CN102704937B - 一种盾构隧道施工沉降模式的识别处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构隧道施工沉降模式的识别处理方法，该方法包括以下步骤：1)采集盾构隧道地表沉降监测数据，并存入数据库；2)对隧道横向沉降曲线模式和纵向沉降曲线模式进行分析识别处理，判断出所属模式；3)分析得出与所属模式相关联的施工参数，为施工优化提供指导与依据。与现有技术相比，本发明具有改变了监测数据及施工参数只能依靠人工进行识别的现状，实现了曲线模式的自动判别、曲线分析结果的自动生成，以及各参数关联度的拟合，从而为施工优化提供指导与依据等优点。

Description

一种盾构隧道施工沉降模式的识别处理方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道施工领域，尤其是涉及一种盾构隧道施工沉降模式的识别处理方法。

背景技术

随着我国经济的不断发展，大中城市对地下轨道交通、市政工程管线的需求量逐年增加。近年来，地下铁道与大直径市政管道工程在经济发达城市大量兴建。在沿海软土地区，盾构工法以其高程度的机械化施工、成熟的施工工艺、适应高水平的环境保护要求，往往成为地下隧道修建的首选工法。

盾构法隧道工程中，地表沉降数据被认为是反映施工对周边环境影响及隧道修建质量的重要指标之一。在复杂的地质条件下的地铁隧道工程中，特别是在城市中心城区高环境保护要求的施工条件下，盾构法隧道面临着越来越高的施工技术要求和限制条件，尤其是地表沉降控制要求。盾构施工阶段的土体变形与施工过程中盾构机的施工参数紧密有关，一方面可以通过施工参数的优化达到控制变形的目的，另一方面，从变形数据的变化中可以发掘施工参数的变化规律和优劣。

在盾构数据分析领域，当前的学术研究主要集中在：理论沉降曲线的解析解与数值模拟、沉降数据与理论沉降曲线的拟合分析等方面。对于实测数据内涵的规律，特别是其与施工状态的关系方面研究的不够充分，其研究往往局限在几种有限的、经典的经验公式或理想化的几种理论曲线方面，对于实际施工中存在的各种复杂状态对应的复杂变形形态很少或没有涉及。因此，传统的数据分析处理一般仅能作为参考，必须依靠非常专业的人员甚至专家进行研判或解释，才能为工程所用，这大大限制了盾构信息化施工的效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种改变了监测数据及施工参数只能依靠人工进行识别的现状，实现了曲线模式的自动判别、曲线分析结果的自动生成，以及各参数关联度的拟合，从而为施工优化提供指导与依据的盾构隧道施工沉降模式的识别处理方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种盾构隧道施工沉降模式的识别处理方法，该方法包括以下步骤：

1）采集盾构隧道地表沉降监测数据，并存入数据库；

2）对隧道横向沉降曲线模式和纵向沉降曲线模式进行分析识别处理，判断出所属模式；

3）分析得出与所属模式相关联的施工参数，为施工优化提供指导与依据；

所述的横向沉降曲线模式的分析识别处理包括以下步骤：

301）进行危险值判断和沉降/隆起判断，如果判断为沉降型则进行步骤302）；

302）判断曲线是否为反对称型，如果判断为否则进行步骤303）；

303）进行曲线对称性判断，如果判断为是则进行步骤304），否则进行步骤306）；

304）进行曲线正态性判断，如果判断为是则进行步骤305），否者进行步骤306）；

305）进行曲线标准/偏移Peck判断，如果判断为是则为Peck曲线，否则为偏移的Peck曲线；

306）进行曲线极值数量判断，如果判断为三个则进行步骤307），如果判断为一个，则进行步骤308），如果判断为其它值则为其它模式；

307）判断曲线是否为W型，判断为否则进行步骤309）；

308）判断曲线是否为直线型，判断为否则进行步骤310）；

309）判断曲线是否为局部W型，如果判断为否则为其它模式；

310）判断曲线是否为不对称开挖型，如果判断为否则为其它模式。

所述的横向沉降曲线模式包括Peck曲线、偏离的Peck曲线、反对称曲线、不对称开挖作用下的曲线、类直线型曲线、W型曲线、局部的W型曲线、其它模式。

所述的纵向沉降曲线模式包括切口沉降模式、盾尾沉降模式、后续阶段沉降稳定模式，所述的切口沉降模式包括隆起型、沉降型、突沉型，所述的盾尾沉降模式包括盾尾突沉、正常沉降、超量注浆，所述的后续阶段沉降稳定模式包括沉降稳定、沉降异常。

