CN110633537B - 钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法，包括：步骤一、获取隧道预穿行岩土体的物理力学参数，采用公式(1)和公式(2)分别计算沉降槽宽度系数K₁和沉降槽宽度系数K₂；步骤二、采用公式(3)预算钻爆后的路基沉降槽宽度i，其中，公式(3)如下所示：i＝K₁z₁+K₂z₂；步骤三、根据物理力学参数计算得到径向均匀收敛参数ε，及计算根据地层损失率V_l，再根据预测的待挖隧道的路基沉降槽宽度i和地层损失率V_l，计算路基沉降最大值S_max和路基沉降值S_x。本发明提供了一种适合岩土结合地区的钻爆法施工的沉降预测，具有准确预测隧道施工引起的路基沉降的有益效果。

Description

钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法

技术领域

本发明涉及隧道施工领域。更具体地说，本发明涉及一种钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法。

背景技术

随着城市建设的不断发展，地铁建设不断推进。具有“土岩组合”特点城市的地铁建设需求不断增加，具有此类特点的城市在地铁隧道施工中多采用钻爆法。地铁施工过程中常会引起路基沉降变形。现有隧道施工对地表及地层沉降变形的研究多基于隧道穿行于黏土层或砂土层等的盾构法或浅埋暗挖法施工。针对“土岩组合”地区的钻爆法施工，相应的沉降变形预测不足。不能有效地预测“土岩组合”地区钻爆法施工中路基的变形，从而不能有效地保证路基的安全性。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法，可以用于岩土结合地区的钻爆法施工的沉降预测，可以准确预测隧道施工引起的路基沉降。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法，包括：

步骤一、获取隧道预穿行岩土体的物理力学参数，采用公式(1)和公式(2)分别计算沉降槽宽度系数K₁和沉降槽宽度系数K₂，其中，公式(1)和公式(2)如下所示：

K₁＝0.575(z₁/D)^-0.2(0.84+0.16e^-η/0.08) 公式(1)

其中，D为隧道直径，η为强风化花岗岩厚度与z₁的比值，Φ_岩层为中风化岩层内摩擦角，z₁为待挖隧道的预设位置的路基至中风化岩层顶的距离，z₂为待挖隧道的预设位置的中风化层顶高于隧道埋深点的距离，z₁、z₂的单位均为m；

步骤二、采用公式(3)预算钻爆后的路基沉降槽宽度i，其中，公式(3)如下所示：

i＝K₁ z₁+K₂ z₂ 公式(3)

步骤三、根据物理力学参数计算得到径向均匀收敛参数ε，及计算根据地层损失率V_l，再根据预测的待挖隧道的路基沉降槽宽度i和地层损失率V_l，计算路基沉降最大值S_max和路基沉降值S_x。

优选的是，岩土体的物理力学参数包括岩土体容重γ、粘聚力c、内摩擦角φ、弹性模量E、泊松比μ、剪胀角ψ，并采用Gonzales公式计算径向均匀收敛参数ε。

优选的是，V_l＝2ε。

优选的是，路基沉降最大值S_max的计算公式如公式(4)所示：

其中，R为施工隧道等效半径。

优选的是，路基沉降值S_x的计算公式如公式(5)所示：

其中，R为施工隧道等效半径，x为沉降处至距隧道中心轴线的水平距离。

优选的是，还包括判断预测的沉降数据是否可行，具体方法为：

获取在该岩土体上已完成钻爆的隧道的多种工况的路基沉降数据，采用Peck公式拟合得到各个工况的路基沉降槽宽度i；

以每两个工况下的路基沉降槽宽度i、该隧道的实际的路基至中风化岩层顶的距离z₁、实际的中风化层顶高于隧道埋深点的距离z₂建立矩阵，计算得到公式(3)中的K₁、K₂的取值范围；

若步骤一中计算的沉降槽宽度系数K₁和沉降槽宽度系数K₂分别落在K₁、K₂的取值范围内，则说明该预测的沉降数据适用于该岩土体结构，反之，则说明该预测的沉降数据不适用于该岩土体结构。

