盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法

1.盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法，其特征在于，包括：S1、构建对接区地层条件的多维信息数据库；所述多维信息数据库包括对接段地层参数、盾构掘进参数及对接时空参数，用于提取先行盾构力学行为特征与后行盾构力学行为特征；S2、基于多维信息数据库，分析先行盾构结构抗力，并根据后行盾构掘进产生的附加荷载和先行盾构周围初始应力场，确定先行盾构所受附加荷载；所述先行盾构所受附加荷载包括地层间接传导荷载与瞬时碰撞荷载；S3、根据先行盾构结构抗力与先行盾构所受附加荷载，建立荷载与抗力比的响应评估体系以判定扰动等级，并根据扰动等级判定结果，采用微扰动控制措施；所述微扰动控制措施包括盾构结构加强、对接段地层加固及后行盾构掘进参数控制；所述基于多维信息数据库，分析先行盾构结构抗力，并基于后行盾构掘进产生的附加荷载和先行盾构周围初始应力场，确定先行盾构所受附加荷载包括：S21、基于多维信息数据库，通过数值模拟复现不同地层中盾构停机时间对附加应力场的影响，以提取先行盾构停机状态；S22、根据先行盾构停机状态，通过分析先行盾构的抗压能力、抗扭能力及抗拉能力，得到先行盾构结构抗力的评估结果；S23、通过模拟后行盾构掘进时附加应力场，结合先行盾构周围初始应力场，计算先行盾构所受附加荷载；所述根据先行盾构停机状态，通过分析先行盾构的抗压能力、抗扭能力及抗拉能力，得到先行盾构结构抗力的评估结果包括：S221、通过叠加土体与盾构壳体间的摩擦阻力与盾尾止退钢板焊缝的总承载力，获得先行盾构的抗压能力；所述土体与盾构壳体间的摩擦阻力随停机时长增加而增大；S222、计算土体对盾体的抗扭摩阻力、盾尾止退螺栓的抗剪力偶及管片螺栓的抗剪力偶之和，得到先行盾构的抗扭能力；所述抗扭能力用于抵抗后行盾构转动刀盘碰撞先行盾构刀盘时传递到盾尾的扭矩；S223、组合地层摩阻力与管片螺栓受拉承载力，确定先行盾构的抗拉能力，并结合先行盾构的抗压能力与抗扭能力，得到先行盾构结构抗力的评估结果；其中，所述根据先行盾构结构抗力与先行盾构所受附加荷载，建立荷载与抗力比的响应评估体系以判定扰动等级包括：将所述先行盾构结构抗力与先行盾构所受附加荷载进行比较，以建立荷载与抗力比的响应评估体系；根据荷载与抗力比的评估体系的比较结果，将扰动等级划分为轻度扰动、中度扰动及重度扰动；当扰动等级为轻度扰动时，触发自动监测；当扰动等级为中度扰动时，优化后行盾构掘进参数；当扰动等级为重度扰动时，采取微扰动控制措施；所述荷载与抗力比的响应评估体系的表达式为： ；式中，λ 压 、λ 扭 、λ 拉 分别为压力扰动等级、扭矩扰动等级和拉力扰动等级；T 碰撞 为碰撞扭矩峰值；▽q 间接 为传导荷载梯度；q 间接 为先行盾构表面的间接附加荷载；F为先行盾构的抗压能力；T为先行盾构的抗扭能力；L为先行盾构的抗拉能力。 2.根据权利要求1所述的盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法，其特征在于，所述构建对接区地层条件的多维信息数据库包括：基于地质勘探与渗透试验划分渗透性差异区段，并获取对接段地层参数；其中，所述渗透性差异区段包括砂层、黏土互层；所述对接段地层参数包括渗透系数、孔隙率、弹性模量和黏聚力；利用所述对接段地层参数，结合盾构掘进参数和对接时空参数，构建多维信息数据库；所述盾构掘进参数包括盾构掘进速度、刀盘贯入度、泥浆压力与注浆量；所述对接时空参数包括两盾构间距、对接时差、盾构姿态偏差；根据所述多维信息数据库，分析停机时差对附加应力场的影响，并应用达西定律与比奥固结理论，建立渗流-应力场动态耦合模型，以获取先行盾构力学行为特征与后行盾构力学行为特征。 3.根据权利要求1所述的盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法，其特征在于，所述基于多维信息数据库，通过数值模拟复现不同地层中盾构停机时间对附加应力场的影响，以提取先行盾构停机状态包括：S211、根据所述多维信息数据库中的对接段地质条件参数和盾构掘进参数，建立三维有限元模型，模拟砂层、黏土层及先行盾构停机状态下的隧道结构；所述三维有限元模型的范围根据盾构直径设置，以符合圣维南原理；S212、基于对接段地质条件参数，设置砂层与黏土层的材料本构模型，并设置边界条件；S213、通过模拟地下水渗流，将渗流场计算的孔隙水压力作为体积力耦合至应力场以更新有效应力，并耦合得到渗流-应力方程；S214、利用渗流-应力方程，模拟先行盾构在不同停机时间下的超静孔隙水压力消散及应力松弛，并提取先行盾构周围节点的附加应力。 4.根据权利要求3所述的盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法，其特征在于，所述设置边界条件包括：固定模型底部的竖向位移，并施加法向约束；根据模型周围实际水文条件，设置自由排水边界、不透水边界或恒定水头；通过重力加载生成先行盾构周围初始应力场，并将孔隙水压力按静水压力分布。 5.