CN112131748A - 一种城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法及系统，涉及隧道工程技术领域，方法包括：获取隧道轴线埋深、隧道开挖半径与隧道开挖后的地层损失率；获取各层土体的厚度和土质类型；根据各层土体的土质类型确定各层土体的沉降槽系数；根据隧道轴线埋深、各层土体的厚度和沉降槽系数计算各层土体在纵坐标处的沉降槽宽度系数；根据隧道轴线埋深、隧道开挖半径、隧道开挖后的地层损失率和纵坐标处的沉降槽宽度系数计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点处的沉降和水平位移。本发明公开的城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法及系统，能够实现城市隧道施工过程中复合成层地层的简单、快速变形预测。

Description

一种城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法及系统
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，特别是涉及一种城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法及系统。
背景技术
中国城市轨道交通发展迅猛，截止到2019年底，中国已有43个城市开通运营了地铁，累计开通运营线路202条，运营里程已达6498公里，建设规模不断扩大。就2020-2021年度对于中国内地来讲，预计将有123条地铁线路将新增开通运营，总新增里程达2853.29公里；同时预计将有83条地铁线路新增开工，总里程达2066.84公里。
轨道交通的发展依赖于城市隧道的建设，隧道建设的关键在于施工过程中的灾变控制，其中土体变形的控制是重点。城市隧道常采用浅埋暗挖法与盾构法施工，施工开挖引起的土体应力释放必然诱发土体移动与变形。实际工程中，隧道常常在成层叠落、土质复合的地层系统中施工，对于这种类型土体系统变形效应的预测与评估具有普遍意义，这样的复杂土体系统使得其与单一均值地层系统的变形响应存在显著差别。而目前的理论预测方法仅是针对于单一均值地层而言的，如应用最为广泛的PECK公式也只能是计算单一地层的变形，对于复合地层并不能计算。对于复合成层地层，如果预测复合地层的变形则仅能采用大型数值仿真软件，即专业的商业模拟软件，在计算机建模的基础上进行进一步计算，从而对这种复杂土体系统的变形响应进行预测，虽然可以实现既定的目标，但一方面计算耗时耗力，需要付出较高的经济与时间代价，且主观性较大、计算结果不透明，另一方面计算结果的准确性极大程度上依赖于使用者的水平，不同模拟人员的预测结果具有较大的主观性与不确定性。
综上，基于现有的预测方法存在针对单一地层，对复合成层地层的实用性较差，不能对该类型地层系统的变形效应作出可靠预测与评估，虽然也可采用大型数值软件对其进行预测，但主观性强、时间成本高、不经济等缺陷，即对于复合成层地层而言，缺乏一种行之有效的方法对变形进行预测。因此本领域亟需一种简单、快速、操作性高以及精度高的预测方法，以解决城市隧道施工过程中复合成层地层的变形预测问题，为施工前的评估与施工过程中的动态控制提供坚实的理论支持。
发明内容
本发明的目的是提供一种城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法及系统，从而实现城市隧道施工过程中复合成层地层的简单、快速变形预测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法，所述方法包括：
获取隧道轴线埋深、隧道开挖半径与隧道开挖后的地层损失率；
获取各层土体的厚度和各层土体的土质类型；
根据所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；所述沉降槽系数包括各层土体在地表处的沉降槽宽度系数和地层中各层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数；
根据所述隧道轴线埋深、所述各层土体的厚度和所述沉降槽系数计算复合成层地层中各层土体在纵坐标处的沉降槽宽度系数；所述纵坐标所处的坐标系统是以地表线与隧道竖向对称线的交点为原点，以地表线为横坐标轴，以隧道竖向对称线为纵坐标轴的坐标系；
根据所述隧道轴线埋深、所述隧道开挖半径、所述隧道开挖后的地层损失率和所述纵坐标处的沉降槽宽度系数计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点处的沉降和水平位移。
