一种基于土体抗力的隧道轴线偏离判定方法

技术领域

本发明属于地下工程的技术领域，具体涉及一种基于土体抗力的隧道轴线偏离判定方法。

背景技术

顶管顶进过程中，由于复杂地层条件和不平衡外力等的影响，管道往往会发生轴线偏差，即管道高程和中心位置偏离设计值。轴线偏差分为高程偏差和水平偏差，我们把实测点到大地水准面或假定水准面的铅锤距离与相对设计高程的偏差称为高程偏差，水平偏差是指水平面上的管节中心位置与相对设计位置的左右方向偏差。

顶管施工过程中不只会发生水平面上的中心偏差，还会发生工具管的自转，使其原有的工作状态发生改变，甚至影响其液压千斤顶的布置。同时曲线顶管顶进时也要注意高程偏差，因为土质软硬的变化，掘进机机头可能会向上或向下发生角度偏差。无论是哪种偏差，都会阻碍施工的效率与安全，因此，研究顶管顶进轨迹的变化是非常关键的问题之一。目前研究大都集中于直线(正常)顶进方面，鲜有纠偏工况下轴线偏离判定方法方面的研究。本发明基于土体抗力计算原理，发明一种顶管隧道轴线偏离的判定方法，获得顶管施工期间发生纠偏的时间和程度，保障施工安全。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于土体抗力的隧道轴线偏离判定方法，通过计算土体抗力，并使土体抗力计算值小于等于被动土压力，以保证管节稳定顶进，不偏离设计轴线。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于土体抗力的隧道轴线偏离判定方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

对首节管进行受力分析，并基于马夸特理论计算管周土体反力σ；

其中，以管节的中心点为O点，对首节管的O点进行力矩平衡得：

式中：M

对第n节管进行受力分析：

第n-1节管进入曲线段时，第n节管处于直线段准备顶进，其管节间存在偏角张口成V型，对第n节管进行受力分析，其受力来自第n-1节管的顶推反力P

对第n节管的O点进行力矩平衡得：

式中：第n+1节管的顶推力P

根据管节土体反力图，得管周土体反力σ

在工具管或后续管节直线顶进曲线段时，当管周土体反力不大于被动土压力，工具管或后续管节不会偏离设计轴线。

所述被动土压力为垂直土压力q，通过被动土压力公式直接计算或通过主动土压力公式间接计算获得。

当所述垂直土压力q通过被动土压力公式直接计算获得时，其计算过程如下：

当管顶覆土小于等于管道外径，或覆盖土层为淤泥质土时，采用土柱理论计算：

q＝γh

当为其他情况时，采用Terzaghi松动土压力公式计算：

上式中：K为侧压力系数，K＝σ

当所述垂直土压力q通过主动土压力公式间接计算获得时，其计算过程如下：

侧向土压力q

管道顶部土压力随着覆土深度的增加而增大，在不计管道自重的情况下，作用于圆形顶管的土压力四周沿对称分布，取一半圆作为参考体，在圆上取一微分ds，ds＝Rdθ，此时作用于ds上的土压力为dN，管顶土压力产生的法向土压力为d

d

ds＝Rdθ；

d

利用积分原理可得管侧土压力N

本发明的优点是：通过计算土体抗力，并使土体抗力计算值小于等于被动土压力，获得顶管施工期间发生纠偏的时间和程度，以保证管节稳定顶进，不偏离设计轴线，保障施工安全。

附图说明

图1为本发明中首节管的受力分析图；

图2为本发明中首节管轴线反力分布图(一)；

图3为本发明中首节管轴线反力分布图(二)；

图4为本发明中第n节管的受力分析图；

图5为本发明中第n节管轴线反力分布图(一)；

图6为本发明中第n节管轴线反力分布图(二)；

图7为本发明中侧向土压力q

图8为本发明中管顶土压力产生的法向土压力d

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：如图1-8所示，本实施例具体涉及一种基于土体抗力的隧道轴线偏离判定方法，该方法具体包括以下步骤：

对传统工法首节管进行受力分析，并根据马夸特理论假定土体抗力分布在管底120°范围，作用在管侧的土体沿径向均匀分布，轴向线性变化，分布形式为三角形分布，为了确定其大小和作用点位置，分解受力如图1、图2和图3所示，以管节的中心点为O点，由二力平衡得：

由于管节间夹角δ过小，P

式中：M

对第n节管进行受力分析：

第n-1节管进入曲线段时，第n节管处于直线段准备顶进，其管节间存在偏角张口成V型，对第n节管进行受力分析，其受力来自第n-1节管的顶推反力P

对第n节管的O点进行力矩平衡得：

式中：第n+1节管的顶推力P

根据管节土体反力图，得管周土体反力σ

在工具管或后续管节直线顶进曲线段时，当管周土体反力不大于被动土压力，工具管或后续管节不会偏离设计轴线。

其中，被动土压力为垂直土压力q，通过被动土压力公式直接计算或通过主动土压力公式间接计算获得。

当垂直土压力q通过被动土压力公式直接计算获得时，其计算过程如下：

当管顶覆土小于等于管道外径，或覆盖土层为淤泥质土时，采用土柱理论计算：

q＝γh

当为其他情况时，采用Terzaghi松动土压力公式计算：

q＝σ

上式中：K为侧压力系数，K＝σ

当垂直土压力q通过主动土压力公式间接计算获得时，其计算过程如下：

侧向土压力q

管道顶部土压力随着覆土深度的增加而增大，在不计管道自重的情况下，作用于圆形顶管的土压力四周沿对称分布，取一半圆作为参考体，在圆上取一微分ds，ds＝Rdθ，此时作用于ds上的土压力为dN，管顶土压力产生的法向土压力为d

d

ds＝Rdθ；

d

利用积分原理可得管侧土压力N

本实施例中，以某一曲线顶管工程项目标段为例，其穿越土层为细砂，其参数如下：γ＝20(g/cm

1、顶管工具管直线顶进曲线段时，计算得到的土体抗力为σ＝180.2kN，土体周围可提供的土体反力按被动土压力公式计算，在细砂层施工时土体可提供的抗力σ

2、当任意一节管顶进曲线段时，土体能提供的最大抗力σ

本实施例的有益效果为：通过计算土体抗力，并使土体抗力计算值小于等于被动土压力，获得顶管施工期间发生纠偏的时间和程度，以保证管节稳定顶进，不偏离设计轴线，保障施工安全。

虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。