CN112035917B - 盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法及装置，其中，方法包括步骤：获取盾构掘进施工区域的土体物理学参数及隧道埋深；以土压力为盾构掘进施工区域半无限体模型的围压计算所获得的一个地表测点的竖向位移为该地表测点的竖向极限位移；当土压力取主动土压力时，竖向位移为极限沉降，当土压力取被动土压力时，竖向位移为极限隆起。装置包括：读取模块，用于读取盾构掘进施工区域的土体物理学参数和隧道设计参数；输入模块，用于输入盾构掘进施工区域的各个地表测点的位置信息；处理模块，用于根据土体物理学参数和隧道设计参数计算各个地表测点的竖向极限位移；输出模块，用于输出各个地表测点的竖向极限位移。

Description

盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法及装置

技术领域

本发明属于盾构施工技术领域，尤其涉及一种盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法及装置。

背景技术

盾构法具有地质环境适应性强、安全性高、周边环境影响小、施工速度快等优点，是目前城市地铁隧道施工的主要方法，尤其在城市建筑密集区当中往往作为首选的施工方法。然而，盾构掘进施工过程中所引起的地表竖向位移不可避免，由于地表竖向位移过大引起的盾构隧道施工事故屡有发生,造成城市周边建筑塌陷和交通瘫痪，甚至更加严重的后果。因此，对于地下工程这种隐蔽性较强的工程而言，若能事先预估盾构施工所导致的地表极限竖向位移，将会对地铁隧道等盾构施工的安全性评估起到非常重要的预警，并可以为盾构掘进施工方案的选择和优化提供有力技术支撑和参考。令人遗憾的是，目前现有技术不能有效预测盾构施工所导致的地表竖向位移的极限值，即地表极限竖向位移。

发明内容

本发明目的在于提供一种技术方案获得盾构掘进施工地表极限竖向位移的预测数据，以便对地铁隧道等盾构施工的安全性评估提供预警指标，为盾构掘进施工方案的选择和优化提供有力技术支撑和参考。

本发明技术方案首先一个方面提供一种盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法，其包括以下步骤：

获取盾构掘进施工区域的土体物理学参数及隧道埋深，所述土体物理学参数包括主动土压力和被动土压力；

以土压力为所述盾构掘进施工区域半无限体模型的围压计算所获得的一个地表测点的竖向位移为该地表测点的竖向极限位移；所述竖向极限位移包括极限沉降和极限隆起，当土压力取主动土压力时，所述竖向位移为极限沉降，当土压力取被动土压力时，所述竖向位移为极限隆起。

优选的，一些实施例中，所述主动土压力取库伦主动土压力，所述被动土压力取库伦被动土压力。

优选的，一些实施例中，利用球孔扩张理论计算所述获取盾构掘进施工区域的塑性区半径。

作为对本发明第一方面技术方案的充分支持，本发明还具体的公开了一种盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法，尤其适用于圆形盾构，其包括以下步骤：

获取盾构掘进施工区域的土体物理学参数及隧道埋深H，所述土体物理学参数包括材料类型、重度γ、弹性模量E、泊松比v、粘聚力c、内摩擦角剪胀角Ψ和土层初始应力q；

根据无限体球孔扩张土体公式计算所述盾构掘进施工区域的塑性区半径R_p；

当地面测点位于弹性区时，分别根据主动土压力E_a和被动土压力E_p计算该地面测点的预测竖向位移u_z1的两个端点和/>

和/或，

当地面测点位于塑性区时，分别根据主动土压力E_a和被动土压力E_p计算该地面测点的预测竖向位移u_z2的两个端点和/>

优选的，所述盾构掘进施工区域的塑性区半径R_p的求解式为，

式中，I_RR为修正的刚度指标，R_u为掘进球孔所受球形均布压力增加到最大到极限压力P₀时的掘进球孔半径；

所述I_RR的求解函数包括：

式中，表示弹性区塑性交界处的应变；

和/>的求解函数为：

式中，R为地表测点到掘进球孔中心的距离，S＝1-A-B， T＝Z+3，/>

基于上述各个方法的，本发明提供技术方案另一个方面提供一种盾构掘进施工地表极限竖向位移预测装置，其包括：

读取模块，用于读取盾构掘进施工区域的土体物理学参数和隧道设计参数；

输入模块，用于输入所述盾构掘进施工区域的各个地表测点的位置信息；

处理模块，用于根据所述土体物理学参数和所述隧道设计参数计算所述各个地表测点的竖向极限位移；

输出模块，用于输出所述各个地表测点的竖向极限位移；

其中，一个地表测点的竖向极限位移中，其极限沉降由土压力取主动土压力时的所述盾构掘进施工区域半无限体模型的围压计算获得，和/或，其极限沉降由土压力取被动土压力时的所述盾构掘进施工区域半无限体模型的围压计算获得。

