CN111305847B - 一种城市地下工程超浅埋暗挖施工动态极限强度控制方法 - Google Patents

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CN111305847B CN201911241387.9A CN201911241387A CN111305847B CN 111305847 B CN111305847 B CN 111305847B CN 201911241387 A CN201911241387 A CN 201911241387A CN 111305847 B CN111305847 B CN 111305847B
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Abstract

本发明涉及城市地下工程超浅埋暗挖施工动态极限强度控制技术领域，公开了一种城市地下工程超浅埋暗挖施工动态极限强度控制方法，步骤一、城市地下工程的初步设计或概念设计；步骤二、地层信息的动态掌握；步骤三、施工环境动态监测；步骤四、开挖及支护方案动态调控；步骤五、城市地下工程上部覆土层极限强度的控制；步骤六、施工中矢跨比与开挖形式的选择。这种城市地下工程超浅埋暗挖施工的动态极限强度控制方法，大大减少开挖引起的应力集中和能量聚集，减少开挖扰动引起的围岩土变形，提高了城市地下工程围岩的稳定性。

Description

一种城市地下工程超浅埋暗挖施工动态极限强度控制方法
技术领域
本发明涉及城市地下工程超浅埋暗挖施工的动态极限强度控制技术领域，尤其涉及一种城市地下工程超浅埋暗挖施工动态极限强度控制方法。
背景技术
城市地下工程如地铁联通道、地下过街道甚至地下商业街等采用矿山法或浅埋暗挖法施工具有对地面交通、地下管线影响小的明显优势，该施工方法受地质条件、周边环境、覆跨比、矢跨比以及地面行驶车辆震动等影响较大。一般依据覆土厚度（H）与结构跨度（D）之比来判断地下工程埋深情况，即当1.5＜H/D时，称为深埋，当0.6＜H/D≤1.5时，称为浅埋，当H/D≤0.6时称为超浅埋。单建式城市地下工程，特别是城市地下商业街顶板覆土层厚度一般在2～4m，而其单跨跨度一般6m以上，通常为3～4跨，因此，H/D=0.33～0.5＜0.6，在这种情况下，该类型工程属于超浅埋工程。地下工程由于受不可知的因素影响较多，即使从已知的条件设计出安全、可靠的洞室支护方案，但在施工中也要采用信息法施工，即进行施工动态控制。浅埋暗挖法是在隧道新奥法施工的基础上发展而来的，其关键要素有二：一是加固围岩，使洞室围岩转变为支护结构，其二是在施工过程中应根据监测信息反馈不断调整设计和施工方案，这实际上是一个动态设计、动态调控过程。通过信息反馈实现动态设计和调控、合理确定开挖顺序及优化和精细分部开挖方案等，以减少开挖引起的应力集中和能量聚集，减少开挖扰动引起的围岩土变形，确保围岩的稳定。
现有技术中，城市地下工程采用浅埋暗挖法施工中主要存在的问题是：1、地下工程施工与地面施工最大的不同就是地下工程施工是在一个周围岩土信息掌握不全面、不详细的环境中进行的，在施工过程中忽视了地质因素变化；例如土层中土质变化、土层含水量变化、地下水等都将影响浅埋暗挖施工的安全性。2、在城市中还存在地下管网线及建（构）筑物基础等环境因素影响，目前在施工过程中对这些因素变化重视程度不够，导致了支护设计变更和施工方案的调控实施不够灵活。例如，地质条件变差则要求支护参数加强，地质变条件变好则要求支护参数适当减弱；遇到未查明的地下建（构）筑物或地下管线，则应进行迁移或原址保护，施工过程中需要尽量控制地层位移而要求增加技术措施如减小开挖面范围、增加注浆量，加强临时支撑等。3、施工单位技术人员、管理人员及施工班组对浅埋暗挖技术的掌握程度不够、现场管理水平以及作业人员业务能力低、应变能力差；这些人为因素对地下工程安全顺利施工起到关键性的作用，甚至直接关系到工程的成败。发明人基于现有技术中的缺陷研发了一种城市地下工程超浅埋暗挖施工的动态极限强度控制方法，能够很好地解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种城市地下工程超浅埋暗挖施工动态极限强度控制方法，该发明科学合理，步骤简单；本发明通过科学的城市地下工程初步设计、地层信息的动态掌握、施工环境的动态监测、开挖支护方案的动态控制、土层变化、地下水变化、地面附加载荷变化、地下障碍的掌握和监测信息的控制，结合信息反馈实现动态设计和调控、合理确定开挖顺序及优化和精细分部开挖方案等，以减少开挖引起的应力集中和能量聚集，减少开挖扰动引起的围岩土变形，确保围岩的稳定。
本发明提供一种城市地下工程超浅埋暗挖施工动态极限强度控制方法：
步骤一、城市地下工程的初步设计或概念设计；根据工程经验，采取工程类比法对地下工程进行初步设计或概念设计，在初步设计中引用各种量测数据，以及采用统计数学，模糊数学及极限平衡理论、有限元计算现代手段，使工程实践经验符合理论观点和不断地使经验的处理科学化，借助已有的理论，把复杂的工程问题简单化，建立尽可能与工程实际相符合的力学模型，从而达到采用数学力学手段定量地解释说明支护结构及地层加固机理，实现工程经验动态化提升；
