上方为长方体与下方三维楔形体，开挖面前方的三维楔形体的稳定性是盾构隧道施工的关键问题。随着数值计算软件的发展和计算机性能的提高，数值分析方法被广泛应用于盾构隧道施工的稳定性分析中，盾构隧道施工开挖面楔形体的稳定性评估常用基于有限元的强度折减法。

2、基于有限元的强度折减法通常基采用等比例折减的方式，即强度参数粘聚力 c和内摩擦角 φ采用相同的强度折减系数，得到新的粘聚力和内摩擦角，随后通过逐渐增大强度折减系数使得盾构隧道开挖面达到破坏的临界状态，其强度折减系数定义为安全系数。

3、强度折减法失稳判据主要有：①迭代次数内恰好不能收敛时；②广义或者等效塑性应变整体贯通破坏；③开挖面中心点水平位移发生突变。目前应用较多的是开挖面中心点水平位移突变判据。

4、在目前盾构隧道开挖面楔形体的稳定性安全系数计算应用中，相关专利技术，存在以下不足：（1）强度折减法大多应用在单土层工况下，实际施工中盾构隧道所处土层数至少为3层，既有的技术较难满足现实的生产需求，使得该方法的应用推广中受限；（2）专利cn115809500b《一种多土层盾构隧道开挖面安全系数确定方法》提出了相关方法，但以开挖开挖面中心点水平位移突变作为判据,未全面考虑盾构开挖面前方楔形体破坏区整体的变形变形趋势，存在以点代面的不足。（3）专利cn115809500b《一种多土层盾构隧道开挖面安全系数确定方法》提出的相关方法未考虑盾构开挖面的支护压力因素，开挖面楔形体的安全状态受支护荷载的影响较大，上述方法存在一定缺陷和不足。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种多土层盾构隧道开挖面楔形体安全系数的计算方法，考虑隧道开挖面的支护力因素，提升安全系数的计算精准性。

2、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种多土层盾构隧道开挖面楔形体安全系数的计算方法，包括以下步骤：

3、步骤一、建立包含开挖的隧道以及从隧道开挖位置直到地面的所有土层的三维有限元仿真模型，在仿真模型中选取位于隧道开挖面前方的失稳土体模块，失稳土体模块包括楔形体部分和柱形体部分，柱形体部分位于楔形体部分的上方并延伸至地面，楔形体部分具有一段斜面、一段与开挖面贴合的竖直对接面、以及一段与柱形体部分的底平面贴合的水平对接面，竖直对接面的形状为正方形，正方形的中心线交点与隧道开挖面的圆心重合，正方形的边长为，其中d为隧道开挖直径，竖直对接面的上侧边沿和下侧边沿均水平设置，竖直对接面的上侧边沿与水平对接面靠近隧道开挖面一侧的边沿连接，竖直对接面的下侧边沿与斜面的下侧边沿连接，斜面与水平方向的夹角为，其中 φ为土层的内摩擦角，斜面的上侧边沿与水平对接面远离隧道开挖面一侧的边沿连接，斜面和竖直对接面的上侧边沿的中点连线与隧道轴线相互平行；

4、步骤二、在失稳土体模块上选取多个特征点，将隧道开挖面的圆心与斜面上侧边沿的中点的连线作为下侧基准线，将斜面上侧边沿的中点竖直向上延伸至地面的直线作为上侧基准线，然后将隧道开挖面的圆心、斜面上侧边沿的中点、以及上侧基准线与地面的交点分别选取为特征点，在下侧基准线和上侧基准线上分别间隔选取多个特征点，多个特征点包含上侧基准线和下侧基准线分别与每个土层分界面的交点；

5、步骤三、对隧道开挖面的梯形支护压力逐次进行修改，并通过仿真模型计算特征点水平位移平均值：

6、；

7、上式中，(m)为第 m次梯形支护压力修改后的水平位移平均值，为第 m次梯形支护压力修改后的节点 s沿隧道轴线方向y的位移量， s为位移特征点的个数；

8、设隧道开挖面的梯形支护压力p=（pa、pb、pc），其中pa为隧道开挖面顶部压力，pb为隧道开挖面中部压力，pc为隧道开挖面底部压力，选取初始梯形支护压力p0=（pa0、pb0、pc0），将p0代入仿真模型中进行计算，得到初始特征点水平位移平均值(0)；