所述的纵向沉降曲线模式进行分析识别处理包括以下步骤：

501）判断切口前方连续隆起点数量是否超过3，且最大隆起值超过3mm，如果判断为是则曲线为隆起型，否则曲线为沉降型；判断切口前方是否均为沉降点，且存在一个极小值点，此极小值点的沉降量大于初始点至切口范围内所有测点的沉降量，如果判断为是则曲线为突沉型，否则曲线为沉降型；

502）纵向测点中距离切口最近的测点计为A点，距离盾尾最近的测点计为B点，B点后方5环测点计为C点，线段AB的斜率为K1、线段BC的斜率为K，K2=1mm/m-K1，K3=-2mm/m-K1，判断线段BC的斜率K与K2、K3的关系，如果K小于K2，则判断为“超量注浆”；如果K大于等于K2，且小于等于K3，则判断为“正常沉降”；如果K大于K3，则判断为“盾尾突沉”；

503）判断曲线尾部5个点在最近两次量测出的沉降速率V是否均大于等于0，且小于0.1mm/天，如果判断为是则曲线为沉降稳定，否则判断为沉降异常。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、可以针对不同施工状态的沉降模式及其曲线要素与特征，为施工现场提供一种专业化、智能化的沉降数据曲线模式识别方法，这种方法改变了监测数据及施工参数只能依靠人工进行识别的现状，在大量工程经验的基础上，提炼出了数据曲线的特征，建立了具有一定可扩展性与灵活性的判别流程，实现了曲线模式的自动判别、曲线分析结果的自动生成，以及各参数关联度的拟合，从而为施工优化提供指导与依据。

2、本方法可在盾构隧道地表沉降监测数据、施工参数存入数据库后，对隧道横断面沉降曲线模式、纵向沉降曲线模式进行分析识别，判别出其所属模式，并计算得出与其模式紧密相关的、具有物理意义的重要参数，直观、定量地反映了盾构隧道施工在横向、纵向两个维度上对地表沉降的影响。

3、本方法在已有纵向沉降数据的基础上，基于理论纵向沉降公式，拟合出关键参数，从而得出标准纵向沉降公式，与实测曲线对比分析。

4、本方法通过代入隧道纵向线型的基本参数，可以实现了隧道里程、环号的换算，并可以根据隧道里程、环号之一求出隧道轴线标高。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为隧道横向沉降曲线模式的分析识别处理流程图；

图3为隧道纵向沉降曲线模式判别流程图；

图4为盾尾突沉判断示意图；

图5为理论纵向沉降曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种盾构隧道施工沉降模式的识别处理方法，该方法包括以下步骤：1）采集盾构隧道地表沉降监测数据，并存入数据库；2）对隧道横向沉降曲线模式和纵向沉降曲线模式进行分析识别处理，判断出所属模式；3）分析得出与所属模式相关联的施工参数，为施工优化提供指导与依据。