步骤二、地层信息的动态掌握：根据步骤一中城市地下工程的初步设计或概念设计完成后，在施工过程中通过工作面地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔对地质超前预测掌握的信息对比设计条件，如果与设计条件出入较大，则应及时通知设计人员进行反馈设计验算，校核有关设计参数；
步骤三、施工环境动态监测：根据步骤二中的工作完成后，施工过程中加强洞室变形、地面及环境沉降、结构受力及地下水监测，仪器监测和人员目测巡查“勤量测”；通过监测随时掌握周围土体的变形情况、结构支护效果、安全程度，为设计和施工提供信息；通过监测信息反馈，及时修改、优化土方开挖及支护方案，改善施工工艺，同时，监测资料还可作为检验和评价支护结构稳定性的依据；
步骤四、开挖及支护方案动态调控：施工前应根据地下工程建筑结构设计和浅埋暗挖支护设计制定科学、合理、安全、可行的专项施工方案，并经过专家组评审。施工过程中应按照施工方案严密组织，精心施工，并在施工过程中及时掌握地质与周边环境的变化，及时处理方能确保地下洞室顶部及边坡土体的稳定和整个工程的安全；
步骤五、城市地下工程上部覆土层极限强度的控制：对于城市地下工程，上部覆土层厚度一般在4m左右，采用超浅埋暗挖法施工时，上部覆土不可能形成压力拱，在没有支护的情况下，可以将上部覆土近视看成是一个滑动体，在下部开挖后，将沿着两侧的滑移面向下滑动，当滑动体滑动时，外力包括自重、地面附加荷载所做的功率等于内力包括滑面上和侧向结构面上的阻力所消耗的功率，由此可以确定无支护条件下，拱部不冒顶塌陷开挖洞室的最大宽度及进尺；
（1）覆土层上部荷载的计算由于地下商业工程上部覆土层厚度较小，因此上部土压力荷载不需考虑拱效应，应取覆土重量和地面附加荷载之和，即竖向压力p为:
Figure 545713DEST_PATH_IMAGE001
式中r为土层容重，T为滑移面土体剪切力，由于覆土层很薄，因此一般可以省略滑移面土体剪切力，侧向土压力按朗肯土压力理论计算为：
Figure 975558DEST_PATH_IMAGE002
Figure 561391DEST_PATH_IMAGE003
式中
Figure 102094DEST_PATH_IMAGE004
为垂直向应力，包含土体自重和地面附加荷载：
Figure 558614DEST_PATH_IMAGE005
；
为主动土压系数；c为土体的粘聚力，单位为KPa；
Figure 893780DEST_PATH_IMAGE006
为内摩擦角，单位为度；n为覆 土层的层数；
Figure 888281DEST_PATH_IMAGE007
为n层土的容重，单位为KN/m3；h为土层厚度，单位为m；
Figure 967096DEST_PATH_IMAGE008
为n层土的厚度，单 位为m；
Figure 465073DEST_PATH_IMAGE009
为地面附加载荷，单位为KPa；
（2）管棚承载力计算
根据长管棚设置方法和工程经验可知，长管棚是在洞室土方开挖前设置的，长管棚设置后应在管棚端部施工钢筋混凝土或型钢支撑拱架，该支撑拱架与开挖面前的土层形成管棚的两支点，这样管棚可以按梁式结构受力考虑，拱架一端可简化为简支，土体端为固定支承按弹性地基梁来考虑；
基于虚工理论和Winkler地基计算模型，地基反力P（x）=Ky，对于宽度为b的等截面基础梁，在均布载荷q(x)的作用下，按照Winkler地基上梁挠度形状，本微积分公式为：EI+Kby=bq(x)，其中式中E为梁材料的弹性模量KN/m2；I为梁的截面惯性矩m4；b为梁的宽度m；K为地基的基床系数KN/m2； y为位移距离m；
根据上述覆土层上部荷载和管棚承载力的计算公式，可以求出覆土层上部荷载和管棚承载力，从而最终控制城市地下工程上部覆土层极限强度；
步骤六、施工中矢跨比与开挖形式的选择：矢跨比变化对隧道洞室的拱顶到拱底各处应力集中系数的影响，拱脚处最敏感，而拱顶和仰拱底点基本不随矢跨比的改变而变化，同时矢跨比越大，相同跨度的洞室拱顶和仰拱底点最大应力越小；浅埋暗挖施工时矢跨比确定在0.1～0.2范围，对于跨度比较大、结构形式复杂的城市地下工程，采用台阶法、短进尺开挖外或将大断面改成小断面，尽量使大跨度洞室施工变为多个小跨度洞室施工，即分部开挖或小断面开挖，从而提高施工工程中的覆跨比。
其中步骤二中，地层信息的动态掌握：根据步骤一中城市地下工程的初步设计或概念设计完成后，在施工过程中通过工作面地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔对地质超前预测掌握的信息对比设计条件，如果与设计条件出入较大，则应及时通知设计人员进行反馈设计验算，校核有关设计参数；这样做的主要目的是因为地下土层复杂、不可见性，虽然在施工前作了地质勘察，而工程地质详细勘察时，勘探点间距一般为15m～25m，通过地下工程施工过程中的地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔等手段，在开挖过程中掌握地层信息的动态。
