一种盾构隧道同步注浆量预测方法

1.本发明涉及盾构隧道工程的技术领域，特别涉及一种盾构隧道同步注浆量预测方法。


背景技术：

2.盾构隧道同步注浆是盾构施工不可或缺的工艺环节。由于软土地层(特别是砂性地层)孔隙率大且孔隙分布的巨大差异性，地层的渗透性能具有显著的各向异性特征，导致盾构施工同步注浆浆液渗透扩散具有明显的各向异性和非均质性。同时，空隙的存在及其几何尺度的差异性，工程中很难形成统一的浆液技术性能指标，注浆参数的选取具有很大不确定性甚至盲目性。此外，地下水对浆液可能产生动水压力和稀释等多种复杂条件的综合作用。
3.长期以来，人们通过室内模拟试验研究了各种浆液对渗透性地层的适应性，通过模型试验研究盾构壁后注浆体变形及压力消散特性，通过离心模型试验研究盾构隧道引起地层损失和地表沉降；理论研究方面，基于牛顿流体、宾汉姆流体、幂流型流体等浆材在考虑浆液粘度时效性的条件下研究建立相应的浆液渗透扩散模型及注浆渗透扩散理论计算方法；数值模拟方面，结合工程及地质特性建立渗流数值模型，利用商用数值软件平台进行模拟施工方法和施工参数的计算分析。研究成果为盾构施工注浆方案及参数比选优化提供了支持。但由于工程地质条件的复杂性、土体孔隙状态、地下水等各向异性和非均质性，上述研究方法很难准确模拟工程地质条件和工艺参数，大多研究结果与工程实际存在较大差异，还停留在定量分析、定性使用的阶段。迫切需要建立适用于砂性地层的同步注浆扩散距离和注浆量的理论预测方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种盾构隧道同步注浆量预测方法，通过变形、空间充填渗透扩散范围的叠加方法，建立适用于砂性地层的同步注浆扩散距离和注浆量的理论预测方法。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种盾构隧道同步注浆量预测方法，包括：
5.s1、根据弹塑性理论，建立土体回弹对盾尾空隙的充填体积；
6.s2、采用基于等效柱状结构模型计算同步注浆压力作用下土体沿隧道径向的压缩变形；
7.s3、将渗透路径上的浆液分区间处理为bingham流体(非牛顿流体)、混合体和newton流体，建立隧道断面径向渗透扩散距离的理论解并根据土体孔隙比和渗透距离计算该部分注浆量；
8.s4、根据叠加模型建立综合因素作用下盾构同步注浆量预测计算公式。
9.优选的，还包括：
10.(1考虑浆液在注浆压力作用下对水的驱替作用，建立流管内浆液流动及其渐变状
态模型；
11.(2根据浆液渐变状态图，将流管内浆液存在状态划分为bingham非牛顿流体、混合体和牛顿流体等三种特征状态，并建立了响应状态下黏度系数的实用计算方法；
12.(3考虑土体变形、注浆扰动和浆液渗透特性，建立注浆量预测叠加模型及其理论解。
13.优选的，忽略土体颗粒和地下水的流动损失，所述同步注浆浆液的存在空间为当盾构管片安装完成、盾尾脱出后，隧道壁后与土体间形成50～100mm的环形间隙，土体卸载产生径向弹性恢复位移、；同时注浆系统启动向环形间隙同步注浆以充填间隙并部分恢复土体卸载位移及注浆过程中浆液在注入压力及重力作用下向土体渗透扩散的体积变化的叠加。
14.优选的，建设土体弹性恢复位移计算模型，包括任意θ方向土体应力释放及恢复位移可用虚拟柱状结构等效表达，可得任意θ对应的隧道径向土体卸载恢复位移如下：
[0015][0016]
其中，
[0017]
β＝γξ
μ
h+γξ
μ
rcosθ+4c；
[0018][0019][0020]
优选的，包括同步注浆作用下土体弹性位移模型，所述土体弹性位移模型中假定了隧道周边的土体为弹性体(含非线性弹性)，其径向等效变形刚度为k(θ)，浆液作用下土体径向位移如下：
[0021][0022]
其中，p0为注浆压力，mpa；γg为浆液容重，kn/m3。
[0023]
优选的，包括建立注浆渗透模型，所述注浆渗透模型包括建立一维虚拟渗流模型与建立流管内浆液流动及其渐变状态模型，所述虚拟流体管道，渗透距离理论的公式为：
[0024][0025]
式中:ξe为土体的孔隙比；
[0026]
γw为水的容重，kn/m3；
[0027]how
为相对隧道轴线的水位高度，m。
[0028]