优选的是，预测的沉降数据包括路基沉降槽宽度i、径向均匀收敛参数ε、地层损失率V_l、路基沉降最大值S_max、路基沉降值S_x。

本发明至少包括以下有益效果：

第一、只需要获取知道隧道施工前，预设隧道的岩土体的物理力学参数，即可准确的计算出沉降槽宽度系数K₁和沉降槽宽度系数K₂，然后根据公式(3)精准的计算出沉降的关键数据路基沉降槽宽度i，现有沉降槽宽度的计算公式多基于隧道周围岩土体为单一土层，或力学性能差异较小土层的情况，不能全面反映采用钻爆法施工的地区多具有“土岩组合”地质特点，因而影响沉降槽宽度的准确性，而公式(3)结合因中风化岩层与上层土层及强风化岩层的显著物理力学性能差异，根据中风化岩层与隧道相对位置关系，可以预测得到更为准确的路基沉降槽宽度i，为后面其余沉降数据，比如路基沉降最大值S_max、路基沉降值S_x的预测垫定基础，提高预测的准确性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的实施例1的工程预测路基竖向沉降曲线图；

图2为其中一种技术方案的土岩组合隧道数值模拟模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1～2所示，本发明提供一种钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法，包括：

步骤一、获取隧道预穿行岩土体的物理力学参数，采用公式(1)和公式(2)分别计算沉降槽宽度系数K₁和沉降槽宽度系数K₂，其中，公式(1)和公式(2)如下所示：

K₁＝0.575(z₁/D)^-0.2(0.84+0.16e^-η/0.08) 公式(1)

其中，D为隧道直径，η为强风化花岗岩厚度与z₁的比值，Φ_岩层为中风化岩层内摩擦角，z₁为待挖隧道的预设位置的路基至中风化岩层顶的距离，z₂为待挖隧道的预设位置的中风化层顶高于隧道埋深点的距离，z₁、z₂的单位均为m；

步骤二、采用公式(3)预算钻爆后的路基沉降槽宽度i，其中，公式(3)如下所示：

i＝K₁ z₁+K₂ z₂ 公式(3)

步骤三、根据物理力学参数计算得到径向均匀收敛参数ε，及计算根据地层损失率V_l，再根据预测的待挖隧道的路基沉降槽宽度i和地层损失率V_l，计算路基沉降最大值S_max和路基沉降值S_x。现有技术中计算收敛参数ε、地层损失率V_l、路基沉降最大值S_max、路基沉降值S_x的方法有很多，比如，根据Gonzales公式计算径向均匀收敛参数ε，根据V_l＝2ε计算地层损失率V_l，根据

计算路基沉降最大值S_max，根据

计算路基沉降值S_x，其中，A为隧道横断面面积，其它方法在此不一一赘述。

在上述技术方案中，只需要获取知道隧道施工前，预设隧道的岩土体的物理力学参数，即可准确的计算出沉降槽宽度系数K₁和沉降槽宽度系数K₂，岩土体的物理力学参数的获得方法属于现有技术，比如可以根据线路规划设计图确定新建隧道所在位置，根据室内试验获取岩土体的物理力学参数，然后根据公式(3)精准的计算出沉降的关键数据路基沉降槽宽度i，现有沉降槽宽度的计算公式多基于隧道周围岩土体为单一土层，或力学性能差异较小土层的情况，不能全面反映采用钻爆法施工的地区多具有“土岩组合”地质特点，因而影响沉降槽宽度的准确性，而公式(3)结合因中风化岩层与上层土层及强风化岩层的显著物理力学性能差异，根据中风化岩层与隧道相对位置关系，可以预测得到更为准确的路基沉降槽宽度i，为后面其余沉降数据的预测垫定基础，提高预测的准确性。

在另一种技术方案中，岩土体的物理力学参数包括岩土体容重γ、粘聚力c、内摩擦角φ、弹性模量E、泊松比μ、剪胀角ψ，并采用Gonzales公式计算径向均匀收敛参数ε。

