CN111062086B - 曲线盾构隧道地层沉降的预测方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

曲线盾构隧道地层沉降的预测方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种曲线盾构隧道地层沉降的预测方法、装置、设备及存储介质。其中的方法包括：根据待预测的曲线盾构隧道确定由盾构机在实际掘进时产生的曲线超挖间隙的超挖间隙参数；基于所述超挖间隙参数和弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式，对单位体积空隙在所述曲线超挖间隙的体积域内进行积分运算，得到所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移；其中，所述计算公式基于三维镜像理论对弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移确定所得。

Description

曲线盾构隧道地层沉降的预测方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及因曲线超挖间隙导致的曲线盾构隧道地层沉降的预测方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
盾构隧道施工因具有对地层变形影响小的优点而被广泛运用于城市地下铁路的修建，但后续中，地层会因为多种原因发生沉降，其中地层损失导致地层沉降占总沉降的比重最大。
因此，为保证地铁或高铁安全和高效地工作，有必要对地层沉降状况进行预测。但目前实现地层沉降的预测方法通常是基于直线隧道，并未公开对曲线隧道的三维空间内地层损失导致地层沉降的沉降位移预测方案。然而，未来铁路线路很可能出现急曲线，且较大的曲线超挖量将可能导致更大的非对称地层沉降，这样导致地铁或高铁在行驶过程中存在更大的安全隐患。
发明内容
基于此，为实现对因曲线超挖导致的曲线盾构隧道地层沉降的沉降位移的准确预测，本发明提供一种曲线盾构隧道地层沉降的预测方法、装置、设备及存储介质。
根据本发明实施例的第一方面，本发明提供了一种曲线盾构隧道地层沉降的预测方法，包括：
根据待预测的曲线盾构隧道确定由盾构机在实际掘进时产生的曲线超挖间隙的超挖间隙参数；
基于所述超挖间隙参数和弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式，对单位体积空隙在所述曲线超挖间隙的体积域内进行积分运算，得到所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移；
其中，所述计算公式基于三维镜像理论对弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移确定所得。
根据本发明实施例的第二方面，本发明提供了一种曲线盾构隧道地层沉降的预测装置，包括：
超挖间隙确定模块，用于根据待预测的曲线盾构隧道确定由盾构机在实际掘进时产生的曲线超挖间隙的超挖间隙参数；
沉降位移计算模块，用于基于所述超挖间隙参数和弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式，对单位体积空隙在所述曲线超挖间隙的体积域内进行积分运算，得到所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移；
其中，所述计算公式基于三维镜像理论对弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移确定所得。
根据本发明实施例的第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：
处理器；
存储器，用于存储可执行的计算机程序；
其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述曲线盾构隧道地层沉降的预测方法的步骤。
根据本发明实施例的第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述曲线盾构隧道地层沉降的预测方法的步骤。
相比于现有技术，本发明至少产生了以下有益技术效果：
本发明实施例通过利用基于三维镜像理论获得弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式，并结合盾构机在实际掘进时对待预测的曲线盾构隧道产生的曲线超挖间隙，使得基于所述计算公式和超挖间隙参数预测得到的所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移具备较高的准确性，可以实现对因曲线超挖导致的曲线盾构隧道地层沉降的沉降位移的准确预测，能够为预测曲线隧道地层变形提供较符合实际的解答。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
图1是本发明根据一示例性实施例示出的一种曲线盾构隧道地层沉降的预测方法的流程图；
图2是本发明根据一示例性实施例示出的弹性半无限体所在的三维直角坐标系中，设定点及其镜像位置处的镜像点的位置关系示意图；
图3是本发明根据一示例性实施例示出的一种待预测的曲线盾构隧道的掘进三维空间模型的示意图；
图4是本发明根据一示例性实施例示出的待预测的曲线盾构隧道的平面模型的示意图，其中，示出了曲线超挖间隙；
图5是本发明根据一示例性实施例示出的一种曲线盾构隧道地层沉降的预测装置的结构框图；
图6是本发明根据一示例性实施例示出的一种电子设备的结构框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包含多数形式，除非上下文清楚地表示其含义。还应当理解，本发明中使用的术语“和/或”是指包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能的组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三来描述各种信息，但这些信息不应该限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
