CN112101621B - 一种基于离散变量的软土地层盾构施工地表变形预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离散变量的软土地层盾构施工地表变形预测方法，盾构每掘进一环，盾构在掌子面超挖及盾尾脱出管片处制造出建筑空隙，引起地表沉降。选取地表沉降函数，并将地表沉降函数按照盾构隧道管片环宽离散化并累加求和。将盾构每环的施工参数量化，输入到离散后的地表沉降的函数中。将采用地表沉降函数的计算值与地表沉降监测值进行对比、校核。预测地表沉降，给出同步注浆体积及二次注浆体积和位置的参考值。本发明采用离散变量以数组的形式输入，输入的施工参数客观、精确，计算结果与实际情况更为贴切，另外本发明同时考虑了同步注浆体积、二次注浆位置及体积，不仅计算预测地表沉降，而且指导确定同步注浆体积、二次注浆位置及体积。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于盾构施工地表变形预测方法，尤其是基于离散变量的软土地层盾构施工地表变形预测方法，属于盾构施工地表沉降计算技术领域。
背景技术
现有技术文献(唐晓武，朱季，刘维，陈仁朋.盾构施工过程中的土体变形研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(02):417-422.魏纲，张世民，齐静静，姚宁.盾构隧道施工引起的地面变形计算方法研究[J].岩石力学与工程学报，2006(S1):3317-3323.林存刚，张忠苗，吴世明，李宗梁，刘冠水.软土地层盾构隧道施工引起的地面隆陷研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30(12):2583-2592.)计算盾构掘进引起的地表沉降时，采用恒定盾构施工参数，然而现场施工中盾构每掘进一环施工参数是不同的，地层属性也存在差异。对应地表某个特定点，该点沉降受前后十几环以至几十环施工参数的影响，采用恒定的盾构施工参数必然会引起计算误差。
中国专利(CN110046470A，一种盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法；CN108985340A，基于双模型融合的盾构施工地面沉降量预测方法；CN103195435A，一种控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法)采用了室内试验、神经网络、数值计算等方法预测地表沉降，计算过程相对复杂不利于现场工程技术人员掌握，没有提到不同环号盾构施工参数差异问题，也没兼顾考虑掌子面超欠挖、盾尾同步注浆和二次注浆及位置对地表沉降的影响。
发明内容
本发明的目的在于针对现有盾构施工地表沉降计算考虑的因素单一，技术模型复杂，计算繁冗的问题，提出一种基于离散变量的软土地层盾构施工地表变形预测方法。
该方法的具体实现过程如下：
S1、盾构每掘进一环，盾构在掌子面超挖及盾尾脱出管片处制造出建筑空隙，引起地表沉降。盾尾脱出管片处同步注浆及远离盾尾二次注浆控制地表沉降或引起地表隆起。盾构机附加推力、盾体摩擦力和注浆压力引起得地表暂时变形随盾构机远离逐渐消散，最终不影响地表沉降隆起。
S2、选取地表沉降函数，并将地表沉降函数按照盾构隧道管片环宽离散化。
S2.1、选取地表沉降函数，该地表沉降函数能够描述多个掘进循环掌子面土体超欠挖、盾尾建筑物空隙和注浆对地表沉降隆起的影响，反映掌子面超欠挖、盾尾建筑物空隙和注浆位置对地表特定点的影响；
S2.2、将地表沉降函数按照盾构管片环宽即每环盾构掘进距离沿隧道轴线方向逐步离散，并累加求和。
S3、将盾构每环的施工参数量化，输入到离散后的地表沉降的函数中。
S3.1、盾构施工参数包含盾构机和管片参数、地层参数，每环推进注浆参数，每掘进1环统计1次参数。
(1)盾构机和管片参数：盾构机刀盘半径R，管片外半径r，管片宽度S，盾构机长度L；
(2)地层参数：管片中心的覆土深度h，土层泊松比v；
(3)每环推进注浆参数：出土量Va，推进油缸行程la，渣土的松散系数K1，同步注浆损耗系数K2，二次注浆损耗系数K3，现场同步注浆体积V5，现场二次注浆体积V6，二次注浆距离盾尾的距离L0。
