CN103195435A - 一种控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法，公开了一种利用控制地层损失控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法，该方法包括以下步骤：首先，建立一套盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降“地层损失”的概念体系；其次，利用试验段监测数据建立地层损失与地面沉降，地层损失与施工参数的数学模型；再次，依据盾构穿越建筑密集区沉降控制目标，反算地层损失目标；最后，利用地层损失目标，建议盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的施工控制参数。本发明方法将理论分析、科学试验与数值模拟较好的融合为一体，适用性强、监控测量范围广，可靠性好，精度高，实现了盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降施工参数的定量化精细化控制。

Description

一种控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，涉及盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法，尤其涉及一种利用控制地层损失控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法。

背景技术

盾构法施工技术是地铁建设工程的关键技术。盾构法修建城市地铁已经历了100多年的发展，施工技术也日益完善，但工程实践表明，盾构法修建城市地铁过程中，无论其埋深大小，都将不可避免地对岩土体产生扰动，引起不同程度的地表移动和变形，这种现象在软土地层中尤为显著。此外，在复杂工程、水文地质条件下，因勘察、设计或施工措施不当等造成地面沉陷、隧道涌水、周边建（构）筑物破损、地下管线损害的事故时有发生，造成了重大经济损失和恶劣的社会影响。

事实上，盾构法隧道施工过程非常复杂，单纯依靠数学经验公式和试验研究难以全面准确地反映盾构施工对周围环境的影响，无法掌握此类影响的物理力学过程及沉降控制方向，只能用于沉降的预测和事后分析，无法直接指导施工控制过程；数值模拟方法是实现盾构推进诱发地面沉降预测和控制的重要途径之一，但其在地层损失计算理论及参数确定方法上存在一定问题，有时模型计算参数难以客观确定，只能在事后“凑数据”来实现对实测成果的拟合，因计算结果的可靠性问题，无法有效指导施工控制。

现有的关于隧道地层损失的技术主要是关于离心场中隧道地层损失及注浆模拟控制系统，例如：中国专利CN102168562A离心场中隧道地层损失及注浆模拟控制系统，该系统包括模型箱、隔板、模型组件、操作子系统、离心机、所述的隔板设在模型箱中，将模型箱分成两部分，为模型侧、附件侧，模型组件设在模型侧中，附件组件设在附件侧中。

有关利用控制地层损失控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法未见报道。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种利用控制地层损失控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法，该方法实现了经验-数学分析法与数值模拟法两者相互融合，将理论分析、科学试验与数值模拟较好的融合为一体，具有准确、精度高、预测范围广、适用性强，可靠性好的特点，同时该方法实现了盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降施工参数的定量化精细化控制。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种利用控制地层损失控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法，该方法包括以下步骤：

首先，建立一套盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降“地层损失”的体系；其次，利用试验段监测数据建立地层损失与地面沉降，地层损失与施工参数的数学模型；再次，依据盾构穿越建筑密集区沉降控制目标，反算地层损失目标；最后，利用地层损失目标，建议盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的施工控制参数。

所述的建立一套盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降“地层损失”的体系包括以下步骤：

（1）利用地层损失率法对地层损失进行分析，以定义现有解析法。

（2）利用位移边界条件法对地层损失进行分析，以定义现有数值法。

（3）基于步骤（1）和（2）对“地层损失”概念进行重新界定。认为，将由于超挖（蛇形）、间隙与注浆共同作用下所产生的、不考虑土体变形的、实际开挖土体积（需考虑开挖后土体体积的变化）与理论挖土体积之差称为地层损失。

所述一套盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降“地层损失”的概念体系实现方法为：

（1）利用地层损失率法对地层损失进行分析，以定义现有解析法；

地层损失率以占盾构理论排土体积的百分比V_l%表示，圆形盾构理论排土体积为

其中：r₀为盾构外径，l为推进长度，则单位长度地层损失为

因此，地层损失率表示为：

$V_l(\%)=\frac{V}{{\mathrm{\πr}}_0^2}\×100\%---\left(1\right)$

式中：V_l(%)——地层损失率；

V——单位长度的地层损失；

r₀——盾构外径；

由公式（1）可知，确定了地层损失率，也就确定了地层损失；

（2）利用位移边界条件法对地层损失进行分析，以定义现有数值法；设隧道外径为盾构机外壳的半径，则地层损失通过隧道外径的收缩予以计算；因此，有：

地层损失率=（隧道初始面积—隧道外径收缩后面积）/隧道初始面积（2）

（3）基于步骤（1）和（2）对“地层损失”概念进行重新界定；将由于超挖、间隙与注浆共同作用下所产生的、不考虑土体变形的、实际开挖土体积与理论挖土体积之差称为地层损失。

