CN108457673A - 新建隧道近接施工既有隧道洞内地质雷达探测保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新建隧道近接施工既有隧道洞内地质雷达探测保护方法。该方法包括：在新建隧道近接施工前，采用有限元三维仿真技术建立新建隧道近接施工既有隧道的三维模型，利用三维模型对既有隧道的变形数据进行分析，确定新建隧道施工对既有隧道的影响范围，根据影响范围确定雷达测点的布置范围，应用雷达在既有隧道中的雷达测线上方进行多次重复扫描，将每次雷达的扫描结果进行存储；对存储的雷达的扫描结果进行分析，根据分析结果判断既有隧道周围的土体状态，对土体状态为不符合要求的区域进行注浆填充和加固。本发明通过采用地质雷达探测法对既有隧道周围的土体状态进行判别，实现了整个近接施工全过程中对既有隧道安全状态的实时感知。

Description

新建隧道近接施工既有隧道洞内地质雷达探测保护方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种新建隧道近接施工既有隧道洞内地质雷达探测保护方法。

背景技术

随着我国城市化的发展，地铁隧道建设不可避免地穿越既有隧道线路。新建隧道施工的扰动作用使既有隧道线路的围岩应力重分布，土体产生变形，进而使既有隧道所受外力及土体支撑条件发生变化，隧道结构产生变形，对既有线路的运营安全造成威胁。

在已服役的地铁隧道保护这一难题中，对新建隧道施工过程中既有隧道结构服役状态以及隧道结构周围土体状态的全程感知极为必要，目前关于既有地铁隧道结构状态(包含位移及应力)的全过程感知方案已经十分成熟，可以通过提前安装反光棱镜和应力传感器来反应隧道结构变化，而对隧道结构壁后土体状态的感知方面仍未有成熟的技术方案，尤其在新建隧道穿越施工中，对既有运营地铁隧道周围土体状态的感知尤其必要。一方面：新建隧道施工诱发新建隧道周围土体和邻近的既有隧道发生较大的变形和沉降；另一方面：既有隧道中地铁列车和人群高频率运营，列车振动会引起周围土体状态的缓慢变化，进一步加剧新建隧道周围土体和邻近的既有隧道的变形和沉降。因此，全过程感知穿越过程中既有隧道和周围土体的接触状态，及时做出风险判断和加固处理，能够为新建隧道的安全施工和既有地铁隧道的安全防护提供可靠指导，提前预防突发性事故的产生。

目前，现有技术中还没有一种有效的新建隧道施工过程中穿越既有隧道线路时，对既有隧道和周围土体的接触状态进行有效的感知的方法。

发明内容

本发明的实施例提供了一种新建隧道近接施工既有隧道洞内地质雷达探测保护方法，以实现近接施工过程中对既有隧道安全状态的实时感知。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种新建隧道近接施工既有隧道洞内地质雷达探测保护方法，包括：

在新建隧道近接施工前，采用有限元三维仿真技术，建立新建隧道近接施工既有隧道的三维模型，利用所述三维模型对既有隧道的变形数据进行分析，确定新建隧道施工对既有隧道的影响范围；

根据所述新建隧道施工对既有隧道的影响范围确定雷达测点的布置范围，并布置雷达测线的位置；

在新建隧道近接施工前，应用雷达在既有隧道中的雷达测线上方进行多次重复扫描，将每次雷达的扫描结果进行存储；

对存储的雷达的扫描结果进行分析，根据分析结果判断既有隧道周围的土体状态；

根据既有隧道的隧道结构与所述既有隧道周围的土体状态，对土体状态为不符合要求的区域进行注浆填充和加固。

进一步地，所述的采用有限元三维仿真技术，建立新建隧道近接施工既有隧道的三维模型，利用所述三维模型对既有隧道的变形数据进行分析，确定新建隧道施工对既有隧道的影响范围，包括：

采用MIDAS NX或者Abaqus有限元软件建立新建隧道近接施工既有隧道的三维模型，利用所述三维模型对既有隧道的变形数据进行分析，将所有既有隧道沉降超过2.0mm的范围判定为新建隧道施工对既有隧道受影响范围。

进一步地，所述的根据所述新建隧道施工对既有隧道的影响范围确定雷达测点的布置范围，并布置雷达测线的位置，包括；

将所述新建隧道施工对既有隧道的影响范围的前后扩大设定距离，将扩大后的影响范围确定为探测保护区域，将所述探测保护区域确定为雷达测点的布置范围，并在所述探测保护区域内布置雷达测线的位置。

进一步地，所述的雷达测线的布置位置选取在探测保护区域内的既有隧道的底板中线上，在探测前需设置雷达测线的起止点坐标或里程桩号，沿雷达测线每间隔5m用油漆笔做一个标记，将所述探测保护区域的起止点进行明示。

