CN110727985B - 一种邻近基坑工程的既有地铁隧道竖向变形的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种邻近基坑工程的既有地铁隧道竖向变形的预测方法：对基坑和侧邻基坑隧道结构监测，分析围护结构和隧道结构的竖向位移特征；记围护结构的累计竖向位移实测值为d_w，隧道结构的累计竖向位移实测值为d_t，以隧道轴向为x轴方向，取第一个监测点位置为x轴零点，以各监测点监测数据为数据点，绘制d_w、d_t随隧道轴向位置的分布曲线；记围护结构与邻近上、下行隧道的水平距离为L；考虑L对围护结构和隧道变形相关性的影响，绘制d_t与1000d_w/L关系曲线，得到d_t＝Aln(1000d_w/L)+B；利用d_t'＝Alg(1000d_w/L)+B，得到隧道不同轴向位置的d_t'；绘制d_t与d_t'沿隧道轴向分布曲线，计算预测误差，对预测效果进行评价。

Description

一种邻近基坑工程的既有地铁隧道竖向变形的预测方法

技术领域

本发明涉及一种预测方法，更具体的说，是涉及一种邻近基坑工程的既有地铁隧道竖向变形的预测方法。

背景技术

随着城市的发展和地铁交通网络的逐渐密集，在地铁隧道上方或一侧开挖基坑的案例越来越多，基坑开挖造成地层原有应力场的改变，使邻近既有地铁车站和隧道产生附加内力和变形，从而影响地铁列车的运行安全，因此基坑工程开挖对既有地铁结构的影响研究广受关注。

目前，对于邻近基坑工程一侧的地铁隧道变形预测的方法主要有三种：理论推导、数值模拟和实测分析。(1)基坑开挖引起邻近隧道变形的理论研究，一般分两阶段进行，首先基于Mindlin解来求解邻近开挖引起隧道位置的附加应力或附加变形，然后基于弹性地基梁、有限元等方法对隧道本身的内力与变形进行分析。然而，理论分析存在忽略土体与隧道结构相互作用、隧道结构简化为地基梁的近似处理、基床系数与隧道纵向刚度的取值等诸多问题，故与实际情况存在一定差异，从而准确性并不高。(2)相较于理论分析法，数值方法则能够考虑基坑开挖过程中土体变形特性及深基坑工程的复杂性，也因此被较多学者研究应用。数值分析方法可以考虑土体复杂本构关系、边界条件，并且可以结合基坑开挖及支护结构施工顺序进行模拟，而数值计算关键问题之一是采用合适的本构模型。但是不少的数值分析当中采用的理想弹塑性Mohr-Coulomb模型，只能粗略模拟变形特征，不太适合于这种复杂敏感环境条件基坑工程的变形分析。(3)实测分析预测是指基于各类监测手段，由实测资料与工程记录经过数学处理，得出适合于工程应用的结论，对施工具有较好的指导作用。

相比于理论方法和数值方法，实测方法基于实测数据，能更好的反映工程现场的综合条件。但目前实测方法大多集中探究不同因素对邻近隧道变形的影响，忽略了基坑本身变形与邻近隧道变形之间的关系。因此，能基于基坑变形监测数据，提出一种预测邻近基坑工程的地铁隧道变形特征的新方法具有十分重要的意义。采用这种方法，一方面可以优化地铁隧道的监测点布置，另一方面也可以对地铁隧道监测的可靠性做出评估。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种邻近基坑工程的既有地铁隧道竖向变形的预测方法，为此类地铁隧道的监测方案设计和优化提供有效依据，同时作为一种方法可对隧道的监测结果进行验证和补充。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明邻近基坑工程的既有地铁隧道竖向变形的预测方法，包括以下步骤：

(1)基坑开挖过程中，对基坑和侧邻基坑的隧道结构进行三维监测，根据监测结果，分析靠近隧道一侧基坑围护结构(后面简称“围护结构”)和隧道结构的竖向位移特征；

(2)记围护结构的累计竖向位移实测值为d_w，隧道结构的累计竖向位移实测值为d_t，以隧道轴向为x轴方向，取第一个监测点位置为x轴零点，以各监测点的监测数据为数据点，绘制d_w、d_t随隧道轴向位置的分布曲线(单位：mm)，观察其特征；

(3)记围护结构与邻近上、下行隧道的水平距离为L(单位：m)，如果围护结构在平面上与隧道轴线不平行，或者围护结构在平面上不规则(即沿为x轴方向不为一条直线)，则考虑L的不一致性，记为L₁、L₂、L₃......L_n；

