CN107562977B

CN107562977B - 一种盾构下穿施工引起既有隧道变形的预测方法

Info

Publication number: CN107562977B
Application number: CN201710537125.1A
Authority: CN
Inventors: 袁大军; 李兴高; 金大龙; 郑浩田; 韦家昕; 吴俊�; 沈翔; 高振峰
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2017-07-04
Filing date: 2017-07-04
Publication date: 2019-02-05
Anticipated expiration: 2037-07-04
Also published as: CN107562977A

Abstract

本发明公开一种盾构下穿施工引起既有隧道变形的预测方法，该方法的步骤包括：S1：根据线路规划设计图确定新建隧道下穿既有隧道位置，获取包含既有隧道和新建隧道在内的土层参数，确定土体的弹性模量E_S；S2：确定下穿区域既有隧道和新建隧道垂直向空间位置及水平向空间夹角；S3：确定既有隧道的纵向刚度EI；S4：通过测量新建隧道盾构在穿越前常规掘进段过程中地层变形参数，得到新建盾构施工引起地表横截面沉降最大值S_max；S5：计算确定既有隧道沉降槽宽度i_t；S6：计算确定修正后的地层损失率V_t；S7：根据步骤S5和S6中计算所得的沉降槽宽度i_t和地层损失率V_t，计算既有隧道计算点的沉降值S。

Description

一种盾构下穿施工引起既有隧道变形的预测方法

技术领域

本发明涉及隧道近接施工领域。更具体地，涉及一种盾构下穿施工引起既有隧道变形的预测方法。

背景技术

随着城市基础设施建设的高速发展，城市地下综合网络逐渐完善，地下空间开发利用规模不断扩大，盾构法作为一种安全高效的机械化隧道施工方法，被广泛应用于遍布世界各地的隧道及地下工程施工项目中。盾构法具有对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、优质高效、安全环保等特点。随着长距离、大直径、大埋深、复杂断面盾构施工技术的发展和不断成熟，盾构法越来越受到重视和青睐。

但是随着线网规划的逐渐密集交错，由于受到既有建(构)筑物、城市规划设计及建设资金等因素的制约，不可避免大量涌现新建隧道与既有隧道近距离相互交叠施工的情况。由于受地质环境条件和施工工艺的限制，新建隧道的盾构推进难免会对周围地层产生扰动进而引起既有隧道的扰动变形，现有的近接施工变形分析及预测多是针对盾构施工引起的地层变形研究，而对于隧道结构的扰动变形预测却十分匮乏。如何有效预测并评估既有隧道的扰动变形从而确保地铁线路的安全运营是施工中的重点和难点。

发明内容

为了有效预测并评估既有隧道的扰动变形从而确保地铁线路的安全运营本发明提出：

一种盾构下穿施工引起既有隧道变形的预测方法，该方法的步骤包括：

S1：根据线路规划设计图确定新建隧道下穿既有隧道位置，获取包含既有隧道和新建隧道在内的土层参数，确定土体的弹性模量E_S；

S2：确定下穿区域既有隧道和新建隧道垂直向空间位置及水平向空间夹角；

S3：确定既有隧道的纵向刚度EI_eq；

S4：通过测量新建隧道盾构在穿越前常规掘进段过程中地层变形参数，得到新建盾构施工引起地表横截面沉降最大值S_max；

S5：计算确定既有隧道沉降槽宽度i_t；

S6：计算确定修正后的地层损失率V_t；

S7：根据步骤S5和S6中计算所得的沉降槽宽度i_t和地层损失率V_t，计算既有隧道计算点的沉降值S。

在一种优选的实施例中，所述既有隧道沉降槽宽度i_t＝K_t·(z₀-z)，K_t＝η_D·η_R·K，为考虑既有隧道埋深影响的修正系数，η_R＝-1.56+1.42lnC为考虑既有隧道刚度影响的修正系数；其中K_t为修正的沉降槽宽度系数；a为地层条件参数，粘性土中取0.65，砂质土中取0.5；z₀为新建盾构隧道中心轴线埋深；z为既有隧道计算点埋深；K为地表沉降槽宽度系数；C为既有隧道结构土体刚度比，EI_eq为隧道纵向刚度；E_s为土体弹性模量；A_s为隧道横截面积；E_t为管片环的弹性模量；I_t为管片环的断面惯性矩；为中性轴位置的角度。

在另一种优选的实施例中，所述地层损失率其中V为原地层损失率；α为既有隧道和新建隧道空间夹角；D为隧道直径；i＝K×z₀为地表沉降槽宽度；K为地表沉降槽宽度系数；z₀为新建盾构隧道中心轴线埋深。更优选的，所述既有隧道和新建隧道空间夹角α为新建盾构隧道轴线与既有隧道轴线间夹角，考虑既有隧道和新建隧道非正交穿越时，横断面沉降槽同样符合Peck公式高斯分布。