S3.2、基于现场统计的盾构施工参数，计算出地层体积损失量：
掌子面超欠挖地层体积损失V1、盾尾建筑物空隙地层体积损失V2、盾尾同步注浆体积增加V3和二次注浆地层体积增加V4。
S3.3、将统计好的施工参数，以数组的方式输入到离散后的地表沉降函数中。
S4、将采用地表沉降函数的计算值与地表沉降监测值进行对比、校核。
S5、将修正好参数(渣土的松散系数K1，同步注浆损耗系数K2，二次注浆损耗系数K3)的地表沉降函数指导特定地层施工，预测地表沉降，给出同步注浆体积及二次注浆体积和位置的参考值。
与现有技术相比较，本发明具有如下技术优势。
1、常用的地表沉降计算方法假定变量参数恒定，或者部分恒定。本发明采用离散变量以数组的形式输入，输入的施工参数客观、精确，计算结果与实际情况更为贴切。
2、将计算过程程序化，盾构掘进1环输入1组参数，数组中第n个数对应第n环的变量参数，参数物理意义明确。比现有的计算软件简单易操作，不需要额外的岩土试验，利于地铁工程师指导现场施工。
3、与现有技术相比，本发明中同时考虑了同步注浆体积、二次注浆位置及体积，不仅计算预测地表沉降，而且辅助确定同步注浆体积、二次注浆位置及体积。
附图说明
图1盾构施工软土地层地表沉降预测流程。
图2盾构施工过程地层损失位置示意图。
图3为计算结果图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
一种基于离散变量的软土地层盾构施工地表变形预测方法，S1、盾构每掘进一环，盾构在掌子面超挖及盾尾脱出管片处制造出建筑空隙，引起地表沉降。盾尾脱出管片处同步注浆及远离盾尾二次注浆控制地表沉降或引起地表隆起。盾构机附加推力、盾体摩擦力和注浆压力引起得地表暂时变形随盾构机远离逐渐恢复，最终不影响地表沉降隆起。
S2、地表特定点的沉降受到前后十几环乃至几十环盾构施工参数的影响。选取应该广泛、准确性高的地表沉降函数，并将地表沉降函数按照盾构隧道管片环宽离散化。
S2.1、选取准确描述地表沉降的函数，该函数可以描述多个掘进循环掌子面土体超欠挖、盾尾建筑物空隙和注浆对地表沉降隆起的影响，可以反映掌子面超欠挖、盾尾建筑物空隙和注浆位置对地表特定点的影响(以修正Sagaseta函数为例，不限于此函数)；
S2.2、将地表沉降函数按照盾构管片环宽(即每环盾构掘进距离)沿隧道轴线方向逐步离散，并累加求和。
S3、将盾构每环的施工参数量化，输入到离散后的地表沉降的函数中。
S3.1、盾构施工参数包含盾构机和管片参数、地层参数，每环推进注浆参数，每掘进1环统计1次参数。
(1)盾构机和管片参数：盾构机刀盘半径R，管片外半径r，管片宽度S，盾构机长度L；
(2)地层参数：管片中心的覆土深度h，土层泊松比v；
(3)每环推进注浆参数：出土量Va，推进油缸行程la，渣土的松散系数K1，同步注浆损耗系数K2，二次注浆损耗系数K3，现场同步注浆体积V5，现场二次注浆体积V6，二次注浆距离盾尾的距离L0。
S3.2、基于现场统计的盾构施工参数，计算出地层体积损失量：
掌子面超欠挖地层体积损失V1、盾尾建筑物空隙地层体积损失V2、盾尾同步注浆体积增加V3和二次注浆地层体积增加V4；
S3.3、将统计好的施工参数，以数组的方式输入到离散后的地表沉降函数中。
S4、将采用地表沉降函数的计算值与地表沉降监测值进行对比、校核。
S5、将修正好参数(渣土的松散系数K1，同步注浆损耗系数K2，二次注浆损耗系数K3)的地表沉降函数指导特定地层施工，预测地表沉降，给出同步注浆体积及二次注浆体积和位置的参考值。
盾构机周围土体摩擦力、盾构正面附加力、盾构同步注浆附加压力会引起地层变形，然而盾构施工过后这三种力会逐渐消散，相应引起的地层沉降隆起消失。最终地层沉降主要是由地层损失决定。地层损失包括盾构开挖掌子面超欠挖、盾尾建筑空隙、盾尾同步注浆和隧道二次注浆四个因素。
盾构掘进地表隆沉预测模型中，ω为盾构施工引起的地表总位移，
ω＝ω1+ω2+ω3+ω4 (1)
其中，ω1为盾构掌子面超欠挖引起的地表某点竖向位移，ω2为盾尾建筑空隙引起的地表某点竖向位移，ω3为盾尾同步注浆体积引起的地表某点竖向位移，ω4为隧道二次注浆体积引起的地表某点竖向位移。
其对应的地层损失和增加量
Vloss＝V1+V2+V3+V4 (2)
