CN109882242A - 一种交通隧道拱顶坍塌快速识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种交通隧道拱顶坍塌快速识别方法,通过判断沉降值函数和沉降速率函数的增减性，有效预警隧道拱顶部坍塌模式，同时，将沉降值和沉降速率统一到一个函数模式下，使得出的结论不前后矛盾，能真正实现现场快速、有效坍塌模式识别的功能；其方法简单，原理科学，实用性强，只需要根据现场实测数据拟合得到幂指数的范围，根据判别方法就能识别拱顶部变形趋势。

Description

一种交通隧道拱顶坍塌快速识别方法

技术领域：

本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种交通隧道拱顶坍塌快速识别方法。

背景技术：

按照国家规范要求，对于隧道工程施工，必须要进行拱顶沉降监测，通过监测信息研判隧道拱顶部是否稳定。拱顶是否稳定主要看拱顶沉降值和沉降速率两个指标。单纯的按照规范看两个指标，必须要专业人员结合其他信息进行具体分析，而且经常会出现两种情况：一是指标超限，但是拱顶没有坍塌；二是指标还没有超限，但是局部坍塌。因此，隧道拱顶部坍塌识别是隧道工程领域研究的关键技术之一，引起众多科研工作者和现场技术人员的广泛关注。例如文献“地铁隧道施工拱顶沉降值的分析与预测”(张顶立，黄俊，岩石力学与工程学报，2005，24(10))认为拱顶下沉过程遵循指数函数关系；文献“软弱围岩隧道施工拱顶沉降值的分析与预测”(赵云一，交通科技，2016，6)也指出拱顶下沉过程遵循指数函数关系；文献3“基于Asaoka法山岭公路隧道洞口浅埋段拱顶沉降预测分析”采用Asaoka法进行拱顶沉降预测时宜选用隧道开挖后10d内的沉降数据进行预测分析，而且只是分析了沉降值曲线；但是上述三个文献的函数关系看似对沉降值是符合的，但是，对沉降速率函数却不符合，即不能真实反映拱顶沉降内在曲线关系；文献“隧道拱顶沉降及周边收敛动态过程预测的Richards时间函数模型”(孙柏林，乔松林，张乾青，张骞，袁永才，公路工程，2015(6))指出了Richards时间函数模型不仅要考虑沉降值函数而且要考虑沉降速率函数，缺点是不仅要综合考虑四个参数，而且Richards时间函数需要微分和积分等复杂运算，并且该模型从根本上说，与指数模型类似，不能有效预警隧道拱顶部坍塌模式。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种交通隧道拱顶坍塌快速识别方法，通过判断沉降值函数和沉降速率函数的增减性，有效预警隧道拱顶部坍塌模式，同时，将沉降值和沉降速率统一到一个函数模式下，使得出的结论不前后矛盾，能真正实现现场快速、有效坍塌模式识别的功能。

为了实现上述目的，本发明采用拱顶沉降值和拱顶沉降速率两个指标对交通隧道拱顶坍塌进行快速识别，具体过程为：

(1)建立隧道拱顶沉降值函数和沉降速率函数：建立的隧道拱顶沉降值函数为幂函数，其导数函数即沉降速率函数也是幂函数，隧道拱顶沉降值函数为：

s＝kx^α,x＞0

则沉降速率函数为

式中x＞0,式中表示在x轴正轴，x为观测时间，单位为d，k为影响系数，单位为mm/d^-α；

(2)根据现场实测数据拟合得到幂指数α的范围：在x₁时刻现场拱顶沉降监测数据为s₁，记为(x₁，s₁)，在x₂时刻现场拱顶沉降监测数据为s₂，记为(x₂，s₂)，以此类推，x_t时刻得到的数据组为(x_t，s_t),将相应数据带入origin软件，应用非线性拟合y＝ax^b模式自动得出a,b的取值，即对应的参数k,α拟合得到的值；

(3)根据得到的α范围作出分析预警：

当α＜0时，α-1＜0，隧道拱顶沉降值函数为减函数，沉降速率函数也为减函数，此时隧道拱顶趋于稳定；

当0＜α≤1时，α-1≤0，隧道拱顶沉降值函数为缓慢增函数，而沉降速率函数为减函数，此时需严密关注隧道拱顶变化趋势，并采用现有技术不断优化支护和工法，使隧道拱顶不断趋于稳定，防止坍塌；

当α＞1时，分为两种情况：

(1)当1＜α＜2时，则0＜α-1＜1，即隧道拱顶沉降值函数为快速增长的增函数，而沉降速率函数为缓慢增长的增函数，此时隧道开挖一段时间后易发生坍塌，需要预警；

(2)当α≥2时，则α-1≥1，即隧道拱顶沉降值函数和沉降速率函数都是快速增长的增函数，容易发生坍塌，需要立即预警。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是确定了隧道拱顶沉降函数更适宜用幂函数进行表达；二是首次将沉降值函数和沉降速率函数采用同一个函数形式表达，并具有理论依据；三是针对不同情况进行判别分析，并给出了具体建议；其方法简单，原理科学，实用性强，只需要根据现场实测数据拟合得到幂指数α的范围，根据判别方法就能识别拱顶部变形趋势。