进一步地，所述的注浆填充和加固选用双液型浆液注浆加固，所述双液浆由水泥膨润土溶液和硅酸钠溶液混合而成。

进一步地，所述的对存储的雷达的扫描结果进行分析，根据分析结果判断既有隧道周围的土体状态，包括：

对存储的雷达的扫描结果进行分析，当扫描图像的特征为反射信号强度大于设定的高强度阈值，并且不具备同相轴连续性，成像范围为2.0-4.0m，则判断所述扫描图像对应的土体接触不良或是存在土岩交界面，土体状态不符合要求；

对存储的雷达的扫描结果进行分析，当扫描图像的特征为反射信号强度小于设定的低强度阈值，并且具备同相轴连续性，成像范围为5.0m以上，则判断所述扫描图像对应的土体状态符合要求。

进一步地，所述的根据既有隧道的隧道结构与所述既有隧道周围的土体状态，对土体状态为不符合要求的区域进行注浆填充和加固，包括：

应用地质雷达在既有隧道中的雷达测线上方进行扫描，扫描方式采用沿测线多频率、连续滚动扫描，每次扫描过程不能间断，重复多次扫描，将每次雷达的扫描结果进行存储；

根据既有隧道的结构与土体状态探测结果，对土体状态为不符合要求的区域进行注浆填充和加固，加固完成后再次进行雷达扫描探测，直至隧道周围的土体状态符合要求才重新进行近接施工；

在新建隧道近接既有隧道施工过程中，持续不间断在既有隧道中的雷达测线上方进行扫描，扫描频率为2小时一次，对土体状态为不符合要求的区域进行注浆填充和加固，直至新建隧道远离既有隧道5倍既有隧道直径以上距离时，才停止雷达的扫描探测。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过利用三维模型确定新建隧道施工对既有隧道的影响范围，根据影响范围确定雷达测点的布置范围和雷达测线，采用地质雷达探测法对既有隧道周围的土体状态进行判别，实现了整个近接施工全过程中对既有隧道安全状态的实时感知。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种新建隧道近接施工既有隧道洞内地质雷达探测保护方法的处理流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明提出了一种新建隧道近接施工既有隧道洞内地质雷达探测保护方法，该方法能够判别既有隧道结构和周围土体间接触状态并及时采取填充加固措施的，该方法步骤包括：

S1、在新建隧道近接施工前，根据工程实际情况，采用有限元三维仿真技术，利用MIDAS NX或者Abaqus等有限元软件建立新建隧道近接既有隧道的三维模型，然后，根据上述三维模型对既有隧道的变形数据进行分析，将所有既有隧道沉降超过2.0mm范围判定为新建隧道施工对既有隧道的影响范围，该影响范围位于既有隧道内。

S2、将上一步确定的新建隧道施工对既有隧道的影响范围的前后扩大设定距离，该设定距离可以为10m，将扩大后的影响范围确定为探测保护区域，将上述探测保护区域确定雷达测点的布置范围，并在探测保护区域内布置雷达测线的位置。由于既有隧道内场地环境复杂，有金属轨道、电力、通信光缆、钢筋构件等材料，为减小复杂工作环境对雷达探测的影响，雷达测线的布置位置选取在探测保护区域内的既有隧道的底板中线上；

S3、近接施工前，技术人员在隧道运营停止后(凌晨0点左右)进入既有隧道洞内，应用高频地质雷达在既有隧道的底板中线上方进行大范围扫描，扫描方式采用沿测线多频率、连续滚动扫描，每次扫描过程不能间断，重复2-3次以保证探测精度。将每次雷达的扫描结果进行存储。

S4、对多次重复扫描结果进行分析，根据分析结果判断既有隧道周围的土体状态，判断的具体依据如下：

S5、根据既有隧道的结构与土体状态探测结果，对接触不良或者土质状态不好的区域进行注浆填充和加固，加固完成后再次进行雷达扫描探测，直至隧道周围土体状态良好方可进行近接施工；

S6、新建隧道近接既有隧道施工过程中，既有隧道一直处于沉降增加状态，此时应持续不间断对测线进行实时扫描，监测频率为2小时一次，一旦发现既有隧道和周围土体两者具有不连续性，则进行注浆填充，确保整个施工全过程的既有隧道安全，直至新建隧道远离既有隧道5倍既有隧道直径以上距离时，方可停止。

进一步的，所述的S1中应用MIDAS NX或者Abaqus等有限元软件建立新建隧道近接既有隧道的三维模型中主要包括土体、既有隧道和新建隧道三部分，其中土体范围取值按照如下规则：水平方向上在新建隧道和既有隧道外侧各外扩6倍隧道直径，竖直方向在隧道埋深不变的前提下，新建隧道下方土体厚度应超过5倍隧道直径，隧道模型建立应包括注浆层、衬砌层等，模型的尺寸及力学参数取值参考实际工程；

进一步的，所述的S1中应用MIDAS NX或者Abaqus等有限元软件模拟新建隧道近接既有隧道穿越过程主要包括：1)新建隧道未开挖前对包含既有隧道的土体进行初始地应力平衡计算；2)初始土体位移归零，按照实际施工步序开挖新建隧道，观察既有隧道底板沉降变形情况，截取隧道沉降变形不可忽略的范围(沉降超过2mm)作为既有隧道受影响范围。