为实现对因曲线超挖导致的曲线盾构隧道地层沉降的沉降位移的准确预测，本发明提供了一种曲线盾构隧道地层沉降的预测方法，通过利用基于三维镜像理论获得弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式，并结合盾构机在实际掘进时对待预测的曲线盾构隧道产生的曲线超挖间隙，使得基于所述计算公式和超挖间隙参数预测得到的所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移具备较高的准确性，可以实现对因曲线超挖导致的曲线盾构隧道地层沉降的沉降位移的准确预测，能够为预测曲线隧道地层变形提供较符合实际的解答。
本发明实施例的曲线盾构隧道地层沉降的预测方法可以应用于终端中，如图1所示，所述曲线盾构隧道地层沉降的预测方法可以包括以下步骤：
在步骤S11中，根据待预测的曲线盾构隧道确定由盾构机在实际掘进时产生的曲线超挖间隙的超挖间隙参数；
在步骤S12中，基于所述超挖间隙参数和弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式，对单位体积空隙在所述曲线超挖间隙的体积域内进行积分运算，得到所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移；
其中，所述计算公式基于三维镜像理论对弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移确定所得。
首先，说明一下所述计算公式的确定过程，其可以包括以下步骤：
在步骤S01中，确定在所述弹性半无限体中的一个设定点处半径为1的空隙在任意点处产生的竖向位移分量的第一计算公式；
在步骤S02中，基于所述弹性半无限体所在的三维直角坐标系，确定所述空隙的镜像位置处的镜像间隙在任意点处产生的竖向位移分量的第二计算公式；
在步骤S03中，将所述空隙和所述镜像间隙在地表产生的剪应力反方向作用于地表，确定地表产生的竖向位移分量的第三计算公式；
在步骤S04中，基于所述第一计算公式、第二计算公式和第三计算公式，确定得到弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式。
以下，举个例子说明一下通过所述步骤S01至所述步骤S04确定得到所述计算公式的过程：
如图2所示，可以先建立一个三维直角坐标系，所述坐标系中的坐标原点、x轴和y轴均位于地表，而z轴竖直向下。
假设所述三维直角坐标系中存在弹性半无限体，所述弹性半无限体中的一个设定点F(x0,y0,z0)处有一半径为1的空隙，则该空隙在任意点P(x,y,z)处所产生的竖向位移分量为：
公式(1)中：
R1＝[(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2]1/2。
由此，得到的公式(1)即为所述第一计算公式。
在所述三维直角坐标系中，所述设定点F(x0,y0,z0)的镜像位置上的镜像点F′(x0,y0,–z0)处与所述空隙大小相等的体积膨胀(即所述空隙的镜像位置处的镜像间隙)在任意点P(x,y,z)处产生的竖向位移分量为：
公式(2)中：
R2＝[(x-x0)2+(y-y0)2+(z+z0)2]1/2。
由此，得到的公式(2)即为所述第二计算公式。
以上得到的第一计算公式和第二计算公式是所述弹性半无限体内的空隙及其镜像间隙引起的任意点处的竖向位移的解答，而为符合实际边界(即半无限体)条件，在本发明实施例中，将所述空隙和所述镜像间隙在地表产生的剪应力反向作用于地表，以求得使地表产生的竖向位移分量：
公式(3)中：
μ为泊松比；
R3＝[(x-u)2+(y-t)2+z2]1/2；
u、t均为函数自变量；
c、b分别为积分上、下限变量。
由此，得到的公式(3)即为所述第三计算公式。
得到第一计算公式、第二计算公式和第三计算公式之后，即计算得到弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移，如下：
由此，得到的公式(4)即为弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式。
得到弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式之后，即可以应用于由曲线超挖间隙引起的地层沉降位移的预测。在实现对所述地层沉降位移的预测之前，要获知待预测的曲线盾构隧道中由盾构机在实际掘进时产生的曲线超挖间隙的超挖间隙参数。在本实施例中，所述超挖间隙参数的确定过程(相当于所述步骤S11)可以包括：
在步骤S111中，建立待预测的曲线盾构隧道的掘进三维空间模型；
在步骤S112中，基于所述三维空间模型确定盾构机的实际推进轨迹的空间方程；
在步骤S113中，基于所述空间方程确定所述待预测的曲线盾构隧道的平面模型；
在步骤S114中，基于所述平面模型确定所述超挖间隙参数。
以下，举个例子说明一下通过所述步骤S111至所述步骤S114确定得到所述超挖间隙参数的过程：
如图3所示，假设待预测的曲线盾构隧道的轴线是一段圆心在z轴上、曲率半径为Q的圆弧，由此可以得到如图3所示的待预测的曲线盾构隧道的掘进三维空间模型。基于此，盾构机的实际推进轨迹是一标准空间环面，其空间方程为：
公式(5)中：
h为隧道中心点的埋深；R为盾构机的外径。
在实际工程中，为了实现曲线隧道的掘进轨迹，一般都需对刀盘处的曲线隧道内侧土体进行开挖，这样容易造成关于隧道轴线非对称的地层损失，进而对周围地层变形产生影响。因此，需要将复杂的三维曲线超挖间隙概化为既符合实际工程、又便于解析计算的平面模型。本实施例为实现这一目的，基于所述控件方程确定了所述待预测的曲线盾构隧道的平面模型，如图4所示。由此可以得到所述待预测的曲线盾构隧道的平面模型中的理论超挖间隙参数Ga：
公式(6)中：
