CN109064560B - 一种地铁隧道施工过程中地质条件模型化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地铁工程技术领域，涉及一种地铁隧道施工过程中地质条件模型化方法，先获取岩石工程空间数据库，再建立岩石工程地质模型，然后进行空间数据插值以及地层的处理与模拟，最后生成虚拟钻孔；其方法简单，操作方便，综合利用图片及数据处理软件的图片分析、数值计算、统计等程序，简单明确地将地铁穿过的区域进行模型化分类，为实际工程提供可参考的依据，过程简单明了，结果数据准确高。

Description

一种地铁隧道施工过程中地质条件模型化方法

技术领域：

本发明属于地铁工程技术领域，涉及一种地铁隧道施工过程中地质条件模型化方法，将地铁穿过的区域地质条件进行模型化分类，为实际地铁施工工程提供可参考的依据。

背景技术：

相似材料模拟试验能够模拟许多现实中不能实现的科学研究，且试验具备可重复性，能够对比分析不同因素下的模拟结果，近年来已经成为一种强有力的科学研究手段。国外一些国家十分重视相似材料模拟试验方法在生产和科研中的应用，并在对矿山压力现象的研究中大量采用相似材料模拟方法，对此方法的发展起了很大的作用。在国内，唐山煤研所与1958年首先开展了这方面的研究工作，几十年来，这一方法已在各个领域得到了广泛应用，并取得了显著的的效果。但是，现有的方法中还存在以下缺点和不足：模拟的岩体参数的选择与原岩状态中的岩体参数有一定的差别，除此之外，由于模拟的模型一般不能取的很大，模拟实验的边界效应很难确定。因此，需要对相似理论的研究、相似材料性质的研究、相似方法的研究以及实验数据的收集和处理方法的研究进一步发展，设计一种地铁隧道施工过程中地质条件模型化方法，采用相似材料模型试验的方法应用到地铁隧道穿过的区域，把地铁穿过的区域进行模型化分类，运用反分析法并对其开挖过程进行模拟,并与监测数据进行对比，得出相对准确的围岩参数，进而选取地质条件相似的地段进行车站、区间的有限元模拟，验证所得围岩参数，进而对围岩进行分析、总结，得出地面变形规律，为实际工程提供可参考的依据。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种地铁隧道施工过程中地质条件模型化方法，将地铁穿过的区域进行模型化分类，为实际工程提供可参考的依据。

为了实现上述目的，本发明对地铁隧道施工过程中地质条件模型化的具体过程为：

(1)获取岩石工程空间数据库：运用GIS的空间地理统计分析功能，将地铁隧道施工区域内的各个地基情况和与之对应基础情况按空间分布进行归类，并建立岩石工程空间数据库；

(2)建立岩石工程地质模型：采用数学模型法建立岩土工程地质模型，具体建模过程为：给定一组己知空间数据,从这些数据中找到一个函数关系式,使该关系式最好地逼近这些己知的地质空间数据,并根据该函数关系式推求出区域范围其他任意点的值；

(3)空间数据插值：采用整体拟合和局部拟合中的三角形上的线性内插法进行空间数据差值，具体过程为：将虚拟点所落在的三角形按照研究区域标准地层分层情况虚拟成M层，M为研究区域标准土层数，不需要考虑是否存在土层缺失的情况，之后按土层层厚来处理，当平面上已完成基于三角网后,任意一p(x,y,z)必在三角形Δp₁p₂p₃的顶点上、三角形边线上、三角形内；

(4)地层的处理与模拟：采用整体拟合和局部拟合方法，通过离散的地层资料来描述其空间分布规律，先确定各个地层的上下表面,然后根据数学模型法生成各个地层，把各个地层按照真实的层序在空间上叠加；

(5)生成虚拟钻孔：通过地质模型、插值算法和岩土工程空间统计技术,根据需要模拟出研究区域任意点的虚拟钻孔土层情况，先要判断虚拟钻孔点p(p₁,p₂,p₃)落在哪个三角形内(落在三角形顶点和三角形边线上的情形为点在三角形内的特殊情形)，先根据点和三角形3个顶点组成的3个小三角形的面积和等于原来大三角形面积的判断原则判断出点落在哪个三角形内，再根据插值算法和空间地质统计技术进行虚拟钻孔计算,具体包括：