根据Gonzales公式，如下所示，计算径向均匀收敛参数ε：

公式中，系数

系数

刚度系数

系数

p₀为初始竖向应力(kpa)，p₀＝∑γH；p_i为均匀压力(kpa)；c为粘聚力(kpa)；φ为内摩擦角(°)；G为剪切模量(Mpa)；ψ为剪胀角(°)；γ为岩土体容重(kN/m²)。

在另一种技术方案中，V_l＝2ε。可以简便快速的计算得到地层损失率V_l。

在另一种技术方案中，路基沉降最大值S_max的计算公式如公式(4)所示：

其中，R为施工隧道等效半径。可以简便快速的计算得到路基沉降最大值S_max。

在另一种技术方案中，路基沉降值S_x的计算公式如公式(5)所示：

其中，R为施工隧道等效半径，x为沉降处至距隧道中心轴线的水平距离。针对隧道横断面的各个点，可以得到路基竖向沉降曲线，直观的描述沉降状态。

在另一种技术方案中，还包括判断预测的沉降数据是否可行，具体方法为：

获取在该岩土体上已完成钻爆的隧道的多种工况的路基沉降数据，采用Peck公式拟合得到各个工况的路基沉降槽宽度i；

以每两个工况下的路基沉降槽宽度i、该隧道的实际的路基至中风化岩层顶的距离z₁、实际的中风化层顶高于隧道埋深点的距离z₂建立矩阵，计算得到公式(3)中的K₁、K₂的取值范围；

若步骤一中计算的沉降槽宽度系数K₁和K₂分别落在K₁、K₂的取值范围内，则说明该预测的沉降数据适用于该岩土体结构，反之，则说明该预测的沉降数据不适用于该岩土体结构。

在上述技术方案中，为了给预测加一道保险，可以通过上述方法进行判断：

各个工况中各工况的路基沉降槽宽度i的数值，并确定i所对应的z₁、z₂各自取值。以两两建立矩阵

并解逆矩阵的方式，获得任选两个工况所得的K₁、K₂取值范围。

公式中，i_A，i_B分别为工况A及工况B通过数值模拟计算所得的沉降槽宽度。z_1A，z_1B分别为工况A、B条件下路基至中风化岩层顶的距离(m)。z_2A，z_2B分别为工况A、B条件下中风化岩层顶高于隧道埋深点的距离。K₁为工况A、B计算所得的路基到中风化岩层顶端的沉降槽宽度参数。K₂为工况A、B计算所得的中风化岩层顶端高于隧道埋深的沉降槽宽度参数。

比如：通过逆矩阵计算获得K₁取值范围为0.38～0.56，K₂取值范围为0.11～0.37，K₁的平均值为0.51，K₂的平均值为0.29。

如果步骤一中计算的沉降槽宽度系数K₁和K₂分别落在K₁、K₂的取值范围内，则说明该预测的沉降数据可行，即预测方法适用于该岩体土层隧道施工预测，反之，则说明该预测的方法不适用于该岩体土层隧道施工预测。

在另一种技术方案中，预测的沉降数据包括路基沉降槽宽度i、径向均匀收敛参数ε、地层损失率V_l、路基沉降最大值S_max、路基沉降值S_x。上述5项沉降数据是反应沉降的最为直接和关键的数据，因此，对上述5项沉降数据的预测准确性的提高，可以提高沉降预测的整体准确性。

<实施例1>

选取青岛地铁区间K21+618处断面进行分析计算。

根据线路规划设计图，确定新建隧道位置，获取隧道围岩的土层物理力学参数。断面处隧道上覆土层主要包括素填土、粉质黏土、粗砂。

确定新建隧道本断面取z₁＝10.8m，z₂＝3.5m，隧道等效直径D＝6.5m，根据计算断面的围岩物理力学参数计算沉降槽宽度公式i＝K₁ z₁+K₂ z₂中的K₁和K₂。