在另一种优选的实施例中，所述既有隧道计算点的沉降值其中x为新建隧道中心沿既有隧道轴线至所计算点距离，A为隧道截面积，D为隧道直径。

在另一种优选的实施例中，所述S2中下穿区域既有隧道和新建隧道垂直向空间位置包括确定既有隧道拱底的埋深，即关注测点为既有隧道拱底道床位置。

在另一种优选的实施例中，所述穿越前常规掘进段定义为与穿越区域水文工程地质条件相似、掘进施工参数相近的掘进区段。

本发明的有益效果如下：

本发明通过结合大量已有工程数据，考虑了既有隧道结构刚度的影响以及既有隧道和新建隧道间空间位置关系，对新建盾构隧道施工引起的既有隧道扰动变形进行了合理有效的预测，弥补了原先近接施工变形预测的缺陷与不足，为隧道近接穿越工程的风险预测与评估提供了极大的参考价值，确保了施工期间既有隧道的平稳运营，且此发明简单易行，方便进行推广，可适用于类似近接施工工况，具有很大的应用价值。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明常规盾构掘进段地表沉降监测点布置图。

图2示出本发明既有隧道和新建隧道空间夹角位置示意图。

图3示出本发明应用于具体下穿工程预测既有隧道沉降曲线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

某盾构隧道近接下穿既有线工程的施工步骤为：

S1：根据线路规划设计图确定新建隧道下穿既有隧道位置，获取包含新既有隧道和新建隧道在内的土层参数，既有隧道及新建隧道间夹层土主要为砾质粘性土，提取土样进行室内土力学实验，确定土体的弹性模量为6.12×102MPa。

S2：确定下穿区域既有隧道和新建隧道垂直向空间位置，新建盾构隧道中心轴线埋深z0＝30m，；既有隧道计算点埋深z＝24.2m，既有隧道和新建隧道轴线水平夹角α＝55°。

S3：确定既有隧道为矿山法施工，隧道刚度直接采用钢筋混凝土衬砌刚度与隧道截面惯性矩乘积计算得EI_eq＝4.82×10¹²(N·m²)。

S4：通过监控量测新建隧道盾构在穿越前常规掘进段过程中地层变形参数，监测点布设如图1所示，得到新建盾构施工引起地表横截面沉降最大值S_max＝0.40(mm)。

S5：算确定既有隧道沉降槽宽度i_t，先计算虑既有隧道埋深影响的修正系数η_D，根据场地条件，取地层条件参数a＝0.65，按下式计算η_D，再通过隧道结构-土体刚度比C计算考虑既有隧道刚度影响的修正系数η_R，按以下公式确定：修正的沉降槽宽度系数为：η_R＝-1.56+1.42lgC＝-1.56+1.42lnC＝5.53；既有隧道沉降槽宽度i_t按照下式计算：i_t＝K_t·(z₀-z)＝2.72×(30-24.2)＝15.78

S6：计算确定修正后的地层损失率V_t，先计算原地层损失率V：由图2所示，考虑既有隧道和新建隧道空间夹角对地层损失率进行修正：

S7：根据步骤S5、S6中计算所得的沉降槽宽度i_t和地层损失率V_t，代入预测公式中，可预测既有隧道的沉降变形。采用以下预测公式：

按照预测公式可绘出盾构下穿施工引起既有隧道沉降预测值，如图3所示，通过于现场实测数据的对比，发现预测结果较为吻合。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种盾构下穿施工引起既有隧道变形的预测方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

S3：确定既有隧道的纵向刚度EI_eq，其中E为钢筋混凝土衬砌刚度；I_eq为隧道截面惯性矩；E_t为管片环的弹性模量；I_t为管片环的断面惯性矩；为中性轴位置的角度；

S4：通过测量新建隧道盾构在穿越前常规掘进段过程中地层变形参数，得到新建隧道盾构施工引起地表横截面沉降最大值S_max；

S5：计算确定既有隧道沉降槽宽度i_t，i_t＝K_t·(z₀-z)，K_t＝η_D·η_R·K，为考虑既有隧道埋深影响的修正系数，η_R＝-1.56+1.42lnC为考虑既有隧道刚度影响的修正系数；其中K_t为修正的沉降槽宽度系数；a为地层条件参数，粘性土中取0.65，砂质土中取0.5；z₀为新建盾构隧道中心轴线埋深；z为既有隧道计算点埋深；K为地表沉降槽宽度系数；C为既有隧道结构土体刚度比，EI_eq为隧道纵向刚度；E_s为土体弹性模量；A_s为隧道横截面积；

S6：计算确定修正后的地层损失率V_t，其中V为原地层损失率；α为既有隧道和新建隧道空间夹角；D为隧道直径；i＝K×z₀为地表沉降槽宽度；K为地表沉降槽宽度系数；z₀为新建盾构隧道中心轴线埋深；

S7：根据步骤S5和S6中计算所得的沉降槽宽度i_t和地层损失率V_t，计算既有隧道计算点的沉降值S，其中x为新建隧道中心沿既有隧道轴线至所计算点距离，A为隧道截面积，D为隧道直径。

2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述既有隧道和新建隧道空间夹角α为新建盾构隧道轴线与既有隧道轴线间夹角，考虑既有隧道和新建隧道非正交穿越时，横断面沉降槽同样符合Peck公式高斯分布。

3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述S2中下穿区域既有隧道和新建隧道垂直向空间位置包括确定既有隧道拱底的埋深，即关注测点为既有隧道拱底道床位置。

4.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述S4中穿越前常规掘进段定义为与穿越区域水文工程地质条件相似、掘进施工参数相近的掘进区段。