如图2所示，横向沉降曲线模式的分析识别处理包括以下步骤：

步骤301）进行危险值判断和沉降/隆起判断，如果判断为沉降型则进行步骤302）；

步骤302）判断曲线是否为反对称型，如果判断为否则进行步骤303）；

步骤303）进行曲线对称性判断，如果判断为是则进行步骤304），否则进行步骤306）；

步骤304）进行曲线正态性判断，如果判断为是则进行步骤305），否者进行步骤306）；

步骤305）进行曲线标准/偏移Peck判断，如果判断为是则为Peck曲线，否则为偏移的Peck曲线；

步骤306）进行曲线极值数量判断，如果判断为三个则进行步骤307），如果判断为一个，则进行步骤308），如果判断为其它值则为其它模式；

步骤307）判断曲线是否为W型，判断为否则进行步骤309）；

步骤308）判断曲线是否为直线型，判断为否则进行步骤310）；

步骤309）判断曲线是否为局部W型，如果判断为否则为其它模式；

步骤310）判断曲线是否为不对称开挖型，如果判断为否则为其它模式。

横向沉降模式指的是盾构法隧道施工引起的横向监测断面的地表沉降分布的模式。根据过往工程经验，可以认为存在如下八种横向沉降模式，每种模式又存在“沉降”与“隆起”两种情况。

表1八种横向沉降模式

通过表1所示流程的判断，可以根据监测数据，判别出以上模式类型，并给出沉降槽宽度、危险值报警、各测点信息、模式判定结果、左右沉降槽宽度和地层损失。为施工风险识别或施工控制提供了科学依据。

表2横向沉降模式输出项

表3、表4具体解释了横向沉降模式判别流程中各判据的具体判别方法，说明如下：

表3横向沉降模式判断依据说明

表4重要变量及参数定义及说明

纵向沉降模式判别

纵向曲线识别流程分为三个部分：切口沉降模式识别、盾尾沉降模式识别、长期沉降稳定模式识别。本识别程序默认数据库内的数据连续、无缺失，若数据存在不连续，则无法判断，输出为“空”。

切口沉降

切口前方的土体沉降是判别开挖面稳定性状况的一个重要指标。根据常见的曲线形式，可以将切口沉降模式分为3种：隆起型、沉降型、突沉型。如开挖面支撑压力较大，则切口前方地层将会隆起，曲线形态为模式1。模式1又可以分为两个子类型：①隆起发生在切口前②隆起发生在盾构中部。模式2中的曲线反映了盾构开挖面的土压力控制在了合理水平，切口前方无土体隆起，沿隧道轴线土体下沉，沉降速率较小。模式3反应的是切口前方土体出现坍塌失稳的状况，说明开挖面支撑压力明显过小。

表5三种切口沉降模式

盾尾沉降

如4图所示，盾尾沉降可分为三种模式：模式1.盾尾突沉；模式2.正常沉降；模式3.超量注浆。

模式1.盾尾突沉反映了盾构注浆不足以及其他因素影响下盾尾沉降突然增大的情况。

模式2.正常沉降反映了盾构后方沉降曲线较为缓和，地层损失被控制在一个较小的范围内。

模式3.超量注浆反映了注浆量过大等情况下盾尾后方土体隆起的情况。

后续阶段沉降稳定

后续沉降模式分为沉降稳定、沉降异常两种模式。若后续沉降速率过快，则判断为异常则说明沉降控制效果不佳，需采取二次补浆等措施。

纵向沉降基准曲线及沉降预测

纵向沉降基准曲线

本发明基于横断面、纵断面地表沉降监测数据，并将之于基准曲线的特征进行对比，判断施工参数的优劣，为进一步优化施工质量、优化施工参数提供依据。

本发明将横向与纵向沉降数据结合起来进行综合判断，因此，基准曲线的计算也并不是孤立的，而是与横向沉降部分有机结合在一起的。基准曲线选用刘建航院士提出的估算公式：

$s\left(y\right)=\frac{V_{l1}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}i}\left(\frac{y-y_i}{i}\right)-\mathrm{\Φ}\left(\frac{y-y_f}{i}\right)\frac{V_{l2}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}i}\left(\frac{y-{y_i}^{\′}}{i}\right)-\mathrm{\Φ}\left(\frac{y-{y^{\′}}_f}{i}\right)(1-1)$