本发明提供技术方案的技术效果包括但不限于以下方面：

(1)针对实际盾构隧道中土体为半无限体的情形，可以利用镜像法中源和汇的组合来消除地表的竖向应力，进一步的可以通过Cerruti解答消除地表剪应力的影响，从而将无限土体空间问题转化为半无限土体空间问题。

(2)盾构隧道围压值介于主动土压力值E_a与被动土压力值E_p之间，采用库伦主动土压力和被动土压力分别作为围压值进行计算，从而获得地表的极限竖向位移，即地表的极限沉降值和极限隆起值。

(3)本发明已开始实施验证，根据实践反馈典型盾构区间隧道的实测值和本发明提供的竖向极限位移值进行比对反馈，无论是实际地表沉降值还是隆起值均位于竖向极限位移区间，盾构施工安全进行，证明本提供预测结果具有很好的预估预警效果。

附图说明

图1为本发明一个盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法实施例中塑性区和弹性区结构示意图；

图2为本发明一个盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法实施例中通过半无限体模型计算竖向位移的算法示意图；

图3为本发明一个具体的盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法实施例中地表测点预测竖向极限位移与实际发生竖向位移的对比曲线；

图4为本发明另一个具体的盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法实施例中地表测点预测竖向极限位移与实际发生竖向位移的对比曲线。

具体实施方式

以下提供结合附图及多个实施例进一步说明本发明提供的技术方案，以便本领域技术人员实施和改进。

首先应当说明的是，近年来，球孔扩张理论以及镜像法在进行地铁隧道所引发的地面沉降理论研究方面显现了较好的应用前景。黎春林和缪林昌(2016)利用小孔扩张理论研究了盾构同步注浆对塑性区的影响范围，其研究结果作为盾构施工注浆参数参考。Zouand Zuo(2017)应用柱形孔扩张表达盾构同步注浆对地层的冲击现象，采纳镜像法导出了同步注浆期间地表变形的计算式。林存刚等(2014)采用虚拟镜像技术用于研究盾构掘进引得的地表沉降规律，结果预测值均大于实测值，需要引入修正参数以得到更加符合实际的规律。以此，上述现有技术均不能有效预测盾构施工所导致的地表极限位移。

本发明中所称地表测点指具体的一个需要预测竖向极限位移的地表位置，在施工中验证，需要根据施工记录测量其实际竖向位移以验证是否处于本发明所预测的竖向极限位移的区间内。

本发明的各个盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法实施例中，通过以下步骤获得地表极限竖向位移的预测值：

步骤一，获取勘察资料提供的盾构掘进施工区域的土体物理学参数，以及，设计资料提供的隧道设计参数。

土体物理学参数包括材料类型、重度γ、弹性模量E、泊松比v、粘聚力c、内摩擦角剪胀角Ψ和土层初始应力q等直接或者间接的盾构掘进施工区域的土体勘察结果。

隧道设计参数包括隧道埋深H、隧道盾构构型等。

步骤二，根据土体物理学参数分别获得盾构掘进施工区域一个截面的弹性区和塑性区的交界。

步骤三，根据弹性区和塑性区的交界判断一个地表测点位于弹性区还是塑性区。

步骤四，以土压力为盾构掘进施工区域半无限体模型的围压计算所获得的竖向位移为该地表测点的一个竖向极限位移，其中，当土压力取主动土压力时，所述竖向位移为竖向极限位移的极限沉降，当土压力取被动土压力时，所述竖向位移为竖向极限位移的极限隆起。