LM2为盾构机后盾的长度。在本实施例中，考虑到盾构机铰接装置的影响，假设盾构机的盾构曲线段的理论超挖量(可以理解是超挖间隙参数Ga)满足盾构机盾尾覆盖2环管片即可，基于此，LM2＝2w，w为一环管片宽度。
得到所述超挖间隙参数之后，即可基于所述超挖间隙参数和弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式，对单位体积空隙在所述曲线超挖间隙的体积域内进行积分运算，得到所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移。其中，所述曲线超挖间隙的体积域为：由两个同心角相同的半圆环围成的空间的体积范围，所述同心角的值等于盾构机在实际掘进时沿隧道轴线掘进的长度与待预测的曲线盾构隧道的曲率半径的比值。以下，举个例子说明一下所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移的获得过程：
假设盾构机沿隧道轴线掘进了长度(弧长)为l的距离，则此时的体积域即为厚度为Ga的半圆环沿隧道轴线行进l距离所形成的空间体积，可以理解为：所述空间体积对应的空间由两个同心角均为θ＝l/Q的半圆环围成，具体地，θ表示曲线盾构隧道的断面圆心与其在z轴上的投影点的连线和三维直角坐标系中oxz平面之间的夹角，如图3所示。此时，对单位体积空隙在所述曲线超挖间隙的体积域内进行积分运算，可以得到所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移的计算公式，如下：
由此，通过公式(7)即可计算得到所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移，从而实现对曲线盾构隧道的地层沉降位移的预测。
与前述曲线盾构隧道地层沉降的预测方法的实施例对应，本发明还提供了一种曲线盾构隧道地层沉降的预测装置，所述装置可以应用于终端。如图5所示，所述装置包括：
超挖间隙确定模块51，用于根据待预测的曲线盾构隧道确定由盾构机在实际掘进时产生的曲线超挖间隙的超挖间隙参数；
沉降位移计算模块52，用于基于所述超挖间隙参数和弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式，对单位体积空隙在所述曲线超挖间隙的体积域内进行积分运算，得到所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移；
其中，所述计算公式基于三维镜像理论对弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移确定所得。
在一实施例中，所述超挖间隙确定模块51包括：
建立单元，用于建立待预测的曲线盾构隧道的掘进三维空间模型；
第一确定单元，用于基于所述三维空间模型确定盾构机的实际推进轨迹的空间方程；
第二确定单元，用于基于所述空间方程确定所述待预测的曲线盾构隧道的平面模型；
第三确定单元，基于所述平面模型确定所述超挖间隙参数。
在一实施例中，所述曲线超挖间隙的体积域为：由两个同心角相同的半圆环围成的空间的体积范围，所述同心角的值等于盾构机在实际掘进时沿隧道轴线掘进的长度与待预测的曲线盾构隧道的曲率半径的比值。
在一实施例中，所述装置还包括公式确定模块；所述公式确定模块包括：
第一公式确定单元，用于确定在所述弹性半无限体中的一个设定点处半径为1的空隙在任意点处产生的竖向位移分量的第一计算公式；
第二公式确定单元，用于基于所述弹性半无限体所在的三维直角坐标系，确定所述空隙的镜像位置处的镜像间隙在任意点处产生的竖向位移分量的第二计算公式；
第三公式确定单元，用于将所述空隙和所述镜像间隙在地表产生的剪应力反方向作用于地表，确定地表产生的竖向位移分量的第三计算公式；
第四公式确定单元，用于基于所述第一计算公式、第二计算公式和第三计算公式，确定得到弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式。
上述装置中各个模块和单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元。
与前述曲线盾构隧道地层沉降的预测方法的实施例对应，本发明还提供了一种电子设备，所述电子设备可以包括：
处理器；
存储器，用于存储可执行的计算机程序；
其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现前述曲线盾构隧道地层沉降的预测方法的步骤。
本发明实施例所提供的情绪识别能力测评方法和装置的实施例都可以应用在所述电子设备上。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在电子设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图6所示，除了图6所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，所述电子设备还可以包括其他硬件，如摄像模块；或通常根据该电子设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
与前述方法实施例对应，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述曲线盾构隧道地层沉降的预测方法的步骤。
本发明实施例可采用在一个或多个包含有程序代码的存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。所述计算机可读存储介质可以包括：永久性或非永久性的可移动或非可移动媒体。所述计算机可读存储介质的信息存储功能可以由任何可以实现的方法或技术实现。所述信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模型或其它数据。