可选地，所述根据所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数，具体包括：
当有地区经验时，根据所述地区经验和所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；所述地区经验为所述复合成层地层所在地区的各种土质类型分别对应的沉降槽系数；
当没有地区经验时，判断隧道内是否存在地下水；
若是，则采用数值模拟方法，根据所述各层土体的土质类型、力学参数和地下水的水位高度确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；
若否，则采用数值模拟方法，根据所述各层土体的土质类型和力学参数确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数。
可选地，所述根据所述隧道轴线埋深、所述各层土体的厚度和所述沉降槽系数计算复合成层地层中各层土体在纵坐标处的沉降槽宽度系数，具体公式为：
Figure BDA0002700700480000031
式中，Kcz表示复合成层地层中各层土体在纵坐标z处的沉降槽宽度系数；η1表示地层中隧道起拱线以上的第1层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，K10表示第1层土体在地表处的沉降槽宽度系数，H表示隧道轴线埋深，ηj表示第j层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，1≤j≤m，m为待计算土体所在层的编号，hj表示第j层土体的厚度，Kj0表示第j层土体在地表处的沉降槽宽度系数，ηm表示第m层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，Km0表示第m层土体在地表处的沉降槽宽度系数，m+1表示第m+1层土体。
可选地，所述根据所述隧道轴线埋深、所述隧道开挖半径、所述隧道开挖后的地层损失率和所述纵坐标处的沉降槽宽度系数计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点处的沉降和水平位移，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002700700480000032
计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点(y,z)处的沉降uczz；所述任意一点(y,z)位于所述坐标系统；其中，y为横坐标，z为纵坐标；
式中，VL表示隧道开挖后的地层损失率，R表示隧道开挖半径，Kcz表示复合成层地层中各层土体在纵坐标z处的沉降槽宽度系数，H表示隧道轴线埋深；
根据公式
Figure BDA0002700700480000041
计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点(y,z)处的水平位移ucyz。
本发明还提供了如下方案：
一种城市隧道施工中复合成层地层的变形预测系统，所述系统包括：
隧道参数获取模块，用于获取隧道轴线埋深、隧道开挖半径与隧道开挖后的地层损失率；
土体参数获取模块，用于获取各层土体的厚度和各层土体的土质类型；
沉降槽系数确定模块，用于根据所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；所述沉降槽系数包括各层土体在地表处的沉降槽宽度系数和地层中各层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数；
沉降槽宽度系数计算模块，用于根据所述隧道轴线埋深、所述各层土体的厚度和所述沉降槽系数计算复合成层地层中各层土体在纵坐标处的沉降槽宽度系数；所述纵坐标所处的坐标系统是以地表线与隧道竖向对称线的交点为原点，以地表线为横坐标轴，以隧道竖向对称线为纵坐标轴的坐标系；
变形预测模块，用于根据所述隧道轴线埋深、所述隧道开挖半径、所述隧道开挖后的地层损失率和所述纵坐标处的沉降槽宽度系数计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点处的沉降和水平位移。
可选地，所述沉降槽系数确定模块具体包括：
第一沉降槽系数确定单元，用于当有地区经验时，根据所述地区经验和所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；所述地区经验为所述复合成层地层所在地区的各种土质类型分别对应的沉降槽系数；
判断单元，用于当没有地区经验时，判断隧道内是否存在地下水；