式中：s(y)——纵向地表沉降量；

i—沉降槽宽度系数，可按照理论公式计算确定：

软黏土： $\frac{i}{R}={\left(\frac{z}{2R}\right)}^{0.8}$

砂土：

y——沉降点至坐标轴原点的距离；

yi——盾构推进起始点处（工作井位置）盾构开挖面至坐标轴原点的距离；

yf——当前时刻盾构开挖面至坐标轴原点的距离；

yi^'=yi-l，yf'=yf-l，l为盾构机的长度；

V_l1——盾构开挖面引起的地层损失（m3/m）(欠挖隆起时为负值)；

V_l2——盾构开挖面以后，以盾尾空隙压浆不足及盾构改变推进方向为主的所有施工因素引起的地层损失（m3/m）（均为正值）；

φ(x)函数——可由标准正态分布函数表查得或通过数值积分求得。

纵向沉降预测

采用基准曲线本身不能考虑实测历史数据的影响，因此并不能精确预测盾构施工下一步推进引起的后续变形，必须通过一定变化转化为增量表达式，求处当前施工参数引起的增量变化，这是相对固定的，然后将其与历史值进行叠加，方能得到符合实际的预测值。

本发明将起进行导数变化，即可得到单次推进引起的位移增量表达式：

Δs=Δy*f(y)，式中Δy为单次推进的距离，

进而得到按此参数推进n环后的沉降预测值为：

$S_n=S_{n-1}+\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔS}}_k$

纵向沉降模式判别流程

切口沉降模式判别方法

模式1.隆起型判断依据：切口前方连续隆起点数量超过3个(参数a)，且最大隆起值超过3mm(参数b)。(关于“连续隆起点”的说明：可能存在个别测点测量值不存在而被剔除的情况，若无效测点被剔除后，其他点满足判断依据，则仍认为连续。)

模式3.突沉型判断依据：切口前方均为沉降点，且存在一个极小值点，此极小值点沉降量大于初始点至切口范围内所有测点的沉降量（即为此范围内沉降量最大的点）。

模式2.沉降型判断依据:除模式1、3，均为模式2。

盾尾沉降模式判别方法

图4中A、B、C点的确定：

(1)A为纵向测点中距离切口最近的一点。

(2)B为纵向测点中距离盾尾最近的一点，可根据盾构长度由A点换算得来。

(3)C为B点后方，距离B点5环/6m(参数c)的测点。

如图4，线段AB的斜率为K1、线段BC的斜率为K。根据线段BC的斜率K，可以盾尾后的沉降曲线分为：超量注浆、正常曲线与盾尾突沉，具体判断方法如下：

(1).K<K2，则属于“超量注浆”，给出提示“注浆量过大”。

(2).K2≤K≤K3，则属于“正常曲线”。

(3).K>K3，则属于“盾尾突沉”，给出提示“注浆不足，需二次补浆”。

其中，K2、K3可以根据K1求得：K2=1mm/m-K1(参数g);K3=-2mm/m-K1(参数h)。

若盾尾后方数据数量小于7个，则给出提示：盾尾后方数据量过少，输出为“无法判断”。

后续沉降模式判别方法

(1).若满足下列条件，则判断为“后续阶段沉降稳定”，否则为“后续阶段沉降异常”，判断结果输出（print）。

条件：曲线尾部5个点(参数e)在最近2次量测出的沉降速率V均满足：0≤V<0.1mm/天(参数f)。（需读入上两个时刻的沉降数据）

若盾尾后方数据数量小于7个，则无法判断模式。

(2).C点（盾尾后5环处）与沉降曲线末端的点的连线，若斜率大于0.5mm/m(参数k)，则给出提示“后续沉降过大，需二次补浆。”

基准沉降曲线分布

图5中曲线a为盾构正面有负地层损失的情况的地表沉降，曲线b为盾构正面有正地层损失的情况的地表沉降。yi、yi'均为定值，在某一时刻yf、yf'也是确定的，i值可以根据横断面沉降曲线求得，

