CN108491620A - 地铁隧道穿越桩基和路基沉降量预测的拟合度检验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁隧道穿越桩基和路基沉降量预测的拟合度检验方法，首先建立地铁隧道100m试验段的三维有限元模型，宽度方向按照结构外左右两侧范围取2.5‑3.5倍隧道洞径，区间隧道结构底板下方取4.5‑5.5倍隧道洞径；三维有限元模型设定的围岩为理想弹塑性材料，服从Mohr‑Coulomb屈服准则；三维有限元模型单元类型全部采用8节点六面体三维实体单元和4节点四面体三维实体单元；盾构隧道管片采用ABAQUS内置的Shell结构单元模拟；然后进行沉降量准确预测的拟合度检验。本发明优点是盾构掘进时将数值模拟结果与实时监测的数据进行比对，及时调整模型参数，避免因地层参数的局部变化影响模拟结果准确性。

Description

地铁隧道穿越桩基和路基沉降量预测的拟合度检验方法

技术领域

本发明涉及地铁隧道施工时穿越既有立交桥桩基和铁路路基沉降量准确预测方法，尤其是涉及地铁隧道穿越桩基和路基沉降量预测的拟合度检验方法。

背景技术

盾构隧道侧穿既有城市高架桥桩基和下穿多股道铁路路基已是城市轨道交通建设中常见的问题，常规的施工方法为选取单根桩基进行推进时的侧压力验算和局部的地表沉降计算；但是，单根桩基和局部的沉降代表性不强，且难以考虑桩基之间的群桩效应，更难以确定盾构掘进时对围护桩的影响深度和影响范围，这就给盾构掘进施工时的桩基保护产生很大的盲目性。盾构下穿铁路路基的地表沉降量理论计算工作量极为繁重，目前常借助有限元模拟手段进行模拟分析，但由于模拟分析的数据没有经过实测数据的针对性检验，因此很难在实际施工过程中用于指导施工，无法满足对施工风险进行提前预测和精确定位的要求。

发明内容

本发明目的在于提供一种地铁隧道穿越桩基和路基沉降量预测的拟合度检验方法，实现直观、高效、精确对沉降定位。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述地铁隧道穿越桩基和路基沉降量预测的拟合度检验方法，首先建立地铁隧道100m试验段的三维有限元模型，宽度方向按照结构外左右两侧范围取2.5-3.5倍隧道洞径，区间隧道结构底板下方取4.5-5.5倍隧道洞径；所述三维有限元模型尺寸为：Z×X×Y＝长×宽×高＝100×（7倍隧道洞径+左、右线隧道中心距）×（6倍隧道洞径+隧道上方覆土深度）；三维有限元模型设定的围岩为理想弹塑性材料，服从Mohr -Coulomb屈服准则；三维有限元模型单元类型全部采用8节点六面体三维实体单元和4节点四面体三维实体单元；围岩均采用实体单元模拟，计算中赋予弹性材料的属性；盾构隧道管片采用ABAQUS内置的Shell结构单元模拟；所述的100m试验段地表沉降按监测等级为一级布设监测点，纵向监测断面监测点沿盾构隧道轴线上方地表布设间距为10m，横向监测断面监测点布设间距为10m ；

然后进行沉降量准确预测的拟合度检验，步骤如下：

第一步，进行所述三维有限元模型运算，提取计算结果；

第二步，布设地表沉降监测点，盾构掘进时收集沉降监测数据；

第三步，将三维有限元模型数据与所述沉降监测数据进行拟合性分析比对，当两者数据不拟合时，调整三维有限元模型参数重新进行运算并提取结果数据，直至其与沉降监测数据拟合为止，从而确定最终的三维有限元模型参数，并根据最终确定的三维有限元模型参数，建立正式穿越高架桥桩基和铁路路基的应用三维有限元模型，对所述应用三维有限元模型进行计算并提取计算结果；

第四步，沉降定位：

正式穿越施工时，依据应用三维有限元模型的模拟计算结果对所述桩基沉降和所述路基沉降进行准确定位，比对桩基和路基沉降容许限值，确定是否对桩基周围土体进行加固，提出盾构近距离穿越既有互通立交桥群桥周围土体加固最佳方案，精确定位铁路路基沉降敏感段，并提前采取有效措施。

本发明优点体现在以下方面：

1、建立的所述有限元模型经过试验段的拟合试验检验，有限元模型参数与实际数据更接近，模型更逼真，更能代表盾构穿越的实际情形；

2、盾构穿越前可以根据有限元模拟结果对桩基沉降和路基沉降进行提前预测和采取提前预防措施；

3、利用模拟结果可以对沉降区域和范围进行精确定位，避免了常规做法对沉降进行定位的盲目性；

4、盾构掘进时将数值模拟结果与实时监测的数据进行比对，及时调整模型参数，避免因地层参数的局部变化影响模拟结果准确性；

5、对加固区域的加固效果进行模拟，验证加固效果，防止加固减效和无效。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

本发明所述地铁隧道穿越桩基和路基沉降量预测的拟合度检验方法，首先建立地铁隧道100m试验段的三维有限元模型，宽度方向按照结构外左右两侧范围取2.5-3.5倍隧道洞径，区间隧道结构底板下方取4.5-5.5倍隧道洞径；所述三维有限元模型尺寸为：Z×X×Y＝长×宽×高＝100×（7倍隧道洞径+左、右线隧道中心距）×（6倍隧道洞径+隧道上方覆土深度）。