第二沉降槽系数确定单元，用于当判断单元的输出结果为隧道内存在地下水时，采用数值模拟方法，根据所述各层土体的土质类型、力学参数和地下水的水位高度确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；
第三沉降槽系数确定单元，用于当判断单元的输出结果为隧道内不存在地下水时，采用数值模拟方法，根据所述各层土体的土质类型和力学参数确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数。
可选地，所述沉降槽宽度系数计算模块具体公式为：
Figure BDA0002700700480000051
式中，Kcz表示复合成层地层中各层土体在纵坐标z处的沉降槽宽度系数；η1表示地层中隧道起拱线以上的第1层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，K10表示第1层土体在地表处的沉降槽宽度系数，H表示隧道轴线埋深，ηj表示第j层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，1≤j≤m，m为待计算土体所在层的编号，hj表示第j层土体的厚度，Kj0表示第j层土体在地表处的沉降槽宽度系数，ηm表示第m层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，Km0表示第m层土体在地表处的沉降槽宽度系数，m+1表示第m+1层土体。
可选地，所述变形预测模块具体包括：
沉降计算单元，用于根据公式
Figure BDA0002700700480000052
计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点(y,z)处的沉降uczz；所述任意一点(y,z)位于所述坐标系统；其中，y为横坐标，z为纵坐标；
式中，VL表示隧道开挖后的地层损失率，R表示隧道开挖半径，Kcz表示复合成层地层中各层土体在纵坐标z处的沉降槽宽度系数，H表示隧道轴线埋深；
水平位移计算单元，用于根据公式计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点(y,z)处的水平位移ucyz。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开的城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法及系统，针对PECK公式中沉降槽宽度系数的计算方法仅仅适用于单一地层，无法适用于复合成层地层，将原来PECK公式中单一地层在纵坐标处的沉降槽宽度系数替换为复合成层地层的各层土体在纵坐标处的沉降槽宽度系数，并提供了PECK公式中复合成层地层中各层土体在纵坐标处的沉降槽宽度系数的计算方法，使得改进后的PECK公式可以适用于复合成层地层，由于采用PECK公式计算非常简单、快速，因此本发明能够简单、快速地计算复合成层地层中各层土体在纵坐标处地层的沉降与水平位移，实现城市隧道施工过程中复合成层地层的简单、快速变形预测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法实施例的流程图；
图2为地层钻孔后的地层组合示意图；
图3为城市隧道施工影响下复合成层地层的变形预测方法流程示意图；
图4为复合成层地层沉降槽宽度系数Kcz随着土体深度的变化规律示意图；
图5为复合成层地层不同深度处的沉降槽示意图；
图6为复合成层地层不同深度处的水平位移示意图；
图7为本发明城市隧道施工中复合成层地层的变形预测系统实施例的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法及系统，从而实现城市隧道施工过程中复合成层地层的简单、快速变形预测。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法实施例的流程图。参见图1，该城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法包括：
步骤101：获取隧道轴线埋深、隧道开挖半径与隧道开挖后的地层损失率。
步骤102：获取各层土体的厚度和各层土体的土质类型。
该步骤101为获取隧道的几何资料，该步骤102为获取地质钻孔资料。该步骤101和步骤102具体包括：
场地查勘与地质勘察。通过前期的场地查勘与地质勘察提取隧道的几何资料与地质钻孔资料。隧道的几何资料包含隧道轴线埋深H、隧道开挖半径R与隧道开挖后的地层损失率VL，其中VL根据工程经验及施工过程参数综合确定，有地区经验时，根据地区经验取值，对于中小直径隧道而言(R≤5m)，VL＝0-2％；对于大直径隧道而言(R＞5m)，VL＝0-1％；无地区经验时可以采用以下公式计算，公式中的|R|表示半径的数值：