所述的利用试验段监测数据建立地层损失与地面沉降，地层损失与施工参数的数学模型包括以下步骤：

（1）试验段监测数据分析。

（2）基于地层损失的概念，建立盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的数值模型，主要包括二维数值模型与三维数值模型。

（3）采用数值模拟法，考虑地层损失率0.2%、0.5%、1.0%、1.5%，按照0.1%的步长，计算其距隧道中线的一定距离（横向取80m，纵向取距始发井180m）以内不同地层损失率的三维横向地表沉降、三维纵向地表沉降、不同土舱压力下三维纵向地表沉降。

所述的依据盾构穿越建筑密集区沉降控制目标，反算地层损失目标包括以下步骤：（1）确定盾构穿越建筑密集区沉降控制目标。

（2）基于地层损失，对二维、三维、经验解析公式计算的横向沉降以及盾构推进至不同位置时三维数值计算结果与实际监测数据进行对比，反算地层损失目标。

所述的利用地层损失目标，建议盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的施工控制参数主要实现方法为：根据确定的地层损失目标，以及反算的地层损失目标，确定总地层损失率控制系数、土舱内土压力控制系数。

相比传统的盾构施工诱发地面沉降的控制方法，利用控制地层损失控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法，实现了基于“地层损失”体系，利用数值模拟同时结合经验解析公式，建立了盾构施工诱发沉降的概念模型，并依此模型对施工过程进行解析计算与数值模拟计算，参照实际“地层损失”预测盾构推进诱发沉降的量级，并依据沉降控制目标反演“地层损失”的控制目标、反馈盾构施工控制参数，从而建立一套分析预测盾构施工诱发地面沉降的方法。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明方法建立了地层损失的概念体系，并以“地层损失”的概念体系为桥梁，将解析计算法和数值计算法相互沟通，相互参照应证，具有高精度性。

2、本发明方法对盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的影响因素进行了全面分析，考虑全面、精度较高，对提高盾构穿越建筑密集区的安全施工提供了重要参考，对推进盾构技术的发展具有较重要参考价值。

3、本发明方法基于地层损失的概念，采用经验—解析公式法和数值模拟法对盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降进行了计算，将理论分析、科学试验与数值模拟较好的融合为一体，适用性强、监控测量范围广，可靠性好。

4、本发明方法实现了盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降施工参数的定量化精细化控制。

附图说明

图1为本发明一种利用控制地层损失控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法流程示意图。

图2为本发明实施例试验段C8横断面隆沉变化曲线图。

图3为本发明二维数值模型图。

图4为本发明三维数值模型图。

图5为本发明地层损失率0.2%、0.5%、1.0%、1.5%情况下三维横向地表沉降图。

图6为本发明地层损失率0.2%、0.5%、1.0%、1.5%情况下三维纵向地表沉降图。

图7为本发明200kPa、250kPa、300kPa情况下三维纵向地表沉降图。

图8为本发明二维、三维、经验解析公式横向沉降与实际监测数据对比图。

图9为本发明盾构推进至不同位置时三维数值计算与监测数据对比图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本实例采用盾构穿越某地集金融、商务及旅游为一体的建筑密集区，该隧道直径约14.0m，隧道衬砌管片混凝土强度等级C60，抗渗等级S12，管片宽度2.0m，管片厚度0.6m，隧道盾构掘进范围内土层为②₀、②_3-2、③、④、⑤₁、⑤₃、⑤_3t层，隧道全长约1100.0m，同时结合现场监测数据，利用控制地层损失控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降。

如图1所示，图1为本发明一种利用控制地层损失控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法流程示意图。

一种利用控制地层损失控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法，该方法包括以下步骤：

首先，建立一套盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降“地层损失”的概念体系；其次，利用试验段监测数据建立地层损失与地面沉降，地层损失与施工参数的数学模型；再次，依据盾构穿越建筑密集区沉降控制目标，反算地层损失目标；最后，利用地层损失目标，建议盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的施工控制参数。