附图说明：

图1为本发明所述α＜0时的隧道拱顶沉降值曲线(a)和沉降速率曲线(b)。

图2为本发明所述0＜α≤1时的隧道拱顶沉降值曲线(a)和沉降速率曲线(b)。

图3为本发明所述1＜α＜2时的隧道拱顶沉降值曲线(a)和沉降速率曲线(b)。

图4为本发明所述α≥2时的隧道拱顶沉降值曲线(a)和沉降速率曲线(b)。

图5为本发明实施例中隧道拱顶沉降值曲线(a)和沉降速率曲线(b)。

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。

本发明采用拱顶沉降值和拱顶沉降速率两个指标对交通隧道拱顶坍塌进行快速识别，具体过程为：

(1)建立隧道拱顶沉降值函数和沉降速率函数：建立的隧道拱顶沉降值函数为幂函数，其导数函数即沉降速率函数也是幂函数，隧道拱顶沉降值函数为：

s＝kx^α,x＞0

则沉降速率函数为

式中x＞0,式中表示在x轴正轴，x为观测时间，单位为d，k为影响系数，单位为mm/d^-α；

(2)根据现场实测数据拟合得到幂指数α的范围：在x₁时刻现场拱顶沉降监测数据为s₁，记为(x₁，s₁)，在x₂时刻现场拱顶沉降监测数据为s₂，记为(x₂，s₂)，以此类推，x_t时刻得到的数据组为(x_t，s_t),将相应数据带入origin软件，应用非线性拟合y＝ax^b模式自动得出a,b的取值，即对应的参数k,α拟合得到的值；

(3)根据得到的α范围作出分析预警：

当α＜0时，α-1＜0，隧道拱顶沉降值函数为减函数，沉降速率函数也为减函数，此时隧道拱顶趋于稳定；

当0＜α≤1时，α-1≤0，隧道拱顶沉降值函数为缓慢增函数，而沉降速率函数为减函数，此时需严密关注隧道拱顶变化趋势，并采用现有技术不断优化支护和工法，使隧道拱顶不断趋于稳定，防止坍塌；

当α＞1时，分为两种情况：

(1)当1＜α＜2时，则0＜α-1＜1，即隧道拱顶沉降值函数为快速增长的增函数，而沉降速率函数为缓慢增长的增函数，此时隧道开挖一段时间后易发生坍塌，需要预警；

(2)当α≥2时，则α-1≥1，即隧道拱顶沉降值函数和沉降速率函数都是快速增长的增函数，容易发生坍塌，需要立即预警。

实施例：

本实施例应用于某交通隧道，该交通隧道已经成功贯通，在该交通隧道初始施工中出现一次坍塌，应用本技术成功预测，并安全撤离所有人员，未造成人员伤害；后期，凡是预警的地方都采用相应措施，未造成坍塌，该交通隧道在洞口YK7+490至YK7+510段采用管棚超前支护，超前支护长度为20m，其中YK7+490至YK7+500段采用CRD法开挖，之后采用CD法开挖，在YK7+515断面周边发生塌方，提取洞口段YK7+490和YK7+515两个断面拱顶沉降值函数和沉降速率函数曲线，如图5所示，拟合后：

(1)YK7+515断面α＞2，因此是沉降值函数和沉降速率曲线都是快速增长的增函数，极易发生坍塌，需要预警；

(2)YK7+490断面0＜α＜1，沉降值函数缓慢增长，而沉降速率函数是减函数，对该段采用了超前管棚支护和CRD工法，使拱顶趋于稳定。

Claims (1)

1.一种交通隧道拱顶坍塌快速识别方法，其特征在于采用拱顶沉降值和拱顶沉降速率两个指标对交通隧道拱顶坍塌进行快速识别，具体过程为：

(1)建立隧道拱顶沉降值函数和沉降速率函数：建立的隧道拱顶沉降值函数为幂函数，其导数函数即沉降速率函数也是幂函数，隧道拱顶沉降值函数为：

s＝kx^α,x＞0

则沉降速率函数为

式中x＞0,式中表示在x轴正轴，x为观测时间，单位为d，k为影响系数，单位为mm/d^-α；

(2)根据现场实测数据拟合得到幂指数α的范围：在x₁时刻现场拱顶沉降监测数据为s₁，记为(x₁，s₁)，在x₂时刻现场拱顶沉降监测数据为s₂，记为(x₂，s₂)，以此类推，x_t时刻得到的数据组为(x_t，s_t),将相应数据带入origin软件，应用非线性拟合y＝ax^b模式自动得出a,b的取值，即对应的参数k,α拟合得到的值；

(3)根据得到的α范围作出分析预警：

当α＜0时，α-1＜0，隧道拱顶沉降值函数为减函数，沉降速率函数也为减函数，此时隧道拱顶趋于稳定；

当0＜α≤1时，α-1≤0，隧道拱顶沉降值函数为缓慢增函数，而沉降速率函数为减函数，此时需严密关注隧道拱顶变化趋势，并采用现有技术不断优化支护和工法，使隧道拱顶不断趋于稳定，防止坍塌；

当α＞1时，分为两种情况：

(1)当1＜α＜2时，则0＜α-1＜1，即隧道拱顶沉降值函数为快速增长的增函数，而沉降速率函数为缓慢增长的增函数，此时隧道开挖一段时间后易发生坍塌，需要预警；

(2)当α≥2时，则α-1≥1，即隧道拱顶沉降值函数和沉降速率函数都是快速增长的增函数，容易发生坍塌，需要立即预警。