(a)根据p₁、p₂、p₃点的地面高程H₁、H₂、H₃,依照三角网上的线性内插法得到虚拟点p的地面高程Point.H；

(b)按照标准土层分组情况，从第一土层开始,依次插值计算该土层在虚拟钻孔点处的土层厚度Solid(i).Height；

(c)整理虚拟钻孔的土层情况，判断虚拟钻孔各土层厚度solid(i).Height；

(d)土层叠加，计算各土层的顶板高程和底板高程，根据虚拟钻孔点的地面标高及各土层的厚度计算土层的底板高程，各土层的顶板高程为上一土层的底板高程；

(e)根据插值计算处理得出的虚拟钻孔点的土层情况，利用图形技术、AutoCAD和Wbul的自动化技术生成钻孔资料并输出。

本发明建立岩土工程地质模型采用的数学模型法即地质空间的拟合插值方法,它是指给定一组己知空间数据,从这些数据中找到一个函数关系式,使该关系式最好地逼近这些己知的地质空间数据,并根据该函数关系式推求出区域范围其他任意点的值；相对于岩土工程勘察上的一些变量,如地层界面的埋藏深度等指标都可以看成是分布在空间某个曲面G上,这样岩土工程勘察变量Z的观测值z_i及其观测点的地理坐标(x_i,,y_i)就构成曲面上的己知点,(x_i,y_i,z_i),i＝1,2..n岩土工程地质的数学模型就是根据曲面G上的已知点来拟合出一个数学曲面M,以此来研究岩土工程勘察变量Z在空间区域上变化特征，拟合出的曲面M并不是岩土工程勘察变量Z分布的实际曲面，而是一个逼近G的数学曲面，同时岩土工程地质数据具有特殊性,在进行空间数据插值时，不能简单的套用现成的自动插值方法,必须考虑许多制约因素及相关的工程地质学原理，不同的插值方法有各自的优势,而不同的岩土工程地质变量有不同的特征,一般选择的数学模型方法包括点势位影响场法和样条函数法：

(1)点位势影响场法：它是根据位势场影响理论,把空间任意点上的岩土工程勘察变量值看作是所有离散测点变量值在该点引起的垂向位势的叠加，它要求测点均匀分布,且在较多观测资料时,其内插结果才具有较高的精度；

(2)样条函数法：是指构造一个样条函数进行空间插值的方法，该方法使用分段低次多项式函数逼近曲面,一般在计算区域用不高于3次的多项式拟合,同时保证样点上插值函数直至二阶导数连续,再根据选用边界条件的不同解得相应样条函数。

本发明插值是为了计算虚拟钻孔在基岩面上各地层顶板、底板高程和地层厚度,将虚拟点所落在的三角形按照研究区域标准地层分层情况虚拟成M层(M为研究区域标准土层数),不需要考虑是否存在土层缺失的情况，之后按土层层厚来处理。

本发明与现有技术相比，其方法简单，操作方便，综合利用图片及数据处理软件的图片分析、数值计算、统计等程序，简单明确地将地铁穿过的区域进行模型化分类，为实际工程提供可参考的依据，过程简单明了，结果数据准确高。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程示意框图。

图2为本发明所述生成虚拟钻孔的工艺流程框图。

图3为本发明所述生成虚拟钻孔的原理图。

表1为本发明所述预测该点土层分布情况表。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例以此某地铁工程中穿过的区域为例进行模型化分类为实际工程提供可参考的依据，首先通过对岩土工程空间数据库的获取，然后对岩土工程的地质模型、插值算法、岩土工程空间统计技术进行研究，进而分析虚拟钻孔的土层情况，把工程地质模型化，具体过程为:

(1)以某地铁段作为分析实例，首先在GIS平台下找到该位置，确定下一步模拟所需参数，各土层参数取值如表1所示；

表1：

(2)通过点势影响场法建立岩石工程地质数学模型；

(3)隧洞开挖模拟阶段：启动隧洞开挖模拟模块,GIS平台自动将步骤(1)的数据传递到该模块，并对数学模型计算所需各尺寸和参数进行设置，

(a)隧洞：顶部距地面15m,圆型,半径3.25m(考虑衬砌厚度)。双洞同时开挖,间距13m；

(b)衬砌：C20混凝土,厚250mm,弹性模量21Gkp,泊松比0.2(弹性材料)；

(c)土体材料采用摩尔一库伦屈服准则,其中摩擦角的值一般采用关联流动法则,摩擦角和剪涨角相等；而实际情况后者比前者略小点,所以按照剪涨角＝0.9*摩擦角,计取剪涨角；

(d)在虚拟力卸载40％后,添加衬砌；

(e)在地表施加的0.05MPa荷载(施工荷载+车辆荷载)；

(f)单个网格以0.5m*0.5m为标准,隧洞开挖模拟模块的程序会自动在研究区域加密,在影响不大区域变疏；

本实施例将某地铁穿过的区域进行模型化分类，运用反分析法并对其开挖过程进行模拟,并与监测数据进行对比，得出相对准确的围岩参数，进而选取地质条件相似的地段进行车站、区间的有限元模拟，验证所得围岩参数，进而对围岩进行分析、总结，从而得出地面变形规律，为实际工程提供可参考的依据。

Claims (1)

1.一种地铁隧道施工过程中地质条件模型化方法，其特征在于具体过程为：

(1)获取岩石工程空间数据库：运用GIS的空间地理统计分析功能，将地铁隧道施工区域内的各个地基情况和与之对应基础情况按空间分布进行归类，并建立岩石工程空间数据库；

(2)建立岩石工程地质模型：采用数学模型法建立岩土工程地质模型，具体建模过程为：给定一组己知空间数据,从这些数据中找到一个函数关系式,使该关系式最好地逼近这些己知的地质空间数据,并根据该函数关系式推求出区域范围其他任意点的值；

(3)空间数据插值：采用整体拟合和局部拟合中的三角形上的线性内插法进行空间数据差值，具体过程为：将虚拟点所落在的三角形按照研究区域标准地层分层情况虚拟成M层，M为研究区域标准土层数，不需要考虑是否存在土层缺失的情况，之后按土层层厚来处理，当平面上已完成基于三角网后,任意一p(x,y,z)必在三角形Δp₁p₂p₃的顶点上、三角形边线上、三角形内；

(4)地层的处理与模拟：采用整体拟合和局部拟合方法，通过离散的地层资料来描述其空间分布规律，先确定各个地层的上下表面,然后根据数学模型法生成各个地层，把各个地层按照真实的层序在空间上叠加；

(5)生成虚拟钻孔：通过地质模型、插值算法和岩土工程空间统计技术,根据需要模拟出研究区域任意点的虚拟钻孔土层情况，先要判断虚拟钻孔点p(p₁,p₂,p₃)落在哪个三角形内(落在三角形顶点和三角形边线上的情形为点在三角形内的特殊情形)，先根据点和三角形3个顶点组成的3个小三角形的面积和等于原来大三角形面积的判断原则判断出点落在哪个三角形内，再根据插值算法和空间地质统计技术进行虚拟钻孔计算,具体包括：

(a)根据p₁、p₂、p₃点的地面高程H₁、H₂、H₃,依照三角网上的线性内插法得到虚拟点p的地面高程Point.H；

(b)按照标准土层分组情况，从第一土层开始,依次插值计算该土层在虚拟钻孔点处的土层厚度Solid(i).Height；

(c)整理虚拟钻孔的土层情况，判断虚拟钻孔各土层厚度solid(i).Height；

(d)土层叠加，计算各土层的顶板高程和底板高程，根据虚拟钻孔点的地面标高及各土层的厚度计算土层的底板高程，各土层的顶板高程为上一土层的底板高程；

(e)根据插值计算处理得出的虚拟钻孔点的土层情况，利用图形技术、AutoCAD和Wbul的自动化技术生成钻孔资料并输出。

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