其中，Vloss为盾构掘进1环时地层损失，V1为盾构掌子面超欠挖地层损失体积，V2为盾尾建筑空间损失体积，V3为盾尾同步注浆增加体积，V4为隧道二次注浆增加体积。
以当前盾构机刀盘中点为坐标原点(0，0，0)，Sagaseta利用汇源法推得土体损失引起地表沉降的解析解，计算公式如下：
考虑土体泊松比及椭圆形非等量径向土体移动模式对Sagaseta公式进行修正
其中，v为土层泊松比，R为盾构机刀盘，h为掘进第i环处盾构机(管片)刀盘中点埋深。
按照盾构隧道管片环宽，将修正Sagaseta函数离散化。刀盘半径R、管片外半径r和盾构机长度L为固定值；管片中心的覆土深度h，地层泊松比v，每环出土量Va，每环推进油缸行程la(即每环实际推进长度)，土的松散系数K1，同步注浆损耗系数K2，二次注浆损耗系数K3，现场同步注浆体积V5，现场二次注浆体积V6，二次注浆距离盾尾的距离L0，这些参数在盾构掘进过程中通常为一个变化值，需采取离散型数值形式(目前惯用的沉降计算方法通常视这些值在施工中不变)。变量参数以数组的形式输入，与现场实际情况贴合度更好，掘进1环对应数组中相应位置1个数值。数组中第n个数对应第n环的变量参数。
将计算过程程序化，现场掘进1环输入1组参数，根据预测的地表沉降，合理调整同步注浆、二次注浆量并确定二次注浆位置。程序简单易操作利于地铁工程师指导现场施工。
将掌子面地层体积损失V1、盾尾地层体积损失V2、同步注浆体积增加V3和二次注浆体积增加V4引起得地层沉降和隆起的函数表达经坐标系数转换整合到同一坐标系下，便于计算。
二次注浆位置一般不在盾尾，避免注浆体包裹盾尾刷，选择在盾尾后3-10环位置。地表沉降函数计算了二次注浆体积和位置对地表沉降隆起的影响，指导现场进行二次注浆，抵消前期超挖或同步注浆不足引起得地表沉降。
计算过程中考虑了管片宽度以及盾构推进1环对应的推进油缸伸长量。
设置起始状态为：盾构刚出加固区，尚未掘进第一环，每前进S米(管片宽度为S)计算一次。
地表沉降模型的函数离散化计算过程如下：
地表沉降函数离散
盾构每环掘进过程中对应的四个地层损失增加量是有差别的：盾构掌子面超欠挖地层损失体积V1，盾尾建筑空间损失体积V2，盾尾同步注浆增加体积V3，隧道二次注浆增加体积V4。而且隧道开挖过程中隧道轴线的埋深不总是一致的，泊松比随地层变化而改变，每环推进油缸的伸长量不完全等同于管片宽度，均需要考虑为离散数值。
(1)掌子面超欠挖对地表沉降影响
设自第(i-1)环开挖面至第i环掌子面挖欠挖引起的地层损失为V1i，hi为掘进第i环处盾构机刀盘中点埋深，设盾构起始状态为完成开挖第0环(i＝0)V1i＝0，取当前完成第n环的掘进(即自起始状态已掘进长度为n*S米)，则对应的地表沉降为
(2)盾尾建筑空间对地表沉降影响
设自第(i-1)环至第i环盾尾建筑空间引起的地层损失为V2i，取a＝floor(n-L/S)，b＝ceil(n-L/S)，即a为向上取整，b为向下取整，且b≥0。hi为掘进第i环处盾构机刀盘中点埋深，设盾构起始状态为完成开挖第0环(i＝0)，V20＝0，取当前完成第n环的掘进(即自起始状态已掘进长度为n*S米)，则对应的地表沉降为
(3)盾尾同步注浆对地表沉降影响
设自第(i-1)环至第i环盾尾同步注浆引起的地层增加为V3i，取a＝floor(n-L/S)，b＝ceil(n-L/S)，即a为向上取整，b为向下取整，且b≥0。hi为掘进第i环处盾构机刀盘中点埋深，设盾构起始状态为完成开挖第0环(i＝0)，V30＝0，取当前完成第n环的掘进(即自起始状态已掘进长度为n*S米)，则对应的地表沉降为
(4)隧道二次注浆对地表沉降影响
设自第(i-1)环至第i环隧道二次注浆引起的地层增加为V4i，取c＝即a为向上取整，b为向下取整，且b≥0。L0为二次注浆点距离盾尾的距离，hi为掘进第i环处盾构机刀盘中点埋深，设盾构起始状态为完成开挖第0环(i＝0)，V40＝0，取当前完成第n环的掘进(即自起始状态已掘进长度为n*S米)，则对应的地表沉降为
地层损失和增加量计算
(1)盾构掌子面超欠挖地层损失体积V1计算公式
每掘进一环的理论开挖空间V0，可由现场施工人员记录：
V0＝πR2la (9)
掌子面超欠挖引起地层损失体积可由下式计算：