各阶段具体实现方法为：

1.一套盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降“地层损失”的概念体系。

一套盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降“地层损失”的概念体系实现方法为：

（1）利用地层损失率法对地层损失进行分析，以定义现有解析法。地层损失率以占盾构理论排土体积的百分比（V_l%）表示，圆形盾构理论排土体积为

（r₀为盾构外径，l为推进长度），则单位长度地层损失为

因此，地层损失率表示为：

$V_l(\%)=\frac{V}{\mathrm{\π}{r}_0^2}\×100\%---\left(1\right)$

式中：V_l(%)——地层损失率；

V——单位长度的地层损失；

r₀——盾构外径。

由公式（1）可知，确定了地层损失率，也就确定了地层损失。

（2）利用位移边界条件法对地层损失进行分析，以定义现有数值法。设隧道外径为盾构机外壳的半径，则地层损失通过隧道外径的收缩予以计算。因此，有：

地层损失率=（隧道初始面积—隧道外径收缩后面积）/隧道初始面积（2）

（3）基于步骤（1）和（2）对“地层损失”概念进行重新界定。认为，将由于超挖（蛇形）、间隙与注浆共同作用下所产生的、不考虑土体变形的、实际开挖土体积（需考虑开挖后土体体积的变化）与理论挖土体积之差称为地层损失。

2.利用试验段监测数据建立地层损失与地面沉降，地层损失与施工参数的数学模型。

利用试验段监测数据建立地层损失与地面沉降，地层损失与施工参数的数学模型的实现方法为：

（1）试验段监测数据分析。

试验段C8横断面隆沉变化曲线见图2。选取C8断面为试验段监测断面，每32m布置一个横向监测横断面，在轴线左右各布4点，点间间距分别为3m、4m、8m、15m，选取的时间分别为3月24日、3月26日、4月1日、4月2日、4月10日，分析结果表明，沉降槽的影响范围在隧道两侧各1倍盾构直径左右，即14m左右，其值沉降较大的部分在隧道轴线两侧各15m范围内。

（2）基于地层损失的概念，建立盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的数值模型。

二维数值模型见图3，三维数值模型见图4。

采用数值计算软件PLAXIS建立二维、三维数值模型。

地层条件选取某大厦附近钻孔DZ13处横断面作为盾构施工模拟对象，各土层厚度按DZ13处实际情况选取，共分为11层，土层厚度精确至1m。

土体本构模型采用弹塑性模型（均采用摩尔-库伦准则），混凝土管片采用弹性模型。

数值模型取右半边隧道，二维模型沿x、y轴的计算范围为80×72m，三维模型沿x、y、z轴的计算范围为80×72×60m，x轴正向向右，指向远离隧道中线方向，y轴正向向上，指向地面方向，z轴正向向前，指向隧道中线方向。

隧道直径取13.8m，埋深按实际取23m，下面取至隧道底部以下42m（3D），横向取至隧道外侧73m（约5D）。

（3）采用数值模拟法，考虑地层损失率0.2%、0.5%、1.0%、1.5%，按照0.1%的步长，计算其距隧道中线的一定距离以内不同地层损失率的三维横向地表沉降、三维纵向地表沉降、不同土舱压力下三维纵向地表沉降。

地层损失率0.2%、0.5%、1.0%、1.5%情况下三维横向地表沉降见图5。计算结果表明，随着盾尾部分地层损失的增大，地表总沉降逐步增大，盾首部分的地层损失与盾尾部分的地层损失会共同影响总的地表沉降，但两者本身互不影响。

地层损失率0.2%、0.5%、1.0%、1.5%情况下三维纵向地表沉降见图6。计算结果表明，平均盾尾地层损失率每增加0.5%，最终盾构沉降增加约8mm。

土舱压力根据实际盾构掘进情况，考虑200kPa、250kPa及300kPa三种情况。200kPa、250kPa及300kPa情况下三维纵向地表沉降见图7。计算结果表明，开挖面土舱压力越大，盾首部分欠挖引起的负地层损失越大，相应的盾首部分的地表隆起也越大，平均土舱压力每增加50kPa，地表隆起约增加2mm。