依据上述尺寸建立的三维有限元模型，为了提高模拟结果的逼真性及与实际情形的切合性，建立三维有限元模型时还应注意以下几点：

（1）、建立的三维有限元模型假设围岩为理想弹塑性材料，服从Mohr -Coulomb屈服准则。

（2）、三维有限元模型的单元类型全部采用8节点六面体三维实体单元和4节点四面体三维实体单元；围岩均采用实体单元模拟，计算中赋予弹性材料的属性；盾构隧道管片采用ABAQUS内置的Shell结构单元模拟。

（3）、根据工程的施工顺序，计算时的模拟步骤如下：围岩自重应力场的模拟→既有立交桥桩基和铁路路基施做，计算至平衡状态→三维有限元模型位移清零→左线盾构隧道开挖，施加盾构管片→右线盾构隧道开挖，施加盾构管片。

100m试验段的地表沉降按监测等级为一级布设监测点，纵向监测断面的监测点沿盾构隧道轴线上方地表布设间距为10m，横向监测断面的监测点布设间距为10m；监测初始值采集和掘进实测值采集方面应注意以下两点：

（1）、监测点布设完成并通过验收合格后及时安排采集监测点初始值，为了更好地与模拟数据进行比对分析，施工监测单位会同第三方监测要在相同的时间段进行初始值测定，应对所有的监测项目进行连续三次独立的观测，经第三方监测判定合格后取其平均值作为监测项目的初始值。

（2）、掘进时的实时监测值采集，采集的频率需符合监测频率表要求；

监测频率表

注：D--盾构法隧道开挖直径，L--开挖面至监测点或监测断面的水平距离（m），d--天。

使用本发明对既有立交桥桩基和多股道路基沉降量准确预测的拟合度检验步骤如下：

第一步，提取三维有限元模型的模拟计算结果并绘制沉降曲线图，沉降曲线图与布设的监测断面图对应，每一个横向断面对应一个沉降曲线图，即纵向上每隔10m绘制一个沉降曲线图，沉降曲线图上每个数据点的间隔为10m。

第二步，按照布设好的沉降监测点及监测频率采集沉降数据，对沉降数据进行汇总处理并绘制沉降曲线，该沉降曲线与三维有限元模型的模拟所得的沉降曲线绘制在同一张表格上，将沉降曲线以颜色和点位形状进行区分；监测沉降曲线同样按照横向断面布置绘制，每个横向断面对应一个沉降曲线。

第三步，对比分析所有沉降曲线图上的两组沉降曲线，若模拟数据沉降曲线与实测沉降曲线拟合则拟合试验成功排除监测数据的偶然误差导致的数据跳跃；若两沉降曲线不拟合或拟合度较差则需重新调整三维有限元模型参数，对三维有限元模型进行重新运算提取计算结果并进行数据处理，直至其与实测数据拟合为止，以此确定最逼真、最切合实际的三维有限元模型的模拟参数。

第四步，正式穿越施工时，依据拟合度试验得到的上述模拟参数建立应用三维有限元模型，根据该应用三维有限元模型的模拟计算结果对桩基沉降和铁路路基沉降进行准确定位，比对桩基和铁路路基沉降容许限值，确定是否对桩基周围土体进行加固，提出盾构近距离穿越既有互通立交桥群桥周围土体加固最佳方案，提高效率、减少成本投入；精确定位铁路路基沉降敏感区域，并提前采取有效措施、指导盾构安全通过危险区域。

Claims (1)

1.一种地铁隧道穿越桩基和路基沉降量预测的拟合度检验方法，其特征在于：

首先建立地铁隧道100m试验段的三维有限元模型，宽度方向按照结构外左右两侧范围取2.5-3.5倍隧道洞径，区间隧道结构底板下方取4.5-5.5倍隧道洞径；所述三维有限元模型尺寸为：Z×X×Y＝长×宽×高＝100×（7倍隧道洞径+左、右线隧道中心距）×（6倍隧道洞径+隧道上方覆土深度）；三维有限元模型设定的围岩为理想弹塑性材料，服从Mohr -Coulomb屈服准则；三维有限元模型单元类型全部采用8节点六面体三维实体单元和4节点四面体三维实体单元；围岩均采用实体单元模拟，计算中赋予弹性材料的属性；盾构隧道管片采用ABAQUS内置的Shell结构单元模拟；所述的100m试验段地表沉降按监测等级为一级布设监测点，纵向监测断面监测点沿盾构隧道轴线上方地表布设间距为10m，横向监测断面监测点布设间距为10m ；

然后进行沉降量准确预测的拟合度检验，步骤如下：

第一步，进行所述三维有限元模型运算，提取计算结果；

第二步，布设地表沉降监测点，盾构掘进时收集沉降监测数据；

第三步，将三维有限元模型数据与所述沉降监测数据进行拟合性分析比对，当两者数据不拟合时，调整三维有限元模型参数重新进行运算并提取结果数据，直至其与沉降监测数据拟合为止，从而确定最终的三维有限元模型参数，并根据最终确定的三维有限元模型参数，建立正式穿越高架桥桩基和铁路路基的应用三维有限元模型，对所述应用三维有限元模型进行计算并提取计算结果；

第四步，沉降定位：

正式穿越施工时，依据应用三维有限元模型的模拟计算结果对所述桩基沉降和所述路基沉降进行准确定位，比对桩基和路基沉降容许限值，确定是否对桩基周围土体进行加固，提出盾构近距离穿越既有互通立交桥群桥周围土体加固最佳方案，精确定位铁路路基沉降敏感段，并提前采取有效措施。