示范的，如图1所示的盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法实施例中，施工项目采用圆形盾构施工，根据无限体球孔扩张土体理论，即，假定无限土体内某点有初始小孔，球孔初始半径为a₀，球孔内受初始球形均布压力P₀。当P₀逐渐增加到最大到极限压力P_u时，此时小孔半径为R_u，塑性区半径为R_p，塑性区以外为弹性区，该理论假设条件(1)土体各向同性；(2)土体服从M-C屈服准则；(3)土体初始内压各向相等。根据周炳勤(小孔扩张理论及其应用[D].东南大学,2005.)提及的无限体球孔扩张土体公式，可获得塑性区半径R_p求解公式为：

式中， T＝Z+3；/>S＝1-A-B；/>α＝2/M；/>

E为弹性模量；G为剪切模量；为内摩擦角；Ψ为剪胀角；P₀为土体初始应力；c₀为粘聚力；v为泊松比；σ_p为弹塑性交界处的径向应力；/>表示弹塑性交界处的应变，Δ为塑性体积平均体积应变，I_R为刚度指标，I_RR为修正的刚度指标。

本实施例提供步骤二中一种弹性区和塑性区的交界，根据塑性区半径R_p即可获得圆形盾构截面中弹性区和塑性区的交界，本领域技术人员知晓，在可获得圆形盾构情形下弹性区和塑性区的交界，通过复变分析，可以获得矩形盾构等情形的弹性区和塑性区的交界，因此，本发明所述弹性区和塑性区的求解并不局限于圆形盾构。

示范的，一个盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法实施例中，由于在实际盾构隧道中土体为半无限体，本实施例采用镜像法中源和汇的组合来消除地表的竖向应力，但需要利用Cerruti解答消除地表剪应力的影响。从而将无限空间问题转化为半无限空间问题。如图2所示，本实施例构建盾构掘进施工区域半无限体模型用于计算盾构掘进施工区域一个地表测点的竖向位移：

点汇位移：

点源位移：

地表应力修正：利用下述数值积分求得

其中，x为计算点的水平坐标，H为隧道埋深，r、θ为以隧道中心为原点建立的极坐标参数，α为选取的扩张球孔的半径。

对于一个地表测点，其地表竖向位移，即测点地面距z＝0，R₁＝R₂＝R，半无限体地表竖向位移公式为：

弹性区地表测点竖向位移u_z(弹)：

塑性区地表测点竖向位移u_u2：

本实施例提供步骤四中一种地表测点的竖向位移的计算方法，利用Cerruti解答消除地表剪应力的影响后的半无限体模型，获得地表测点的竖向位移。本领域技术人员知晓，根据多种半无限体模型，再根据地表测点是否位于弹性区，均可获得其竖向位移。本实施例中，在获得地表测点的过程中，分别取球孔极限内压值E_a或者E_p即为盾构隧道的围压。本实施例中，使用隧道所处深度所对应土压力为盾构隧道的围压对地表测点的竖向位移进行计算，具体的，取围压为隧道所处深度所对应主动土压力计算所得地表测点的竖向位移为极限沉降，取围压为隧道所处深度所对应被动土压力计算所得地表测点的竖向位移为极限隆起。

优选的，在一个上述预测方法的改进实施例中，盾构掘进施工区域土层盾构隧道穿越土层主要为粉细砂，在步骤四中，采用库伦土压力作为围压进行计算，具体的，

在计算地表测点的极限沉降时，围压取主动土压力E_a；

地表测点处于弹性区时的极限沉降

地表测点处于塑性区时的极限沉降

在计算地表测点的极限隆起时，围压取主动土压力E_p；

地表测点处于弹性区时的极限隆起

地表测点处于塑性区时的极限隆起

其中，本实施例中土压力取库伦土压力，因此， K_a为库伦主动土压力系数，K_p为库伦被动土压力系数，γ为重度。在一些其他实施例中，土压力也可以采用朗肯土压力等计算方法，或者多种土压力的计算方法的结合，以获得更好的预测效果。

本发明的一个盾构掘进施工地表极限竖向位移预测装置的实施例中，预测装置用于实现如上述各个预测方法，其包括：

读取模块，用于读取盾构掘进施工区域的土体物理学参数和隧道设计参数；本实施例的预测装置在连接存储盾构掘进施工区域的土体物理学参数和隧道设计参数的管理系统时，通过读取模块获得相关数据。另一些实施例中，读取模块被配置为从存储器中读取盾构施工对应的电子化施工资料和勘察资料数据。