3.依据盾构穿越建筑密集区沉降控制目标，反算地层损失目标。

依据盾构穿越建筑密集区沉降控制目标，反算地层损失目标实现方法为：

（1）确定盾构穿越建筑密集区沉降控制目标。

地表最大沉降控制在15mm以内，地表最大隆起控制在20mm。

（2）基于地层损失，对二维、三维、经验解析公式计算的横向沉降以及盾构推进至不同位置时三维数值计算结果与实际监测数据进行对比，反算地层损失目标。

二维、三维、经验解析公式横向沉降与实际监测数据对比见图8。计算结果表明，同一数值模型、相同的盾尾地层损失率的情况下，三维数值计算结果比二维数值结果要大，三维计算中盾尾地层损失率取0.5%的计算结果与实际监测数据非常吻合。

盾构推进至不同位置时三维数值计算与监测数据对比见图9。计算结果表明，在盾尾部分地层损失率均取0.5%时，DZ13钻孔处三维建模中盾构隧道的埋深取为23m，此时地面沉降变化大，DC12钻孔、DC11钻孔处的计算结果与实际监测数据比较吻合。

因此，地层损失目标值为0.5%。

4.利用地层损失目标，建议盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的施工控制参数。

根据确定的地层损失目标0.5%，以及反算的地层损失目标，认为，总地层损失率控制在0.5%以内，土舱内土压力应控制在200～350kPa之间，平均土舱压力为250kPa左右。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用控制地层损失控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

首先，建立一套盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降“地层损失”的体系；

其次，利用试验段监测数据建立地层损失与地面沉降，地层损失与施工参数的数学模型；

再次，依据盾构穿越建筑密集区沉降控制目标，反算地层损失目标；

最后，利用地层损失目标，建议盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的施工控制参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述建立一套盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降“地层损失”的体系，指将由于超挖、间隙与注浆共同作用下所产生的、不考虑土体变形的、实际开挖土体积与理论挖土体积之差称之为“地层损失”。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述一套盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降“地层损失”的概念体系实现方法为：

（1）利用地层损失率法对地层损失进行分析，以定义现有解析法；

地层损失率以占盾构理论排土体积的百分比Vl%表示，圆形盾构理论排土体积为

其中：r0为盾构外径，l为推进长度，则单位长度地层损失为

因此，地层损失率表示为：

$V_l(\%)=\frac{V}{{\mathrm{\πr}}_0^2}\×100\%---\left(1\right)$

式中：V_l(%)——地层损失率；

V——单位长度的地层损失；

r₀——盾构外径；

由公式（1）可知，确定了地层损失率，也就确定了地层损失；

（2）利用位移边界条件法对地层损失进行分析，以定义现有数值法；设隧道外径为盾构机外壳的半径，则地层损失通过隧道外径的收缩予以计算；因此，有：

地层损失率=（隧道初始面积—隧道外径收缩后面积）/隧道初始面积（2）

（3）基于步骤（1）和（2）对“地层损失”概念进行重新界定；将由于超挖、间隙与注浆共同作用下所产生的、不考虑土体变形的、实际开挖土体积与理论挖土体积之差称为地层损失。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的利用试验段监测数据建立地层损失与地面沉降，地层损失与施工参数的数学模型包括以下步骤：

（1）试验段监测数据分析；

（2）基于地层损失的概念，建立盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的数值模型，主要包括二维数值模型与三位数值模型；

（3）采用数值模拟法，考虑地层损失率0.2%、0.5%、1.0%、1.5%，按照0.1%的步长，计算其距隧道中线的一定距离以内不同地层损失率的三维横向地表沉降、三维纵向地表沉降、不同土舱压力下三维纵向地表沉降。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的依据盾构穿越建筑密集区沉降控制目标，反算地层损失目标包括以下步骤：

（1）确定盾构穿越建筑密集区沉降控制目标；

（2）基于地层损失，对二维、三维、经验解析公式计算的横向沉降以及盾构推进至不同位置时三维数值计算结果与实际监测数据进行对比，反算地层损失目标。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的利用地层损失目标，建议盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的施工控制参数的实现方法为：根据确定的地层损失目标，以及反算的地层损失目标，确定总地层损失率控制系数、土舱内土压力控制系数。

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