9、当(0)＞0时，以 δp的幅值使p0逐次减小，得到梯形支护压力：

10、p1=（ pa1、 pb1、 pc1）=（ pa0－ δp、 pb0－ δp、 pc0－ δp）、

11、p2=（ pa2、 pb2、 pc2）=（ pa0－2 δp、 pb0－2 δp、pc0－2 δp）、

12、p3=（ pa3、pb3、pc3）=（ pa0－3 δp、 pb0－3 δp、 pc0－3 δp）……

13、pm=（ pam、 pbm、 pcm）=（ pa0－m· δp、 pb0－m· δp、 pc0－m· δp）；

14、将p1、p2、p3……pm代入仿真模型中进行计算，得到(1)- p1、(2)- p2、(3)- p3……(m)- pm数据组，并保证(m)＜0；

15、当(0)＜0时，以 δp的幅值使p0逐次增大，得到梯形支护压力：

16、p1=（ pa1、 pb1、 pc1）=（ pa0＋ δp、 pb0＋ δp、 pc0＋ δp）、

17、p2=（ pa2、 pb2、 pc2）=（ pa0＋2 δp、 pb0＋2 δp、pc0＋2 δp）、

18、p3=（ pa3、pb3、pc3）=（ pa0＋3 δp、 pb0＋3 δp、 pc0＋3 δp）……

19、pm=（ pam、 pbm、 pcm）=（ pa0＋m· δp、 pb0＋m· δp、 pc0＋m· δp）；

20、将p1、p2、p3……pm代入仿真模型中进行计算，得到(1)- p1、(2)- p2、(3)- p3……(m)- pm数据组，并保证(m)＞0；

21、然后根据数据组建立特征点水平位移平均值和开挖面中心梯形支护压力的关系曲线图，从关系曲线图中选出特征点水平位移平均值最接近0时的梯形支护压力p*=（pa*、pb*、pc*）作为临界支护压力；

22、步骤四、将仿真模型中的梯形支护压力设定为临界支护压力p*，然后分别对多个土层进行强度折减计算，强度折减计算的方法为：

23、首先对土层的粘聚力c和内摩擦角 φ按照强度折减系数 f k进行折减，强度折减系数 f k选取自强度折减系数序列 f0、 f1、 f2、 f3…… f m， k为强度折减的次序数， k=1，2，3…… m， f k= f k-1+ δf， δf的取值范围为0.5~3.0；

24、折减后的粘聚力cf和内摩擦角 φf的计算公式为：

25、；

26、然后将每次强度折减后新得到的粘聚力cf和内摩擦角 φf代入仿真模型中进行计算，得到每次强度折减后多个特征点分别沿隧道轴线方向y的位移量δ u sy，然后计算计算特征点水平位移平均值：

27、；

28、上式中，( k)为第 k次强度折减后的水平位移平均值，为第 k次强度折减后特征点节点 s的沿隧道轴线方向y的位移量， s为位移特征点的个数；

29、在对多个土层分别进行强度折减计算时，将 l个土层从地面开始向下依次标记序号为土层1，2，3…… l，对粘聚力c和内摩擦角 φ依次按照按照强度折减系数序列 f1 -l 、f2 -l 、 f3 -l……进行折减，得到多个土层的水平位移平均值序列(1- l)、(2- l)、(3- l)……( k- l)；

30、然后分别建立多个土层的水平位移平均值和强度折减系数的关系曲线图，从关系曲线图中选出水平位移平均值的突变区域，并在突变区域的两侧绘制切线，将两侧切线交点对应的强度折减系数选取为该土层的安全系数，从而得到每个土层的安全系数 f1*， f2*， f3*…… f l*；

31、然后对每个土层的安全系数按照数值从小到大的顺序进行排列，并根据排列顺序将每个土层的安全系数重新标记序号为，，……，将每个安全系数对应的土层重新标记序号为土层1*，2*，3*…… l*；