输入模块，用于输入所述盾构掘进施工区域的各个地表测点的位置信息；根据特别关注的地表位置，通过输入模块向本实施例的处理模块发送该地表位置需要预测的地表测点，一个地表测点可以根据多种坐标系描述其与隧道的相对位置，示范的，一个地表测点可以用距隧道中心的距离表示。本实施例中，地表测点由作为输入模块的人机接口手动输入，另一些实施例中，输入模块被配置为读取其他系统携带相关信息的查询消息，同时，输出模块的将预测结果作为响应的返回。

处理模块，用于根据所述土体物理学参数和所述隧道设计参数计算所述各个地表测点的竖向极限位移；处理模块包括存储指令的存储器，以及读取指令并执行的处理器，这些指令致使处理器按照本发明的预测方法获得地表测点的竖向极限位移。一个竖向极限位移包括一个上限和一个下限。

输出模块，用于输出所述各个地表测点的竖向极限位移。这种输出可以是基于人机界面的文本或者图形的输出，也可以是向下一步的施工预警系统输出参考值，以便其判断报警。在一些读取模块可以实时获得盾构掘进施工区域的动态土体物理学参数的实施例中，本发明所述的预测装置，实际上可以实现施工预警的功能，避免施工损失，可以实现精细化的施工预警。

可以理解的是，在本发明的一些装置实施例中，读取模块、输入模块、输出模块可以是通信接口或者发射端、接收端等通讯处理模块，处理模块可以是具备处理器和存储处理器执行指令的存储器，读取模块、输入模块、输出模块和处理模块之间可以通过一台设备的内部总线通信连接，也可以分布式的部署，甚至是在系统中创建的虚拟设备中部署的，或者集成于某一类系统中以便作为该系统一个部分的整体的为该系统带来本发明技术方案的技术效果的。

本实施例中，一个地表测点的竖向极限位移中，其极限沉降由土压力取主动土压力时的所述盾构掘进施工区域半无限体模型的围压计算获得，和/或，其极限沉降由土压力取被动土压力时的所述盾构掘进施工区域半无限体模型的围压计算获得。可以理解的是，其他一些预测设备的实施例中，单独对弹性区的地表测点进行预测，或者，单独对塑性区的地表测点进行预测，应当也认为是本发明所涵盖的实施例。

在一个具体的盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法实施例中，方法实施例由本发明提出的装置实施，通过读取模块，获得该盾构掘进施工区域的区间隧道掘进土层主要为性质比较差的杂填土和粉细砂层，依据施工资料知该断面埋深为16.7m，相关物理力学参数由勘察资料提供，如表1所示。

表1隧道所在地层参数表

本实施例的隧道采用圆形盾构，经处理模块计算得：土层初始应力q为253.18kN·m^-2，孔土体围压p₀(即为静止土压力值E₀)为126KPa，初始孔径a₀为3.2m，最终孔径R_u为2.7m，主动土压力为76KPa，被动土压力E_p为1163KPa。结合式(3)得出塑性区半径R_P为16.9m，即地表测点均在塑性区，故结合式(11)和式(13)获取地表测点极限竖向位移值。

处理模块根据式(11)至(14)计算输入模块获得的各地表测点的极限竖向位移，输出模块展示的预设地表测点位移的计算值与是施工过程中采集的实测值做对比，具体值见表2，

表2各测点计算值与实测值对比

如图3所示，当围压取值为库伦被动土压力值E_p时，地表较近测点沉降情况表现为隆起，围压取库伦主动土压力值E_a时的地表较近测点表现为下沉，隆起与下沉的分界点在距离隧道中心10m处。围压取库伦主动土压力值E_a时获得的沉降值计算值和沉降槽宽度均大于实测结果，计算隧道轴线处最大沉降值为8.3mm，实测值为2.8mm，说明盾构隧道处于安全状态，由此可见将本文提出的解析方法应用于预警土体沉降变形颇具参考意义。

在另一个具体的盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法实施例中，选取单线隧道掘进后断面测点为地表测点，并通过沉降值作为实测对比数据，该断面为完成掘进236m后，穿越三层民房，盾构从民房下方穿过。依据施工资料知该断面埋深为16.83m，其中杂填土厚度为3.9m，粉质黏土厚度为6.1m，粉细砂厚度为7m，可知隧道所在地层为粉细砂层。掘进初始半径a₀为3.2m，最终半径R_u为2.7m，隧道掘进土层为粉细砂层；计算时假设土体为匀质土，相关物理力学参数由勘察资料提供，如表3所示。