其中，R为刀盘半径；la为每环推进油缸行程；Va为每环出土量(m3)；K1为土的松散系数，因土的性质而差异。
(2)盾尾建筑空间损失体积V2计算公式
管片脱出盾尾后，管片与地层之间的空隙为盾尾建筑空间
V2＝π(R2-r2)la (11)
其中，r为管片外半径。
(3)盾尾同步注浆增加体积V3计算公式
每掘进一环盾尾同步注浆产生的体积填充可由下式计算：
V3＝V5(1-K2) (12)
其中，V5为现场同步注浆量；K2为同步注浆损耗系数，与浆液在地层扩散、固结收缩有关。
(4)隧道二次注浆增加体积V4计算公式
V4＝V6(1-K3) (13)
其中，V6为现场二次注浆量；K3为二次注浆损耗系数，与浆液在地层扩散、固结收缩有关。
模型中的参数类型
离散参数：h为管片中心的覆土深度，v土层泊松比，Va为每环出土量，la为每环推进油缸行程，K1为渣土的松散系数，K2为同步注浆损耗系数，K3为二次注浆损耗系数，V5为现场同步注浆体积，V6为现场二次注浆体积，L0二次注浆距离盾尾的距离。
恒定参数：R为盾构机刀盘，r为管片外半径，S为管片宽度，L为盾构机长度。
间接参数：盾构掌子面超欠挖地层损失体积V1，盾尾建筑空间损失体积V2，盾尾同步注浆增加体积V3，隧道二次注浆增加体积V4。
实施例描述
福州地铁2号线金祥站～祥坂站区间，隧道覆土厚度为9.50～30.06m，线路纵断面呈V形坡，选取其中40环作为计算案例段，施工采用泥水平衡盾构机，刀盘外径6500mm，管片外径6200mm，管片标准环宽1200mm，掌子面处每环理论开挖方量36.58m3，盾尾理论建筑物空隙3.12m3。为计算案例段前30环为全断面砂层，后10环为粉质黏土为主地层。盾构隧道埋深20-25m，最大纵坡25‰。土层泊松比中砂0.25、淤泥质土0.34，渣土的松散系数中砂1.15、淤泥质土1.05，同步注浆损耗系数中砂0.35、淤泥质土0.15，二次注浆损耗系数中砂0.1、淤泥质土0.1。现场实测的离散数据，每掘进一环记录一组数据，以下为40环的数据。
施工数据
％h管片中点埋深(m)
h＝[12.0，12.02，12.04，12.06，12.08，12.1，12.12，12.14，12.16，12.18，12.2，12.22，12.24，12.26，12.28，12.3，12.32，12.34，12.36，12.38，12.4，12.42，12.44，12.46，12.48，12.5，12.52，12.54，12.56，12.58，12.6，12.62，12.64，12.66，12.68，12.7，12.72，12.74，12.76，12.78]；％土体的泊松比
v＝[0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.25，0.34，0.34，0.34，0.34，0.34，0.34，0.34，0.34，0.34，0.34]；
％V_a排土量(m3)
V_a＝[47.1，45.8，45.9，45.8，45.8，46.1，46.1，45.9，46.2，45.8，46.0，45.9，46.1，46.1，45.9，46.0，46.0，46.1，46.1，46.1，45.9，46.1，46.1，45.9，45.8，46.0，46.2，45.9，46.0，45.9，42.0，41.9，41.9，42.0，42.0，42.0，41.9，41.8，41.8，41.9]；
％l_a每环推进油缸行程(m)
l_a＝[1.21，1.18，1.21，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.25，1.15，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2，1.2]；
％K_1土的松散系数
K_1＝[1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.15，1.05，1.05，1.05，1.05，1.05，1.05，1.05，1.05，1.05，1.05]；
％K_2同步注浆损耗系数