根据权利要求3所述的盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法，其特征在于，所述模拟地下水渗流的表达式为： ；式中，q为渗流速度；k为介质的渗透系数；μ为流体的动力黏度；▽p为压力梯度；ρ l 为流体密度；g为重力加速度；所述将渗流场计算的孔隙水压力作为体积力耦合至应力场以更新有效应力的表达式为：σ'=σ-u；式中，σ'为有效应力，用于决定土体变形与强度；σ为总应力，由外部荷载和土体自重产生；u为孔隙水压力，包括静水压力和超静孔隙水压力；所述耦合得到渗流-应力方程的表达式为： ·(σ')+ρ t g=0；式中， ·(σ')为附加应力；ρ t 为土体密度；g为重力加速度。 6.根据权利要求1所述的盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法，其特征在于，所述通过模拟后行盾构掘进时附加应力场，结合先行盾构周围初始应力场，计算先行盾构所受附加荷载包括：S231、通过建立场耦合模型，模拟后行盾构掘进时附加应力场的时空分布，提取后行附加应力场的演变规律；S232、结合先行盾构周围初始应力场与后行附加应力场，计算先行盾构表面的地层间接传导荷载与瞬时碰撞荷载，以获取先行盾构所受附加荷载。 7.根据权利要求6所述的盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法，其特征在于，所述通过建立场耦合模型，模拟后行盾构掘进时附加应力场的时空分布，提取后行附加应力场的演变规律包括：S2311、基于多维信息数据库嵌入动态参数，建立耦合渗流、应力、位移及物质的场耦合模型；其中，所述动态参数包括地层渗透系数、泥浆黏度及刀盘贯入阻力，所述刀盘贯入阻力等于掘进接触力减去静止接触力；S2312、根据场耦合模型，通过流固耦合方程模拟泥浆渗流路径，结合圣维南原理分析应力场传播范围；S2313、采用有限元法模拟后行盾构掘进时附加应力场的时空分布，量化砂层与黏土层的应力梯度差异。 8.根据权利要求7所述的盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法，其特征在于，所述采用有限元法模拟后行盾构掘进时附加应力场的时空分布，量化砂层与黏土层的应力梯度差异包括：建立后行盾构隧道结构及地层的三维动态有限元模型；所述三维动态有限元模型的模型范围符合圣维南原理，以确保边界不影响应力场分布；采用单元动态激活技术模拟隧道掘进施工过程，每推进一环，便激活一环衬砌，并移除一环土体；将刀盘面支护压力和盾尾注浆压力作为移动面荷载逐步施加；按照预设时间间隔输出全场应力数据，并记录关键时序点的应力状态，绘制不同时刻的三维应力云图；通过最大应力梯度，量化砂层与黏土层的应力梯度差异。 9.根据权利要求8所述的盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法，其特征在于，所述通过最大应力梯度，量化砂层与黏土层的应力梯度差异的表达式为： ；式中，G max 为最大应力梯度，用于表征地层中单位距离的主应力变化极值； 为最大主应力变化量，用于表征后行盾构掘进引起的最大主应力增量； 为最小主应力变化量，用于表征后行盾构掘进引起的最小主应力增量；Δ r 为径向距离微分，用于表征计算点距后行盾构刀盘中心的径向距离变化量。 10.根据权利要求6所述的盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法，其特征在于，所述结合先行盾构周围初始应力场与后行附加应力场，计算先行盾构表面的地层间接传导荷载与瞬时碰撞荷载，以获取先行盾构所受附加荷载包括：S2321、提取后行盾构掘进产生的应力场，结合先行盾构周围初始应力场，采用节点力差值法，计算先行盾构表面的地层间接传导荷载；S2322、建立两刀盘及周围土体的三维模型，对刀盘接触区域进行网格划分；定义刀盘间的接触类型，采用显式动力学求解器进行瞬态分析，并输出接触力时程曲线，以提取瞬时碰撞荷载；所述瞬时碰撞荷载包括最大荷载值、碰撞扭矩及作用时间。 11.根据权利要求10所述的盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法，其特征在于，所述采用节点力差值法，计算先行盾构表面的地层间接传导荷载的表达式为： ；式中，q 间接 为先行盾构表面的地层间接传导荷载；∑q 后行 (x,y,z)为在(x,y,z)位置后行盾构掘进产生的应力场；∑q 先行初始 为先行盾构周围初始应力场。 12.根据权利要求1所述的盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法，其特征在于，所述盾构结构加强包括：确定盾构隧道纵向管片加固范围并确定纵向加固钢板的长度、宽度和厚度，将纵向加固钢板与锚固钢板焊接固定，并采用整环加固方式纵向加固盾构隧道；在已拼装完成的管片上植筋安装锚板与橡胶保护层，退回千斤顶后将焊接完好的钢板整体拼装在管片对应位置，安装锚栓并压紧密封垫，完成整环钢板安装后将钢板与盾壳焊接固定；确定止退钢板平面尺寸与焊缝范围，并基于止退钢板母材及焊缝的强度验算结果，优化止退钢板参数。 13.根据权利要求12所述的盾构对接近接掘进叠加扰动响应评估与控制方法，其特征在于，所述对接段地层加固包括：利用后行盾构盾尾同步注浆系统进行压力控制注浆，当注浆压力持续升高至设定阈值时暂停注浆并静置，待压力消散后重新启动；基于先行盾构泥水舱预设的冲洗管路分阶段向泥水舱内压注加固浆液，依次进行下部初次填充、中部压力维持填充和上部密封填充；通过盾构壳体上预设的径向注浆孔及超前注浆孔按照从下至上顺序进行盾体径向注浆和盾外超前补偿注浆。