其中步骤三中，开挖及支护方案动态调控，通过以下施工条件的变化对施工方案进行动态调控；（1）施工过程中土层的变化调整土方开挖及支护，当土质变好时，可以适当增加挖土进尺，但不得随意减弱支护强度；当土质变差时，例如地质报告给的土层为硬塑状的粉质黏土，但土方开挖发现局部土体含水量较大、含粉土较大，则应根据土层变化及时调整挖土范围和进尺，并局部增强支护结构强度和刚度；（2）施工过程中对地表水下渗、管道漏水下渗形成的上层滞水变化，通过查明地下水变化原因、堵截水源、增加防水措施、增加降排水措施以及调整土方开挖范围和进尺，对施工方案进行动态调整。
其中步骤三中，根据步骤二中的工作完成后，施工过程中加强洞室变形、地面及环境沉降、结构受力及地下水监测，仪器监测和人员目测巡查“勤量测”；通过监测随时掌握周围土体的变形情况、结构支护效果、安全程度，为设计和施工提供信息；通过监测信息反馈，及时修改、优化土方开挖及支护方案，改善施工工艺，同时，监测资料还可作为检验和评价支护结构稳定性的依据；这样做是由于地下工程设计及施工受地质、水文环境、天气、附加荷载及施工过程等诸多不确定因素的影响，支护设计方案难以完全符合工程实际情况，施工过程中加强洞室变形、地面及环境沉降、结构受力及地下水监测，做到“勤量测”就显得更为重要，仪器监测和人员目测巡查“勤量测”的主要手段。通过监测随时掌握周围土体的变形情况、结构支护效果、安全程度，为设计和施工提供信息。
其中步骤五中，这样做的主要目的是为利用滑体处于极限状态时两功率相等的条件(虚功率方程)求出极限荷载、支护结构强度及拱部安全稳定系数，并给出支护与开挖洞室宽度和进尺关系，从而最终控制城市地下工程上部覆土层极限强度。
其中步骤六中，矢跨比变化对隧道洞室的拱顶到拱底各处应力集中系数的影响，拱脚处最敏感，而拱顶和仰拱底点基本不随矢跨比的改变而变化，同时矢跨比越大，相同跨度的洞室拱顶和仰拱底点最大应力越小；浅埋暗挖施工时矢跨比确定在0.1～0.2范围，对于跨度比较大、结构形式复杂的城市地下工程，采用台阶法、短进尺开挖外或将大断面改成小断面，尽量使大跨度洞室施工变为多个小跨度洞室施工，即分部开挖或小断面开挖，从而提高施工工程中的覆跨比；矢跨比越大，相同跨度的洞室拱顶和仰拱底点最大应力越小。不过，当隧道洞室断面矢跨比过小时，例如接近平板，则在初支结构拱顶和仰拱处将会出现完全拉应力，这对洞室围岩的稳定性是相当不利的，故一般软土中的洞室顶部和底部应尽量起拱，简称为“宜起拱”。虽然圆形洞室在等围压作用下具有最佳的受力性能，但是对于超浅埋地地下工程，选择圆形结构并不是最有利的，这样矢跨比太大和太小对洞室受力性能和经济性影响都比较大；因此将浅埋暗挖施工时矢跨比确定在0.1～0.2范围使最为合理的矢跨比控制范围。
本发明的有益效果：本发明提供了一种城市地下工程超浅埋暗挖施工的动态极限强度控制方法，该发明科学合理，步骤简单；大大减少开挖引起的应力集中和能量聚集，减少开挖扰动引起的围岩土变形，提高了城市地下工程围岩的稳定性。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步描述，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例一、
一种城市地下工程超浅埋暗挖施工动态极限强度控制方法：步骤一、城市地下工程的初步设计或概念设计；根据工程经验，采取工程类比法对地下工程进行初步设计或概念设计，在初步设计中引用各种量测数据，以及采用统计数学，模糊数学及极限平衡理论、有限元计算等现代手段，使工程实践经验符合理论观点和不断地使经验的处理科学化，借助已有的理论，把复杂的工程问题简单化，建立尽可能与工程实际相符合的力学模型，从而达到采用数学力学手段定量地解释说明支护结构及地层加固机理，实现工程经验动态化提升；
步骤二、地层信息的动态掌握：根据步骤一中城市地下工程的初步设计或概念设计完成后，在施工过程中通过工作面地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔对地质超前预测掌握的信息对比设计条件，如果与设计条件出入较大，则应及时通知设计人员进行反馈设计验算，校核有关设计参数；根据步骤一中城市地下工程的初步设计或概念设计完成后，在施工过程中通过工作面地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔对地质超前预测掌握的信息对比设计条件，如果与设计条件出入较大，则应及时通知设计人员进行反馈设计验算，校核有关设计参数；这样做的主要目的是因为地下土层复杂、不可见性，虽然在施工前作了地质勘察，而工程地质详细勘察时，勘探点间距一般为15m，通过地下工程施工过程中的地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔等手段，在开挖过程中掌握地层信息的动态；