K_2＝[0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.35，0.15，0.15，0.15，0.15，0.15，0.15，0.15，0.15，0.15，0.15]；
％K_3二次注浆损耗系数
K_3＝[0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1，0.1]；
％V_5为现场同步注浆体积(m3)
V_5＝[5.78，5.6，5.77，5.6，5.8，5.63，5.58，5.6，5.71，5.67，5.63，5.77，5.7，5.69，5.8，5.61，5.75，5.75，5.64，5.69，5.55，5.54，5.68，5.76，5.8，5.56，5.7，5.67，5.53，5.63，4.26，4.38，4.29，4.33，4.26，4.34，4.28，4.36，4.36，4.37]；
％V_6为现场二次注浆体积(m3)
V_6＝[0，0，0，0，0，0，0.1，0，0.2，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0.5，0，0]；
％L_0二次注浆距离盾尾的距离(m)
L_0＝[0，0，0，0，0，0，3.6，0，3.6，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，3.6，0，0]；
计算结果如图3所示。
本发明按照盾构隧道管片环宽，将修正Sagaseta函数离散化。刀盘半径R、管片外半径r和盾构机长度L为固定值；管片中心的覆土深度h，地层泊松比v，每环出土量Va，每环推进油缸行程la(即每环实际推进长度)，土的松散系数K1，同步注浆损耗系数K2，二次注浆损耗系数K3，现场同步注浆体积V5，现场二次注浆体积V6，二次注浆距离盾尾的距离L0，这些参数在盾构掘进过程中通常为一个变化值，需采取离散型数值形式。变量参数以数组的形式输入，与现场实际情况贴合度更好，掘进1环对应数组中相应位置1个数值。数组中第n个数对应第n环的变量参数。同时，本方法将计算过程程序化，现场掘进1环输入1组参数，根据预测的地表沉降，合理调整同步注浆量及二次注浆量和位置。程序简单易操作利于地铁工程师指导现场施工。
Claims (1)
1.一种基于离散变量的软土地层盾构施工地表变形预测方法，其特征在于：该方法的具体实现过程如下：
S1、盾构每掘进一环，盾构在掌子面超挖及盾尾脱出管片处制造出建筑空隙，引起地表沉降；盾尾脱出管片处同步注浆及远离盾尾二次注浆控制地表沉降或引起地表隆起；
S2、选取地表沉降函数，并将地表沉降函数按照盾构隧道管片环宽离散化；
S3、将盾构每环的施工参数量化，输入到离散后的地表沉降的函数中；
S4、将采用地表沉降函数的计算值与地表沉降监测值进行对比、校核；
S5、将修正好参数即渣土的松散系数K1，同步注浆损耗系数K2，二次注浆损耗系数K3的地表沉降函数指导特定地层施工，预测地表沉降，给出同步注浆体积及二次注浆体积和位置的参考值；
S2包括如下步骤，S2.1、选取地表沉降函数，该地表沉降函数能够描述多个掘进循环掌子面土体超欠挖、盾尾建筑物空隙和注浆对地表沉降隆起的影响，反映掌子面超欠挖、盾尾建筑物空隙和注浆位置对地表特定点的影响；
S2.2、将地表沉降函数按照盾构管片环宽即每环盾构掘进距离沿隧道轴线方向逐步离散，并累加；
S3包括如下步骤，S3.1、盾构施工参数包含盾构机和管片参数、地层参数，每环推进注浆参数，每掘进1环统计1次参数；
(1)盾构机和管片参数：盾构机刀盘半径R，管片外半径r，管片宽度S，盾构机长度L；
(2)地层参数：管片中心的覆土深度h，土层泊松比v；
(3)每环推进注浆参数：出土量Va，推进油缸行程la，渣土的松散系数K1，同步注浆损耗系数K2，二次注浆损耗系数K3，现场同步注浆体积V5，现场二次注浆体积V6，二次注浆距离盾尾的距离L0；
S3.2、现场统计盾构施工参数，计算出地层体积损失量：
掌子面超欠挖地层体积损失V1、盾尾建筑物空隙地层体积损失V2、盾尾同步注浆体积增加V3和二次注浆地层体积增加V4；
S3.3、将统计好的盾构施工参数，以数组的方式输入到离散后的地表沉降函数中。
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