另外，所述计算机可读存储介质包括但不限于：相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其它类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其它内存技术的记忆体、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其它光学存储器、磁盒式磁带、磁带磁盘存储或其它磁性存储设备或可用于存储可被计算设备访问的信息的其它非传输介质。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (6)

1.一种曲线盾构隧道地层沉降的预测方法，其特征在于，包括：
根据待预测的曲线盾构隧道确定由盾构机在实际掘进时产生的曲线超挖间隙的超挖间隙参数；
基于所述超挖间隙参数和弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式，对单位体积空隙在所述曲线超挖间隙的体积域内进行积分运算，得到所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移；所述曲线超挖间隙的体积域为：由两个同心角相同的半圆环围成的空间的体积范围，所述同心角的值等于盾构机在实际掘进时沿隧道轴线掘进的长度与待预测的曲线盾构隧道的曲率半径的比值；所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移的计算公式如下：
式中，Ga为所述超挖间隙参数，Q为曲率半径，R为盾构机的外径，l为盾构机沿隧道轴线掘进的距离，sz为弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移，h为隧道中心点的埋深，θ表示曲线盾构隧道的断面圆心与其在z轴上的投影点的连线和三维直角坐标系中oxz平面之间的夹角；
其中，所述计算公式基于三维镜像理论对弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移确定所得；
所述超挖间隙参数的确定过程包括：
建立待预测的曲线盾构隧道的掘进三维空间模型；
基于所述三维空间模型确定盾构机的实际推进轨迹的空间方程；
基于所述空间方程确定所述待预测的曲线盾构隧道的平面模型；
基于所述平面模型确定所述超挖间隙参数，所述超挖间隙参数的计算公式如下：
式中，LM2为盾构机后盾的长度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算公式的确定过程包括：
确定在所述弹性半无限体中的一个设定点处半径为1的空隙在任意点处产生的竖向位移分量的第一计算公式；
基于所述弹性半无限体所在的三维直角坐标系，确定所述空隙的镜像位置处的镜像间隙在任意点处产生的竖向位移分量的第二计算公式；
将所述空隙和所述镜像间隙在地表产生的剪应力反方向作用于地表，确定地表产生的竖向位移分量的第三计算公式；
基于所述第一计算公式、第二计算公式和第三计算公式，确定得到弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式。
3.一种曲线盾构隧道地层沉降的预测装置，其特征在于，包括：
超挖间隙确定模块，用于根据待预测的曲线盾构隧道确定由盾构机在实际掘进时产生的曲线超挖间隙的超挖间隙参数；
沉降位移计算模块，用于基于所述超挖间隙参数和弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式，对单位体积空隙在所述曲线超挖间隙的体积域内进行积分运算，得到所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移；所述曲线超挖间隙的体积域为：由两个同心角相同的半圆环围成的空间的体积范围，所述同心角的值等于盾构机在实际掘进时沿隧道轴线掘进的长度与待预测的曲线盾构隧道的曲率半径的比值；所述曲线超挖间隙引起的地层沉降位移的计算公式如下：
式中，Ga为所述超挖间隙参数，Q为曲率半径，R为盾构机的外径，l为盾构机沿隧道轴线掘进的距离，sz为弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移，h为隧道中心点的埋深，θ表示曲线盾构隧道的断面圆心与其在z轴上的投影点的连线和三维直角坐标系中oxz平面之间的夹角；
其中，所述计算公式基于三维镜像理论对弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移确定所得；
所述超挖间隙确定模块包括：
建立单元，用于建立待预测的曲线盾构隧道的掘进三维空间模型；
第一确定单元，用于基于所述三维空间模型确定盾构机的实际推进轨迹的空间方程；
第二确定单元，用于基于所述空间方程确定所述待预测的曲线盾构隧道的平面模型；
第三确定单元，基于所述平面模型确定所述超挖间隙参数，所述超挖间隙参数的计算公式如下：
式中，LM2为盾构机后盾的长度。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括公式确定模块；所述公式确定模块包括：
第一公式确定单元，用于确定在所述弹性半无限体中的一个设定点处半径为1的空隙在任意点处产生的竖向位移分量的第一计算公式；
第二公式确定单元，用于基于所述弹性半无限体所在的三维直角坐标系，确定所述空隙的镜像位置处的镜像间隙在任意点处产生的竖向位移分量的第二计算公式；
第三公式确定单元，用于将所述空隙和所述镜像间隙在地表产生的剪应力反方向作用于地表，确定地表产生的竖向位移分量的第三计算公式；
第四公式确定单元，用于基于所述第一计算公式、第二计算公式和第三计算公式，确定得到弹性半无限体内由于单位体积空隙产生的竖向位移的计算公式。
5.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器；
存储器，用于存储可执行的计算机程序；
其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至2中任一项所述方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至2中任一项所述方法的步骤。
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