(4)考虑水平距离L对围护结构和隧道变形相关性的影响，绘制d_t与1000d_w/L的关系曲线(1000为单位的换算)，得到对数关系式d_t＝Aln(1000d_w/L)+B，将公式中的参数A、B定义为基坑与隧道变形的关联系数，不同工程A和B的取值也不同，与地铁隧道埋深、隧道结构强度、基坑周边土质条件、基坑围护结构类型及埋深有关；

(5)根据步骤(4)得到的d_t与1000d_w/L的对数关系，基于围护结构累计竖向位移实测值d_w，利用公式d_t'＝Alg(1000d_w/L)+B，即得到隧道不同轴向位置的累计竖向位移预测值d_t'；

(6)绘制隧道累计竖向位移实测值d_t与预测值d_t'沿隧道轴向的分布曲线，对比实测值与预测值的趋势与大小，计算预测误差，对预测效果进行评价。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明基于实测资料，更具说服力和实际意义。

(2)本发明充分考虑了不规则坑壁与隧道的水平距离、开挖时间等因素，且能较好的预测整个基坑开挖范围内邻近隧道的竖向变形趋势，具有非常大的工程意义。

(3)本发明充分考虑了不规则坑壁与隧道的水平距离、开挖时间等因素，且能较好的预测整个基坑开挖范围内邻近隧道的竖向变形趋势，具有非常大的工程意义。

(4)本发明能充分利用已监测的工程数据，预测结果可对邻近隧道监测点的布置进行优化、对其监测结果的可靠性进行评估，大大降低了监测成本。

综上所述，本发明针对邻近隧道的竖向位移，基于基坑围护结构竖向位移，考虑基坑与隧道的水平相对位置和开挖时间，定义表示基坑围护结构与隧道结构竖向变形相互关系的关联系数R，提出一种新的预测方法。较之前的预测方法思路更加新颖，且基于实测数据，更符合工程需要。因此，更加适用于类似工程的方案优化和结果验证。

附图说明

图1是基坑与邻近地铁隧道位置关系及监测点平面布置图；

图2是d_t与1000d_w/L的关系曲线，(a)上行隧道，(b)下行隧道；

图3是隧道累计竖向位移实测值d_t与预测值d_t'对比，

(a)上行隧道，(b)下行隧道；

图4是隧道累计竖向位移预测误差。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

对于基坑围护结构和隧道结构都“上浮”或者都“沉降”的情况，均可按本发明步骤依次进行。本发明邻近基坑工程的既有地铁隧道竖向变形的预测方法，可基于围护结构竖向变形来预测邻近地铁隧道的竖向变形，包括以下步骤：

(1)基坑开挖过程中，对基坑和侧邻基坑的隧道结构进行三维监测，根据监测结果，分析靠近隧道一侧基坑围护结构(后面简称“围护结构”)和隧道结构的竖向位移特征。

(2)记围护结构的累计竖向位移实测值为d_w，隧道结构的累计竖向位移实测值为d_t。以隧道轴向为x轴方向，取第一个监测点位置为x轴零点，以各监测点的监测数据为数据点，绘制d_w、d_t随隧道轴向位置的分布曲线(单位：mm)，观察其特征。

(3)记围护结构与邻近上、下行隧道的水平距离为L(单位：m)，如果围护结构在平面上与隧道轴线不平行，或者围护结构在平面上不规则(即沿为x轴方向不为一条直线)，则考虑L的不一致性，记为L₁、L₂、L₃......L_n。

(4)考虑水平距离L对围护结构和隧道变形相关性的影响，绘制d_t与1000d_w/L的关系曲线(1000为单位的换算)，得到对数关系式d_t＝Aln(1000d_w/L)+B，将公式中的参数A、B定义为基坑与隧道变形的关联系数，不同工程A和B的取值也不同，与地铁隧道埋深、隧道结构强度、基坑周边土质条件、基坑围护结构类型及埋深等因素有关。

(5)根据步骤(4)得到的d_t与1000d_w/L的对数关系，基于围护结构累计竖向位移实测值d_w，利用公式d_t'＝Alg(1000d_w/L)+B，即可得到隧道不同轴向位置的累计竖向位移预测值d_t'。

(6)绘制隧道累计竖向位移实测值d_t与预测值d_t'沿隧道轴向的分布曲线，对比实测值与预测值的趋势与大小，计算预测误差，对预测效果进行评价。

实施例：

本发明邻近基坑工程的既有地铁隧道竖向变形的预测方法，具体实现过程如下：

(1)本案例为天津某邻近地铁隧道的基坑工程，其位置关系及监测点布置平面图如图1所示。监测数据显示，基坑开挖过程中，基坑围护结构和侧邻基坑的隧道结构均呈“上浮”式，则可按本发明步骤进行。