步骤三、施工环境动态监测：根据步骤二中的工作完成后，施工过程中加强洞室变形、地面及环境沉降、结构受力及地下水监测，仪器监测和人员目测巡查“勤量测”；通过监测随时掌握周围土体的变形情况、结构支护效果、安全程度，为设计和施工提供信息；通过监测信息反馈，及时修改、优化土方开挖及支护方案，改善施工工艺，同时，监测资料还可作为检验和评价支护结构稳定性的依据；开挖及支护方案动态调控，主要通过以下施工条件的变化对施工方案进行动态调控；（1）施工过程中土层的变化调整土方开挖及支护，当土质变好时，可以适当增加挖土进尺，但不得随意减弱支护强度；当土质变差时，例如地质报告给的土层为硬塑状的粉质黏土，但土方开挖发现局部土体含水量较大、含粉土较大，则应根据土层变化及时调整挖土范围和进尺，并局部增强支护结构强度和刚度；（2）施工过程中对地表水下渗、管道漏水下渗形成的上层滞水变化，通过查明地下水变化原因、堵截水源、增加防水措施、增加降排水措施以及调整土方开挖范围和进尺，对施工方案进行动态调整；
步骤四、开挖及支护方案动态调控：施工前应根据地下工程建筑结构设计和浅埋暗挖支护设计制定科学、合理、安全、可行的专项施工方案，并经过专家组评审。施工过程中应按照施工方案严密组织，精心施工，并在施工过程中及时掌握地质与周边环境的变化，及时处理方能确保地下洞室顶部及边坡土体的稳定和整个工程的安全；
步骤五、城市地下工程上部覆土层极限强度的控制：对于城市地下工程，上部覆土层厚度一般在4m左右，采用超浅埋暗挖法施工时，上部覆土不可能形成压力拱，在没有支护的情况下，可以将上部覆土近视看成是一个滑动体，在下部开挖后，将沿着两侧的滑移面向下滑动，当滑动体滑动时，外力(包括自重、地面附加荷载)所做的功率等于内力(包括滑面上和侧向结构面上的阻力)所消耗的功率，由此可以确定无支护条件下，拱部不冒顶塌陷开挖洞室的最大宽度及进尺；
（1）覆土层上部荷载的计算由于地下商业工程上部覆土层厚度较小，因此上部土压力荷载不需考虑拱效应，应取覆土重量和地面附加荷载之和，即竖向压力p为:
Figure 580928DEST_PATH_IMAGE010
式中r为土层容重，T为滑移面土体剪切力，由于覆土层很薄，因此一般可以省略滑移面土体剪切力，侧向土压力按朗肯土压力理论计算为：
Figure 797145DEST_PATH_IMAGE011
Figure 945230DEST_PATH_IMAGE012
式中
Figure 297714DEST_PATH_IMAGE004
为垂直向应力，包含土体自重和地面附加荷载：
Figure 302579DEST_PATH_IMAGE005
；
为主动土压系数；c为土体的粘聚力，单位为KPa；
Figure 740514DEST_PATH_IMAGE006
为内摩擦角，单位为度；n为覆 土层的层数；
Figure 767988DEST_PATH_IMAGE007
为n层土的容重，单位为KN/m3；h为土层厚度，单位为m；
Figure 240558DEST_PATH_IMAGE008
为n层土的厚度，单 位为m；
Figure 88428DEST_PATH_IMAGE013
为地面附加载荷，单位为KPa；
（2）管棚承载力计算
根据长管棚设置方法和工程经验可知，长管棚是在洞室土方开挖前设置的，长管棚设置后应在管棚端部施工钢筋混凝土（或型钢）支撑拱架，该支撑拱架与开挖面前的土层形成管棚的两支点，这样管棚可以按梁式结构受力考虑，拱架一端可简化为简支，土体端为固定支承按弹性地基梁来考虑；
基于虚工理论和Winkler地基计算模型，地基反力P（x）=Ky，对于宽度为b的等截面基础梁，在均布载荷q(x)的作用下，按照Winkler地基上梁挠度形状，本微积分公式为：EI+Kby=bq(x)，其中式中E为梁材料的弹性模量KN/m2；I为梁的截面惯性矩m4；b为梁的宽度m；K为地基的基床系数KN/m2； y为位移距离m；
根据上述覆土层上部荷载和管棚承载力的计算公式，可以求出覆土层上部荷载和管棚承载力，从而最终控制城市地下工程上部覆土层极限强度。
步骤六、施工中矢跨比与开挖形式的选择：矢跨比变化对隧道洞室的拱顶到拱底各处应力集中系数的影响，拱脚处最敏感，而拱顶和仰拱底点基本不随矢跨比的改变而变化，同时矢跨比越大，相同跨度的洞室拱顶和仰拱底点最大应力越小；浅埋暗挖施工时矢跨比确定在0.1范围，对于跨度比较大、结构形式复杂的城市地下工程，采用台阶法、短进尺开挖外或将大断面改成小断面，尽量使大跨度洞室施工变为多个小跨度洞室施工，即分部开挖或小断面开挖，从而提高施工工程中的覆跨比。
实施例二、
一种城市地下工程超浅埋暗挖施工动态极限强度控制方法：步骤一、城市地下工程的初步设计或概念设计；根据工程经验，采取工程类比法对地下工程进行初步设计或概念设计，在初步设计中引用各种量测数据，以及采用统计数学，模糊数学及极限平衡理论、有限元计算等现代手段，使工程实践经验符合理论观点和不断地使经验的处理科学化，借助已有的理论，把复杂的工程问题简单化，建立尽可能与工程实际相符合的力学模型，从而达到采用数学力学手段定量地解释说明支护结构及地层加固机理，实现工程经验动态化提升；