32、步骤五、将仿真模型中的梯形支护压力设定为临界支护压力p*，在仿真模型中逐次进行多个土层的强度折减计算，得到多个土层的安全系数、、……；

33、当 l*=1时，=；

34、当 l*=2，3，4……时，分别根据土层重新标记的1*，2*，3*…… l*的序号顺序，在仿真模型中逐次选取多个土层进行强度折减计算，分别获取相应折减土层的建立特征点水平位移平均值和开挖面中心梯形支护压力的关系曲线图，然后根据突变区域两侧切线交点得到相应土层的安全系数；

35、步骤六、根据单土层强度折减的安全系数，，……，以及多个土层的强度折减安全系数、、……，分别计算每个土层的强度折减对失稳土体模块的影响系数 w1 *、 w2 *、 w3 *…… w l*；

36、601、按照土层重新标记的1*，2*，3*…… l*的序号顺序，计算折减系数的差值；

37、602、将δ f l *依次按照分配系数 w l-1 、w l-2 、w l-3…… w l-(l-1)分配到土层1*，2*，3*……( l-1)*的、、……安全系数值上，并计算更新后的多地层耦合折减安全系数、、……，公式如下：

38、；

39、；

40、；

41、……

42、；

43、603、当 l=2时，δ f2 *全部分配在土层1*的安全系数上，多地层耦合折减安全系数更新为、、……；

44、当 l=3时，δ f3 *按照 w 3-1、 w 3-2分配在土层1*、2*的安全系数上，分配系数分别为：

45、；

46、；

47、多地层耦合折减安全系数更新为、、……；

48、当 l=4时，δ f4 *按照 w 4-1 、w 4-2、 w 4-3分配在土层1*、2*、3*的安全系数上，分配系数分别为：

49、；

50、；

51、；

52、多地层耦合折减安全系数更新为、、、……；

53、直至将δ f l *分配在土层1*，2*，3*…… ( l-1)*的、、……安全系数上，获得最终的多地层耦合折减安全系数、、、……，；

54、604、计算多地层耦合折减中，每个地层对楔形体稳定影响系数 w 1*、 w 2*、 w 3*…… w l*的计算公式如下：

55、；

56、；

57、；

58、……

59、；

60、步骤七、计算梯形支护压力对楔形体安全的影响系数 λ，公式为：

61、 λ=pb0/pb*；

62、步骤八、计算多土层盾构隧道开挖面楔形体的最终安全系数 f，公式为：

63、。

64、根据上述技术方案，本发明的有益效果是：

65、本发明基于有限元仿真技术和多土层强度折减方法，考虑盾构隧道开挖面梯形支护压力因素，以有限元模型盾构开挖面楔形体特征点水平位移平均值为判定指标，通过判定支护压力条件下特征点水平位移平均值是否大于0，明确荷载改变条件，确定支护临界压力以及梯形支护压力对楔形体安全的影响系数；通过单土层强度参数折减计算结果确定对盾构开挖面楔形体安全影响的土层顺序，基于上述顺序对盾构隧道多土层参数进行耦合折减；计算单土层强度折减与多土层强度耦合折减条件下的土层安全系数差值，结合分配系数将差值按次序分配至多土层强度耦合折减安全系数上，获取楔形体稳定影响系数；由上述各影响系数和多地层强度折减耦合安全系数确定多地层盾构隧道开挖面楔形体安全系数。

66、本发明全面考虑了盾构隧道开挖面前方扰动破坏区的尺寸特征，选取的特征点能代表楔形体的变形情况，特征点水平位移平均值较开挖面中心单点水平位移更能清晰反映楔形体位移变形趋势；系数计算过程考虑了盾构隧道开挖面处梯形支护压力对楔形体安全的影响因素，增加了楔形体安全系数结果的计算准确度；楔形体稳定影响系数计算过程综合考虑不同地层对盾构隧道开挖面楔形体稳定性影响的程度大小，按照土层影响程度顺序进行耦合折减避免了折减系数搜索试算的繁琐过程，安全系数差值的分配充分考虑了土层耦合折减的相互影响效应，综合考虑开挖面支护压力因素以及多地层强度参数折减计算过程多土层对安全系数的影响效用，有效提升了多地层盾构隧道开挖面楔形体安全系数的准确度，推广性强、应用范围广。