均可查表或数值积分求得。当V_l1为负值时，盾构前方地面上一定范围的各点发生隆起，呈隆起曲线，而在隆起曲线的后面则变为沉降曲线，如曲线a所示。

本公式基本是用于盾构正面及盾尾的地层损失比较正常、均匀的施工条件；若盾构正面欠挖量变化不定，压浆拖后，且压浆量变化无常，则实际的沉降曲线就不符合计算曲线。

根据沉降数据，计算出V_l1、V_l2、i，得出公式，并根据此公式，求出每个沉降测点处的沉降值，以方便将其与实测曲线作对比。

根据本发明方法还需要提供硬件设备，该硬件设备包括处理器、数据采集器、存储器、显示器。数据采集器采集现场施工数据，并输送给处理器，处理器调用存储器中的数据并对采集的数据进行处理，得出施工沉降模式以及与模式紧密相关的、具有物理意义的重要参数，并通过显示器显示出来，从而为施工优化提供指导与依据。

Claims (4)

1.一种盾构隧道施工沉降模式的识别处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）采集盾构隧道地表沉降监测数据，并存入数据库；

2）对隧道横向沉降曲线模式和纵向沉降曲线模式进行分析识别处理，判断出所属模式；

3）分析得出与所属模式相关联的施工参数，为施工优化提供指导与依据；

所述的横向沉降曲线模式的分析识别处理包括以下步骤：

301）进行危险值判断和沉降/隆起判断，如果判断为沉降型则进行步骤302）；

302）判断曲线是否为反对称型，如果判断为否则进行步骤303）；

303）进行曲线对称性判断，如果判断为是则进行步骤304），否则进行步骤306）；

304）进行曲线正态性判断，如果判断为是则进行步骤305），否者进行步骤306）；

305）进行曲线标准/偏移Peck判断，如果判断为是则为Peck曲线，否则为偏移的Peck曲线；

306）进行曲线极值数量判断，如果判断为三个则进行步骤307），如果判断为一个，则进行步骤308），如果判断为其它值则为其它模式；

307）判断曲线是否为W型，判断为否则进行步骤309）；

308）判断曲线是否为直线型，判断为否则进行步骤310）；

309）判断曲线是否为局部W型，如果判断为否则为其它模式；

310）判断曲线是否为不对称开挖型，如果判断为否则为其它模式。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道施工沉降模式的识别处理方法，其特征在于，所述的横向沉降曲线模式包括Peck曲线、偏离的Peck曲线、反对称曲线、不对称开挖作用下的曲线、类直线型曲线、W型曲线、局部的W型曲线、其它模式。

3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道施工沉降模式的识别处理方法，其特征在于，所述的纵向沉降曲线模式包括切口沉降模式、盾尾沉降模式、后续阶段沉降稳定模式，所述的切口沉降模式包括隆起型、沉降型、突沉型，所述的盾尾沉降模式包括盾尾突沉、正常沉降、超量注浆，所述的后续阶段沉降稳定模式包括沉降稳定、沉降异常。

4.根据权利要求1或3所述的一种盾构隧道施工沉降模式的识别处理方法，其特征在于，所述的纵向沉降曲线模式进行分析识别处理包括以下步骤：

501）判断切口前方连续隆起点数量是否超过3，且最大隆起值超过3mm，如果判断为是则曲线为隆起型，否则曲线为沉降型；判断切口前方是否均为沉降点，且存在一个极小值点，此极小值点的沉降量大于初始点至切口范围内所有测点的沉降量，如果判断为是则曲线为突沉型，否则曲线为沉降型；

502）纵向测点中距离切口最近的测点计为A点，距离盾尾最近的测点计为B点，B点后方5环测点计为C点，线段AB的斜率为K1、线段BC的斜率为K，K2=1mm/m-K1，K3=-2mm/m-K1，判断线段BC的斜率K与K2、K3的关系，如果K小于K2，则判断为“超量注浆”；如果K大于等于K2，且小于等于K3，则判断为“正常沉降”；如果K大于K3，则判断为“盾尾突沉”；

503）判断曲线尾部5个点在最近两次量测出的沉降速率V是否均大于等于0，且小于0.1mm/天，如果判断为是则曲线为沉降稳定，否则判断为沉降异常。

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