步骤二、地层信息的动态掌握：根据步骤一中城市地下工程的初步设计或概念设计完成后，在施工过程中通过工作面地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔对地质超前预测掌握的信息对比设计条件，如果与设计条件出入较大，则应及时通知设计人员进行反馈设计验算，校核有关设计参数；根据步骤一中城市地下工程的初步设计或概念设计完成后，在施工过程中通过工作面地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔对地质超前预测掌握的信息对比设计条件，如果与设计条件出入较大，则应及时通知设计人员进行反馈设计验算，校核有关设计参数；这样做的主要目的是因为地下土层复杂、不可见性，虽然在施工前作了地质勘察，而工程地质详细勘察时，勘探点间距一般为20m，通过地下工程施工过程中的地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔等手段，在开挖过程中掌握地层信息的动态；
步骤三、施工环境动态监测：根据步骤二中的工作完成后，施工过程中加强洞室变形、地面及环境沉降、结构受力及地下水监测，仪器监测和人员目测巡查“勤量测”；通过监测随时掌握周围土体的变形情况、结构支护效果、安全程度，为设计和施工提供信息；通过监测信息反馈，及时修改、优化土方开挖及支护方案，改善施工工艺，同时，监测资料还可作为检验和评价支护结构稳定性的依据；开挖及支护方案动态调控，主要通过以下施工条件的变化对施工方案进行动态调控；（1）施工过程中土层的变化调整土方开挖及支护，当土质变好时，可以适当增加挖土进尺，但不得随意减弱支护强度；当土质变差时，例如地质报告给的土层为硬塑状的粉质黏土，但土方开挖发现局部土体含水量较大、含粉土较大，则应根据土层变化及时调整挖土范围和进尺，并局部增强支护结构强度和刚度；（2）施工过程中对地表水下渗、管道漏水下渗形成的上层滞水变化，通过查明地下水变化原因、堵截水源、增加防水措施、增加降排水措施以及调整土方开挖范围和进尺，对施工方案进行动态调整；
步骤四、开挖及支护方案动态调控：施工前应根据地下工程建筑结构设计和浅埋暗挖支护设计制定科学、合理、安全、可行的专项施工方案，并经过专家组评审。施工过程中应按照施工方案严密组织，精心施工，并在施工过程中及时掌握地质与周边环境的变化，及时处理方能确保地下洞室顶部及边坡土体的稳定和整个工程的安全；
步骤五、城市地下工程上部覆土层极限强度的控制：对于城市地下工程，上部覆土层厚度一般在4m左右，采用超浅埋暗挖法施工时，上部覆土不可能形成压力拱，在没有支护的情况下，可以将上部覆土近视看成是一个滑动体，在下部开挖后，将沿着两侧的滑移面向下滑动，当滑动体滑动时，外力(包括自重、地面附加荷载)所做的功率等于内力(包括滑面上和侧向结构面上的阻力)所消耗的功率，由此可以确定无支护条件下，拱部不冒顶塌陷开挖洞室的最大宽度及进尺；
（1）覆土层上部荷载的计算由于地下商业工程上部覆土层厚度较小，因此上部土压力荷载不需考虑拱效应，应取覆土重量和地面附加荷载之和，即竖向压力p为:
Figure 279238DEST_PATH_IMAGE001
式中r为土层容重，T为滑移面土体剪切力，由于覆土层很薄，因此一般可以省略滑移面土体剪切力，侧向土压力按朗肯土压力理论计算为：
Figure 503546DEST_PATH_IMAGE002
Figure 440409DEST_PATH_IMAGE003
式中
Figure 724760DEST_PATH_IMAGE004
为垂直向应力，包含土体自重和地面附加荷载：
Figure 402866DEST_PATH_IMAGE005
；
为主动土压系数；c为土体的粘聚力，单位为KPa；
Figure 165285DEST_PATH_IMAGE006
为内摩擦角，单位为度；n为覆 土层的层数；
Figure 346868DEST_PATH_IMAGE007
为n层土的容重，单位为KN/m3；h为土层厚度，单位为m；
Figure 615169DEST_PATH_IMAGE008
为n层土的厚度，单 位为m；
Figure 514992DEST_PATH_IMAGE009
为地面附加载荷，单位为KPa；
（2）管棚承载力计算
根据长管棚设置方法和工程经验可知，长管棚是在洞室土方开挖前设置的，长管棚设置后应在管棚端部施工钢筋混凝土（或型钢）支撑拱架，该支撑拱架与开挖面前的土层形成管棚的两支点，这样管棚可以按梁式结构受力考虑，拱架一端可简化为简支，土体端为固定支承按弹性地基梁来考虑；
基于虚工理论和Winkler地基计算模型，地基反力P（x）=Ky，对于宽度为b的等截面基础梁，在均布载荷q(x)的作用下，按照Winkler地基上梁挠度形状，本微积分公式为：EI+Kby=bq(x)，其中式中E为梁材料的弹性模量KN/m2；I为梁的截面惯性矩m4；b为梁的宽度m；K为地基的基床系数KN/m2； y为位移距离m；