(2)记基坑围护结构的累计竖向位移实测值为d_w，隧道的累计竖向位移实测值为d_t，取基坑围护结构竖向位移监测开始的时间点为位移累计零点。以隧道轴向为x轴方向，取第一个监测点位置为x轴零点，以各监测点的监测数据为数据点，绘制d_w、d_t随隧道轴向位置的分步曲线(单位：mm)。

(3)根据现场工程资料(图1)，可知围护结构在平面上不规则，即沿为x轴方向不为一条直线。记围护结构不同位置的监测点与邻近上、下行隧道的水平距离为L₁、L₂、L₃......L_n(单位：m)。

(4)考虑水平距离L对围护结构和隧道变形相关性的影响，绘制d_t与1000d_w/L的关系曲线(1000为单位的换算)，本案例中关系曲线近似为一对数曲线，表达式为d_t＝Aln(1000d_w/L)+B，如图2所示。系数A和B定义为基坑与隧道变形的关联系数，本案例中，上、下行隧道的关联系数A、B值相近。关联系数A、B在不同工程中取值可能不同，与地铁隧道埋深、隧道结构强度、基坑周边土质条件、基坑围护结构类型及埋深等因素有关。

(5)针对以上基坑与隧道变形相关关系分析结果，基于本案例基坑围护结构累计竖向位移d_w，利用公式d_t'＝Aln(1000d_w/L)+B，即可得到本案例隧道不同轴向位置的累计竖向位移预测值d_t'。

(6)绘制隧道累计竖向位移实测值与预测值d_t、d_t'沿隧道轴向的分布曲线，对比实测值与预测值的趋势与大小，如图3所示，并对预测值与实测值的误差进行量化，如图4所示。

图3为A和B分别取1.3和3.8时，上、下行隧道累计竖向位移实测值与预测值对比情况，可以看到隧道沿轴线方向的竖向变形趋势可以被很好地预测，各个点的预测误差在±20％范围内(图4)。另外，相比下行隧道，上行隧道的预测效果稍差，主要因为考虑隧道与基坑距离时，没有考虑夹在中间的下行隧道对上行隧道竖向位移预测值的影响。在类似工程中，可以采用这种方法来预测邻近地铁隧道的竖向变形。

本发明针对邻近隧道的竖向位移，基于基坑围护结构竖向位移，考虑基坑与隧道的水平相对位置和开挖时间，定义表示基坑围护结构竖向变形与隧道竖向变形相互关系的关联系数A和B，提出一种新的预测方法。较之前的预测方法思路更加新颖，且基于实测数据，更符合工程需要。因此，更加适用于类似工程监测方案的优化和监测结果的验证。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种邻近基坑工程的既有地铁隧道竖向变形的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基坑开挖过程中，对基坑和侧邻基坑的隧道结构进行三维监测，根据监测结果，分析靠近隧道一侧基坑围护结构和隧道结构的竖向位移特征；

(2)记围护结构的累计竖向位移实测值为d_w，隧道结构的累计竖向位移实测值为d_t，以隧道轴向为x轴方向，取第一个监测点位置为x轴零点，以各监测点的监测数据为数据点，绘制d_w、d_t随隧道轴向位置的分布曲线，单位mm，观察其特征；

(3)记围护结构与邻近上、下行隧道的水平距离为L，单位m，如果围护结构在平面上与隧道轴线不平行，或者围护结构在平面上不规则，即沿为x轴方向不为一条直线，则考虑L的不一致性，记为L₁、L₂、L₃......L_n；

(4)考虑水平距离L对围护结构和隧道变形相关性的影响，绘制d_t与1000d_w/L的关系曲线，其中1000为单位的换算，得到对数关系式d_t＝Aln(1000d_w/L)+B，将公式中的参数A、B定义为基坑与隧道变形的关联系数，不同工程A和B的取值也不同，与地铁隧道埋深、隧道结构强度、基坑周边土质条件、基坑围护结构类型及埋深有关；

(5)根据步骤(4)得到的d_t与1000d_w/L的对数关系，基于围护结构累计竖向位移实测值d_w，利用公式d_t'＝Alg(1000d_w/L)+B，即得到隧道不同轴向位置的累计竖向位移预测值d_t'；

(6)绘制隧道累计竖向位移实测值d_t与预测值d_t'沿隧道轴向的分布曲线，对比实测值与预测值的趋势与大小，计算预测误差，对预测效果进行评价。