进一步的，所述的S2中的新建隧道施工对既有隧道的影响范围作为雷达测点的布置范围，在探测前需提前设置雷达测线的起止点坐标或里程桩号，沿雷达测线每间隔5m用油漆笔做一个标记，上述探测保护区域的起止点须进行明示；

进一步的，所述的S3雷达扫描法采用进口Zond-12e型地质雷达系统，根据所需探测下伏地层深度选用500M和900M天线，采用连续扫描方式进行

进一步的，所述的S5隧道周围土体加固措施选用双液型浆液注浆加固，双液浆由水泥膨润土溶液，硅酸钠溶液混合而成；

进一步的，所述的S6雷达扫描探测方法与S3相同，扫描结果分析方法与S4相同，选用的注浆浆液同样为双液浆；

综上所述，本发明实施例通过利用三维模型确定新建隧道施工对既有隧道的影响范围，根据影响范围确定雷达测点的布置范围和雷达测线，采用地质雷达探测法对既有隧道周围的土体状态进行判别，实现了整个近接施工全过程中对既有隧道安全状态的实时感知。

本发明将土体和既有隧道结构之间的接触状态作为既有结构是否需要实施加固措施的评判标准，根据其评判结果进行必要的充填注浆和加固，能够在很大程度上限制土体变形的传播，化被动为主动，提前预防既有隧道变形超限等事故的发生，保障既有隧道结构安全和运行安全；

本发明所述方法原理简单、步骤明确。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种新建隧道近接施工既有隧道洞内地质雷达探测保护方法，其特征在于，包括：

在新建隧道近接施工前，采用有限元三维仿真技术，建立新建隧道近接施工既有隧道的三维模型，利用所述三维模型对既有隧道的变形数据进行分析，确定新建隧道施工对既有隧道的影响范围；

根据所述新建隧道施工对既有隧道的影响范围确定雷达测点的布置范围，并布置雷达测线的位置；

在新建隧道近接施工前，应用雷达在既有隧道中的雷达测线上方进行多次重复扫描，将每次雷达的扫描结果进行存储；

对存储的雷达的扫描结果进行分析，根据分析结果判断既有隧道周围的土体状态；

根据既有隧道的隧道结构与所述既有隧道周围的土体状态，对土体状态为不符合要求的区域进行注浆填充和加固。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的采用有限元三维仿真技术，建立新建隧道近接施工既有隧道的三维模型，利用所述三维模型对既有隧道的变形数据进行分析，确定新建隧道施工对既有隧道的影响范围，包括：

采用MIDAS NX或者Abaqus有限元软件建立新建隧道近接施工既有隧道的三维模型，利用所述三维模型对既有隧道的变形数据进行分析，将所有既有隧道沉降超过2.0mm的范围判定为新建隧道施工对既有隧道受影响范围。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据所述新建隧道施工对既有隧道的影响范围确定雷达测点的布置范围，并布置雷达测线的位置，包括：

将所述新建隧道施工对既有隧道的影响范围的前后扩大设定距离，将扩大后的影响范围确定为探测保护区域，将所述探测保护区域确定为雷达测点的布置范围，并在所述探测保护区域内布置雷达测线的位置。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的雷达测线的布置位置选取在探测保护区域内的既有隧道的底板中线上，在探测前需设置雷达测线的起止点坐标或里程桩号，沿雷达测线每间隔5m用油漆笔做一个标记，将所述探测保护区域的起止点进行明示。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的注浆填充和加固选用双液型浆液注浆加固，所述双液浆由水泥膨润土溶液和硅酸钠溶液混合而成。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述的对存储的雷达的扫描结果进行分析，根据分析结果判断既有隧道周围的土体状态，包括：

对存储的雷达的扫描结果进行分析，当扫描图像的特征为反射信号强度大于设定的高强度阈值，并且不具备同相轴连续性，成像范围为2.0-4.0m，则判断所述扫描图像对应的土体接触不良或是存在土岩交界面，土体状态不符合要求；

对存储的雷达的扫描结果进行分析，当扫描图像的特征为反射信号强度小于设定的低强度阈值，并且具备同相轴连续性，成像范围为5.0m以上，则判断所述扫描图像对应的土体状态符合要求。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的根据既有隧道的隧道结构与所述既有隧道周围的土体状态，对土体状态为不符合要求的区域进行注浆填充和加固，包括：

应用地质雷达在既有隧道中的雷达测线上方进行扫描，扫描方式采用沿测线多频率、连续滚动扫描，每次扫描过程不能间断，重复多次扫描，将每次雷达的扫描结果进行存储；

根据既有隧道的结构与土体状态探测结果，对土体状态为不符合要求的区域进行注浆填充和加固，加固完成后再次进行雷达扫描探测，直至隧道周围的土体状态符合要求才重新进行近接施工；

在新建隧道近接既有隧道施工过程中，持续不间断在既有隧道中的雷达测线上方进行扫描，扫描频率为2小时一次，对土体状态为不符合要求的区域进行注浆填充和加固，直至新建隧道远离既有隧道5倍既有隧道直径以上距离时，才停止雷达的扫描探测。