根据上述覆土层上部荷载和管棚承载力的计算公式，可以求出覆土层上部荷载和管棚承载力，从而最终控制城市地下工程上部覆土层极限强度。
步骤六、施工中矢跨比与开挖形式的选择：矢跨比变化对隧道洞室的拱顶到拱底各处应力集中系数的影响，拱脚处最敏感，而拱顶和仰拱底点基本不随矢跨比的改变而变化，同时矢跨比越大，相同跨度的洞室拱顶和仰拱底点最大应力越小；浅埋暗挖施工时矢跨比确定在0.15范围，对于跨度比较大、结构形式复杂的城市地下工程，采用台阶法、短进尺开挖外或将大断面改成小断面，尽量使大跨度洞室施工变为多个小跨度洞室施工，即分部开挖或小断面开挖，从而提高施工工程中的覆跨比。
实施例三、一种城市地下工程超浅埋暗挖施工的动态极限强度控制方法：步骤一、城市地下工程的初步设计或概念设计；根据工程经验，采取工程类比法对地下工程进行初步设计或概念设计，在初步设计中引用各种量测数据，以及采用统计数学，模糊数学及极限平衡理论、有限元计算等现代手段，使工程实践经验符合理论观点和不断地使经验的处理科学化，借助已有的理论，把复杂的工程问题简单化，建立尽可能与工程实际相符合的力学模型，从而达到采用数学力学手段定量地解释说明支护结构及地层加固机理，实现工程经验动态化提升；步骤二、地层信息的动态掌握：根据步骤一中城市地下工程的初步设计或概念设计完成后，在施工过程中通过工作面地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔对地质超前预测掌握的信息对比设计条件，如果与设计条件出入较大，则应及时通知设计人员进行反馈设计验算，校核有关设计参数；根据步骤一中城市地下工程的初步设计或概念设计完成后，在施工过程中通过工作面地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔对地质超前预测掌握的信息对比设计条件，如果与设计条件出入较大，则应及时通知设计人员进行反馈设计验算，校核有关设计参数；这样做的主要目的是因为地下土层复杂、不可见性，虽然在施工前作了地质勘察，而工程地质详细勘察时，勘探点间距一般为25m，通过地下工程施工过程中的地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔等手段，在开挖过程中掌握地层信息的动态；步骤三、施工环境动态监测：根据步骤二中的工作完成后，施工过程中加强洞室变形、地面及环境沉降、结构受力及地下水监测，仪器监测和人员目测巡查“勤量测”；通过监测随时掌握周围土体的变形情况、结构支护效果、安全程度，为设计和施工提供信息；通过监测信息反馈，及时修改、优化土方开挖及支护方案，改善施工工艺，同时，监测资料还可作为检验和评价支护结构稳定性的依据；开挖及支护方案动态调控，主要通过以下施工条件的变化对施工方案进行动态调控；（1）施工过程中土层的变化调整土方开挖及支护，当土质变好时，可以适当增加挖土进尺，但不得随意减弱支护强度；当土质变差时，例如地质报告给的土层为硬塑状的粉质黏土，但土方开挖发现局部土体含水量较大、含粉土较大，则应根据土层变化及时调整挖土范围和进尺，并局部增强支护结构强度和刚度；（2）施工过程中对地表水下渗、管道漏水下渗形成的上层滞水变化，通过查明地下水变化原因、堵截水源、增加防水措施、增加降排水措施以及调整土方开挖范围和进尺，对施工方案进行动态调整；
步骤四、开挖及支护方案动态调控：施工前应根据地下工程建筑结构设计和浅埋暗挖支护设计制定科学、合理、安全、可行的专项施工方案，并经过专家组评审。施工过程中应按照施工方案严密组织，精心施工，并在施工过程中及时掌握地质与周边环境的变化，及时处理方能确保地下洞室顶部及边坡土体的稳定和整个工程的安全；步骤五、城市地下工程上部覆土层极限强度的控制：对于城市地下工程，上部覆土层厚度一般在4m左右，采用超浅埋暗挖法施工时，上部覆土不可能形成压力拱，在没有支护的情况下，可以将上部覆土近视看成是一个滑动体，在下部开挖后，将沿着两侧的滑移面向下滑动，当滑动体滑动时，外力(包括自重、地面附加荷载)所做的功率等于内力(包括滑面上和侧向结构面上的阻力)所消耗的功率，由此可以确定无支护条件下，拱部不冒顶塌陷开挖洞室的最大宽度及进尺；
（1）覆土层上部荷载的计算由于地下商业工程上部覆土层厚度较小，因此上部土压力荷载不需考虑拱效应，应取覆土重量和地面附加荷载之和，即竖向压力p为:
Figure 690890DEST_PATH_IMAGE014
式中r为土层容重，T为滑移面土体剪切力，由于覆土层很薄，因此一般可以省略滑移面土体剪切力，侧向土压力按朗肯土压力理论计算为：
Figure 726979DEST_PATH_IMAGE011
Figure 618712DEST_PATH_IMAGE003
式中
Figure 5831DEST_PATH_IMAGE004
为垂直向应力，包含土体自重和地面附加荷载：
Figure 110053DEST_PATH_IMAGE005
；
为主动土压系数；c为土体的粘聚力，单位为KPa；