表3隧道所在地层参数表

经计算得：土层初始应力q为136.85kN·m^-3，初始孔土体围压p₀即为静止土压力值E₀为196kpa，主动土压力E_a作为小孔最终内压值124kpa，被动土压力值E_p为1689kpa。结合式(3)得出塑性区半径R_P为7.21m,，即地表测点均在弹性区，故而结合式(11)和(13)获取地表测点竖向位移值。

计算各地表测点的极限竖向位移，预设地表测点位移的计算值与实测值做对比，具体值见表4。

表4各测点实测值与计算值对比表

如图4所示，本实施例中，围压取库伦主动土压力值Ea时的计算值表现为下沉，围压取库伦被动土压力值E_p时地表的测点沉降表现为隆起，与实测值变化趋势一致。其中围压取库伦被动土压力值E_p时地表的测点计算值比实测值大，与左线隧道中心距离为正(即测点与右线更接近时)时的测点误差呈增大趋势。其中最大差异处为距离左线隧道中心6m位置，围压取库伦被动土压力值E_p时计算的预测值为1.9mm，实测值为1.2mm，差异值为0.7mm。由此可见将本发明提出的预测方法应用于土体隆起变形预警也具有一定参考意义。

此外由图4可以看出在隧道中心线左右二者差异呈不均匀分布状态，原因主要是选取断面左线隧道侧点正好下穿三层民房，采取袖阀管注浆加固，房屋加固范围为：房屋边外侧2m至内侧2m，其深度为3m，很好的控制了地表沉降，相反中心线右侧则显得偏大。

Claims (2)

1.一种盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法，包括以下步骤：

获取盾构掘进施工区域的土体物理学参数及隧道埋深H，所述土体物理学参数包括材料类型、重度γ、弹性模量E、泊松比v、粘聚力c、内摩擦角剪胀角Ψ、土层初始应力q、主动土压力E_a和被动土压力E_p；所述主动土压力E_a取库伦主动土压力，所述被动土压力E_p取库伦被动土压力；

以土压力为所述盾构掘进施工区域半无限体模型的围压计算所获得的一个地表测点的竖向位移为该地表测点的竖向极限位移；所述竖向极限位移包括极限沉降和极限隆起，当土压力取主动土压力E_a时，所述竖向位移为极限沉降，当土压力取被动土压力E_p时，所述竖向位移为极限隆起；

根据无限体球孔扩张土体公式计算所述盾构掘进施工区域的塑性区半径R_p；所述盾构掘进施工区域的塑性区半径R_p的求解式为，

式中，I_RR为修正的刚度指标，R_u为掘进球孔所受球形均布压力增加到最大到极限压力P₀时的掘进球孔半径；

所述I_RR的求解函数包括：

式中，表示弹性区塑性交界处的应变；

和/>的求解函数为：

式中，R为地表测点到掘进球孔中心的距离，S＝1-A-B， T＝Z+3，/>

当地面测点位于弹性区时，分别根据主动土压力E_a和被动土压力E_p计算该地面测点的预测竖向位移u_z1的两个端点和/>

和/或，

当地面测点位于塑性区时，分别根据主动土压力E_a和被动土压力E_p计算该地面测点的预测竖向位移u_z2的两个端点和/>

2.一种盾构掘进施工地表极限竖向位移预测装置，包括：

读取模块，用于读取盾构掘进施工区域的土体物理学参数和隧道设计参数；

输入模块，用于输入所述盾构掘进施工区域的各个地表测点的位置信息；

处理模块，用于根据所述土体物理学参数和所述隧道设计参数计算所述各个地表测点的竖向极限位移；计算方法包括权利要求1所述盾构掘进施工地表极限竖向位移预测方法的步骤；

输出模块，用于输出所述各个地表测点的竖向极限位移；

其中，一个地表测点的竖向极限位移中，其极限沉降由土压力取主动土压力时的所述盾构掘进施工区域半无限体模型的围压计算获得，和/或，其极限沉降由土压力取被动土压力时的所述盾构掘进施工区域半无限体模型的围压计算获得。