优选的，还包括建立变形与体积扩散复合叠加模型，所述复合叠加模型中考虑浆液为不可压缩流体，浆液渗透量全部充满扩散区域的土体空隙，其中隧道单位长度渗透注浆量为：
[0029][0030]
本发明与现有技术相比，其有益效果是：通过建立过隧道断面形心的径向一维虚拟等效渗流模型，并将渗流路径上的浆液分区间处理为bingham流体、混合体和newton流体，从而建立bingham非牛顿流体的扩散渗透计算方法。并通过变形、空间充填渗透扩散范围的叠加方法，建立适用于砂性地层的同步注浆扩散距离和注浆量的理论预测方法。
附图说明
[0031]
图1为根据本发明的盾构隧道同步注浆量预测方法的隧道工程区域及其表征单元体图；
[0032]
图2为根据本发明的盾构隧道同步注浆量预测方法的变形与体积扩散复合叠加模型图；
[0033]
图3为根据本发明的盾构隧道同步注浆量预测方法的土体弹性恢复位移计算模型图；
[0034]
图4为根据本发明的盾构隧道同步注浆量预测方法的同步注浆作用下土体弹性位移模型图；
[0035]
图5为根据本发明的盾构隧道同步注浆量预测方法的一维虚拟渗流模型图；
[0036]
图6为根据本发明的盾构隧道同步注浆量预测方法的流管内浆液与水的存在状态概念图。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
参照图1-6，一种盾构隧道同步注浆量预测方法，包括：s1、根据弹塑性理论，建立土体回弹对盾尾空隙的充填体积；
[0039]
s2、采用基于等效柱状结构模型计算同步注浆压力作用下土体沿隧道径向的压缩变形；
[0040]
s3、将渗透路径上的浆液分区间处理为bingham流体(非牛顿流体)、混合体和newton流体，建立隧道断面径向渗透扩散距离的理论解并根据土体孔隙比和渗透距离计算该部分注浆量；
[0041]
s4、根据叠加模型建立综合因素作用下盾构同步注浆量预测计算公式。
[0042]
进一步的，还包括：
[0043]
(1考虑浆液在注浆压力作用下对水的驱替作用，建立流管内浆液流动及其渐变状态模型；
[0044]
(2根据浆液渐变状态图，将流管内浆液存在状态划分为bingham非牛顿流体、混合体和牛顿流体等三种特征状态，并建立了响应状态下黏度系数的实用计算方法；
[0045]
(3考虑土体变形、注浆扰动和浆液渗透特性，建立注浆量预测叠加模型及其理论解。
[0046]
参照图1，所述同步注浆浆液的存在空间为当盾构管片安装完成、盾尾脱出后，隧道壁后与土体间形成50～100mm的环形间隙，土体卸载产生径向弹性恢复位移、；同时注浆系统启动向环形间隙同步注浆以充填间隙并部分恢复土体卸载位移及注浆过程中浆液在注入压力及重力作用下向土体渗透扩散的体积变化的叠加。
[0047]
参照图2，建设土体弹性恢复位移计算模型，包括任意θ方向土体应力释放及恢复位移可用虚拟柱状结构等效表达，可得任意θ对应的隧道径向土体卸载恢复位移如下：
[0048][0049]
其中，
[0050]
β＝γξ
μ
h+γξ
μ
rcosθ+4c；
[0051][0052][0053]
进一步的，包括同步注浆作用下土体弹性位移模型，所述土体弹性位移模型中假定了隧道周边的土体为弹性体(含非线性弹性)，其径向等效变形刚度为k(θ)，浆液作用下土体径向位移如下：
[0054][0055]
其中，p0为注浆压力，mpa；γg为浆液容重，kn/m3。
[0056]
参照图4，包括建立注浆渗透模型，所述注浆渗透模型包括建立一维虚拟渗流模型与建立流管内浆液流动及其渐变状态模型，所述虚拟流体管道，渗透距离理论的公式为：
[0057][0058]
式中:ξe为土体的孔隙比；
[0059]
γw为水的容重，kn/m3；
[0060]how
为相对隧道轴线的水位高度，m。
[0061]
参照图5-6，还包括建立变形与体积扩散复合叠加模型，所述复合叠加模型中考虑浆液为不可压缩流体，浆液渗透量全部充满扩散区域的土体空隙，其中隧道单位长度渗透注浆量为：
[0062][0063]
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0064]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。