K₁＝0.575(z₁/D)^-0.2(0.84+0.16e^-η/0.08)＝0.575(10.8/6.5)^-0.2(0.84+0.16e^-0.028/0.08)＝0.495

i＝K₁ z₁+K₂ z₂＝0.495×10.8+0.349×3.5＝6.57m

将岩土体的粘聚力c，内摩擦角φ，剪切模量G，剪胀角ψ，容重γ，带入Gonzales公式，得到研究断面的均匀收敛参数ε＝0.189％。

根据地层损失率V_l与径向均匀收敛参数ε的关系，得到地层损失率V_l＝2ε＝0.378％。

根据Peck公式形式，及Gonzales公式计算所得均匀收敛参数ε，及地层损失率V_l，计算可得到

根据所得的沉降槽宽度计算公式、地层损失率、最大沉降值计算公式，带入预测公式中，可预测路基沉降变形，采用预测公式如下。

按照预测公式可以绘出施工引起路基沉降预测值，如图1所示，通过与现场实测数据对比，发现预测结果吻合率高，即准确性高。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法，其特征在于，包括：

步骤一、获取隧道预穿行岩土体的物理力学参数，采用公式(1)和公式(2)分别计算沉降槽宽度系数K₁和沉降槽宽度系数K₂，其中，公式(1)和公式(2)如下所示：

K₁＝0.575(z₁/D)^-0.2(0.84+0.16e^-η/0.08) 公式(1)

其中，D为隧道直径，η为强风化花岗岩厚度与z₁的比值，Φ_岩层为中风化岩层内摩擦角，z₁为待挖隧道的预设位置的路基至中风化岩层顶的距离，z₂为待挖隧道的预设位置的中风化岩层顶高于隧道埋深点的距离，z₁、z₂的单位均为m；

步骤二、采用公式(3)预算钻爆后的路基沉降槽宽度i，其中，公式(3)如下所示：

i＝K₁z₁+K₂z₂ 公式(3)

步骤三、根据物理力学参数计算得到径向均匀收敛参数ε，及计算根据地层损失率V_l，再根据预测的待挖隧道的路基沉降槽宽度i和地层损失率V_l，计算路基沉降最大值S_max和路基沉降值S_x。

2.如权利要求1所述的钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法，其特征在于，岩土体的物理力学参数包括岩土体容重γ、粘聚力c、内摩擦角φ、弹性模量E、泊松比μ、剪胀角ψ，并采用Gonzales公式计算径向均匀收敛参数ε。

3.如权利要求1所述的钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法，其特征在于，V_l＝2ε。

4.如权利要求1所述的钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法，其特征在于，路基沉降最大值S_max的计算公式如公式(4)所示：

其中，R为施工隧道等效半径。

5.如权利要求1所述的钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法，其特征在于，路基沉降值S_x的计算公式如公式(5)所示：

其中，R为施工隧道等效半径，x为沉降处至隧道中心轴线的水平距离。

6.如权利要求1所述的钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法，其特征在于，还包括判断预测的沉降数据是否可行，具体方法为：

获取在该岩土体上已完成钻爆的隧道的多种工况的路基沉降数据，采用Peck公式拟合得到各个工况的路基沉降槽宽度i；

以每两个工况下的路基沉降槽宽度i、该隧道的实际的路基至中风化岩层顶的距离z₁、实际的中风化岩层顶高于隧道埋深点的距离z₂建立矩阵，计算得到公式(3)中的K₁、K₂的取值范围；

若步骤一中计算的沉降槽宽度系数K₁和沉降槽宽度系数K₂分别落在K₁、K₂的取值范围内，则说明该预测的沉降数据适用于该岩土体结构，反之，则说明该预测的沉降数据不适用于该岩土体结构。

7.如权利要求6所述的钻爆法地铁隧道施工期路基沉降的预测方法，其特征在于，

预测的沉降数据包括路基沉降槽宽度i、径向均匀收敛参数ε、地层损失率V_l、路基沉降最大值S_max、路基沉降值S_x。

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