Figure 328545DEST_PATH_IMAGE006
为内摩擦角，单位为度；n为覆 土层的层数；
Figure 125599DEST_PATH_IMAGE007
为n层土的容重，单位为KN/m3；h为土层厚度，单位为m；
Figure 544555DEST_PATH_IMAGE008
为n层土的厚度，单 位为m；
Figure 718047DEST_PATH_IMAGE009
为地面附加载荷，单位为KPa；
（2）管棚承载力计算
根据长管棚设置方法和工程经验可知，长管棚是在洞室土方开挖前设置的，长管棚设置后应在管棚端部施工钢筋混凝土（或型钢）支撑拱架，该支撑拱架与开挖面前的土层形成管棚的两支点，这样管棚可以按梁式结构受力考虑，拱架一端可简化为简支，土体端为固定支承按弹性地基梁来考虑；
基于虚工理论和Winkler地基计算模型，地基反力P（x）=Ky，对于宽度为b的等截面基础梁，在均布载荷q(x)的作用下，按照Winkler地基上梁挠度形状，本微积分公式为：EI+Kby=bq(x)，其中式中E为梁材料的弹性模量KN/m2；I为梁的截面惯性矩m4；b为梁的宽度m；K为地基的基床系数KN/m2；y为位移距离m；根据上述覆土层上部荷载和管棚承载力的计算公式，可以求出覆土层上部荷载和管棚承载力，从而最终控制城市地下工程上部覆土层极限强度。
步骤六、施工中矢跨比与开挖形式的选择：矢跨比变化对隧道洞室的拱顶到拱底各处应力集中系数的影响，拱脚处最敏感，而拱顶和仰拱底点基本不随矢跨比的改变而变化，同时矢跨比越大，相同跨度的洞室拱顶和仰拱底点最大应力越小；浅埋暗挖施工时矢跨比确定在0.2范围，对于跨度比较大、结构形式复杂的城市地下工程，采用台阶法、短进尺开挖外或将大断面改成小断面，尽量使大跨度洞室施工变为多个小跨度洞室施工，即分部开挖或小断面开挖，从而提高施工工程中的覆跨比。
对所公开的实施例的上述说明，是本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种城市地下工程超浅埋暗挖施工的动态极限强度控制方法，其特征在于：步骤一、城市地下工程的初步设计或概念设计；根据工程经验，采取工程类比法对地下工程进行初步设计或概念设计，在初步设计中引用各种量测数据，以及采用统计数学，模糊数学及极限平衡理论、有限元计算现代手段，使工程实践经验符合理论观点和不断地使经验的处理科学化，借助已有的理论，把复杂的工程问题简单化，建立尽可能与工程实际相符合的力学模型，从而达到采用数学力学手段定量地解释说明支护结构及地层加固机理，实现工程经验动态化提升；步骤二、地层信息的动态掌握：根据步骤一中城市地下工程的初步设计或概念设计完成后，在施工过程中通过工作面地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔对地质超前预测掌握的信息对比设计条件，如果与设计条件出入较大，则应及时通知设计人员进行反馈设计验算，校核有关设计参数；步骤三、施工环境动态监测：根据步骤二中的工作完成后，施工过程中加强洞室变形、地面及环境沉降、结构受力及地下水监测，仪器监测和人员目测巡查“勤量测”；通过监测随时掌握周围土体的变形情况、结构支护效果、安全程度，为设计和施工提供信息；通过监测信息反馈，及时修改、优化土方开挖及支护方案，改善施工工艺，同时，监测资料还可作为检验和评价支护结构稳定性的依据；开挖及支护方案动态调控，通过以下施工条件的变化对施工方案进行动态调控；（1）施工过程中土层的变化调整土方开挖及支护，当土质变好时，可以适当增加挖土进尺，但不得随意减弱支护强度；当土质变差时，地质报告给的土层为硬塑状的粉质黏土，但土方开挖发现局部土体含水量较大、含粉土较大，则应根据土层变化及时调整挖土范围和进尺，并局部增强支护结构强度和刚度；（2）施工过程中对地表水下渗、管道漏水下渗形成的上层滞水变化，通过查明地下水变化原因、堵截水源、增加防水措施、增加降排水措施以及调整土方开挖范围和进尺，对施工方案进行动态调整；步骤四、开挖及支护方案动态调控：施工前应根据地下工程建筑结构设计和浅埋暗挖支护设计制定科学、合理、安全、可行的专项施工方案，并经过专家组评审；施工过程中应按照施工方案严密组织，精心施工，并在施工过程中及时掌握地质与周边环境的变化，及时处理方能确保地下洞室顶部及边坡土体的稳定和整个工程的安全；步骤五、城市地下工程上部覆土层极限强度的控制：对于城市地下工程，上部覆土层厚度一般在4m左右，采用超浅埋暗挖法施工时，上部覆土不可能形成压力拱，在没有支护的情况下，可以将上部覆土近似看成是一个滑动体，在下部开挖后，将沿着两侧的滑移面向下滑动，当滑动体滑动时，外力包括自重、地面附加荷载所做的功率等于内力包括滑面上和侧向结构面上的阻力所消耗的功率，由此可以确定无支护条件下，拱部不冒顶塌陷开挖洞室的最大宽度及进尺；
（1）覆土层上部荷载的计算由于地下商业工程上部覆土层厚度较小，因此上部土压力荷载不需考虑拱效应，应取覆土重量和地面附加荷载之和，即竖向压力p为:
Figure 318291DEST_PATH_IMAGE001
式中r为土层容重，T为滑移面土体剪切力，由于覆土层很薄，因此可以省略滑移面土体剪切力，侧向土压力按朗肯土压力理论计算为：
Figure 479145DEST_PATH_IMAGE002
Figure 481736DEST_PATH_IMAGE003
式中
Figure 536280DEST_PATH_IMAGE004
为垂直向应力，包含土体自重和地面附加荷载：
Figure 372649DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 145433DEST_PATH_IMAGE006
为主动土压系数；c为土体的粘聚力，单位为KPa；
Figure 325616DEST_PATH_IMAGE007
为内摩擦角，单位为度；n为覆土层的层数；
Figure 500245DEST_PATH_IMAGE008
为n层土的容重，单位为KN/m3；h为土层厚度，单位为m；
Figure 976357DEST_PATH_IMAGE009
为n层土的厚度，单位为m；
Figure 236437DEST_PATH_IMAGE010
为地面附加载荷，单位为KPa；
（2）管棚承载力计算
根据长管棚设置方法和工程经验可知，长管棚是在洞室土方开挖前设置的，长管棚设置后应在管棚端部施工钢筋混凝土或型钢支撑拱架，该支撑拱架与开挖面前的土层形成管棚的两支点，这样管棚可以按梁式结构受力考虑，拱架一端可简化为简支，土体端为固定支承按弹性地基梁来考虑；基于虚工理论和Winkler地基计算模型，地基反力P（x）=Ky，对于宽度为b的等截面基础梁，在均布载荷q(x)的作用下，按照Winkler地基上梁挠度形状，本微积分公式为：EI+Kby=bq(x)，其中式中E为梁材料的弹性模量KN/m2；I为梁的截面惯性矩m4；b为梁的宽度m；K为地基的基床系数KN/m2；y为位移距离m；根据上述覆土层上部荷载和管棚承载力的计算公式，可以求出覆土层上部荷载和管棚承载力，从而最终控制城市地下工程上部覆土层极限强度；步骤六、施工中矢跨比与开挖形式的选择：矢跨比变化对隧道洞室的拱顶到拱底各处应力集中系数的影响，拱脚处最敏感，而拱顶和仰拱底点基本不随矢跨比的改变而变化，同时矢跨比越大，相同跨度的洞室拱顶和仰拱底点最大应力越小；浅埋暗挖施工时矢跨比确定在0.1～0.2范围，对于跨度比较大、结构形式复杂的城市地下工程，采用台阶法、短进尺开挖外或将大断面改成小断面，尽量使大跨度洞室施工变为多个小跨度洞室施工，即分部开挖或小断面开挖，从而提高施工工程中的覆跨比。
2.根据权利要求1所述的一种城市地下工程超浅埋暗挖施工的动态极限强度控制方法，其特征在于：地层信息的动态掌握：根据步骤一中城市地下工程的初步设计或概念设计完成后，在施工过程中通过工作面地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔对地质超前预测掌握的信息对比设计条件，如果与设计条件出入较大，则应及时通知设计人员进行反馈设计验算，校核有关设计参数；这样做的主要目的是因为地下土层复杂、不可见性，虽然在施工前作了地质勘察，而工程地质详细勘察时，勘探点间距一般为15m～25m，通过地下工程施工过程中的地质素描、地质雷达、红外线探测、超前水平钻孔等手段，在开挖过程中掌握地层信息的动态。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114112069B (zh) * 2022-01-27 2022-04-26 华中科技大学 地质约束的城市深埋条带通道红外成像探测方法及系统
CN115169752B (zh) * 2022-09-05 2022-12-23 山西焦煤集团有限责任公司 一种基于虚功理论的煤矿顶板初次来压步距预测方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6429597A (en) * 1987-11-07 1989-01-31 Okumura Corp Method of constructing subway
JP4073428B2 (ja) * 2004-10-04 2008-04-09 株式会社奥村組 地下構造物の埋設施工方法
CN101435333A (zh) * 2008-11-19 2009-05-20 兰州南特数码科技股份有限公司 隧道与地下拱室优化拱形快速确定方法
CN102900441B (zh) * 2012-09-18 2016-01-20 铁道部经济规划研究院 基于围岩完全变形控制的中国隧道修建方法
CN103410522A (zh) * 2013-08-27 2013-11-27 中铁十三局集团第四工程有限公司 浅埋暗挖法连续近距离下穿铁路桥的施工方法
CN107165640B (zh) * 2017-07-06 2019-11-12 王胜利 隧道及地下工程自稳修建法
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