Figure BDA0002700700480000071
地质钻孔资料包括位于隧道起拱线以上土体的分层情况，各层所述土体均位于地表以下、隧道起拱线以上。图2为地层钻孔后的地层组合示意图。参见图2，若隧道起拱线以上共有n层土体，至下而上的编号为1～n，其中第i层土体的厚度为hi，第i层土体的顶面与隧道起拱线的距离为ti，第i层土体的土质情况为土体的性质，即土质类型，如卵石土、砂土、黏土及黏质粉土等。图2中n＝3，n表示隧道起拱线以上土体的分层数目，即隧道起拱线以上土体的总层数；ic0表示复合成层地层中，地表沉降槽宽度；K10H表示假设地层全部是由沙土构成的，地表处的沉降槽宽度；icz表示复合成层地层中，地表以下纵坐标z处沉降槽宽度；iz是沉降槽宽度的方向代表。
步骤103：根据所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；所述沉降槽系数包括各层土体在地表处的沉降槽宽度系数和地层中各层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数。
该步骤103具体包括：
当有地区经验时，根据所述地区经验和所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；所述地区经验为所述复合成层地层所在地区的各种土质类型分别对应的沉降槽系数；
当没有地区经验时，判断隧道内是否存在地下水；
若是，则采用数值模拟方法，根据所述各层土体的土质类型、力学参数和地下水的水位高度确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数。
若否，则采用数值模拟方法，根据所述各层土体的土质类型和力学参数确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数。
根据Peck理论，即Peck公式，隧道在不同土质中开挖时沉降槽的形态会有差别，主要体现在沉降槽的宽度上，通常砂土的沉降槽宽度更小而黏土的沉降槽宽度更大。为此，首先确定复合成层地层中第i层土体的沉降槽系数，具体包含各层土体在地表处的沉降槽宽度系数(地表沉降槽宽度系数)Ki0和地层中各层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数ηi，这两个参数体现了地层对于变形的响应能力，其即是在单一均值地层情况下，采用Peck理论预测地层变形时，预测需要的两个参数(公式)，这两个参数通常采用工程经验几何土体性质综合确定。当没有地区经验时，对于硬黏性土(普遍意义上的硬黏性土)，Ki0＝0.4-0.5；对于软黏土(普遍意义上的软黏土)，Ki0＝0.5-0.7；对于砂性土，Ki0＝0.2-0.4，土体的黏性越大，此参数越大。衰减系数的范围为0-1，0代表无衰减，1代表最大衰减，对于黏土而言，ηi＝0.65；对于砂性土而言，ηi＝0.5，此两个参数的确定还要通过测量土体力学参数，采用数值模拟方法进一步综合确定，即如果有地区经验时，Ki0和ηi采用地区的经验参数，当没有地区经验时，采用数值模拟方法计算Ki0和ηi这两个参数，这时则需要考虑隧道内是否存在地下水，对于存在地下水的隧道而言，还需要考虑地下水相关因素的影响，如地下水的水位高度，此因素对地层变形的影响体现在以上的两个参数中。在得到以上参数的基础上可以通过式(2)计算土体中隧道起拱线上方任意一点(y,z)处的沉降uizz。其中坐标系统的原点在地面线与隧道竖向对称线的交点处，地面线，即地表线为横坐标轴，隧道竖向对称线为纵坐标轴；其中，y为横坐标，z为纵坐标。水平向右为横坐标轴的正方向，竖直向下为纵坐标轴的正方向，参见图2。
Figure BDA0002700700480000091
式(2)中，uizz是如果以第i层土体为基础构建成为一个纯的单一地层的情况下，地层在纵坐标z处的沿着纵坐标z方向上的位移，即沉降。uizz只是说明当现在研究的土体系统只存在一种土体i时，纵坐标z处的沉降计算方法，在后面的计算中并没有用到uizz，uizz只是为了说明现有的PECK公式的计算方式。所述纵坐标所处的坐标系统是以地表线与隧道竖向对称线的交点为原点，以地表线为横坐标轴，以隧道竖向对称线为纵坐标轴的坐标系；由于该坐标系统是对土体建立的坐标系统，各层土体均位于地表线以下、隧道起拱线以上，因此纵坐标z均位于地表线以下、隧道起拱线以上，纵坐标z代表了土体深度，沿纵坐标轴正方向，纵坐标z逐渐增大，土体深度逐渐增大。其中，纵坐标轴正方向与土体深度逐渐增大的方向一致。
步骤104：根据所述隧道轴线埋深、所述各层土体的厚度和所述沉降槽系数计算复合成层地层中各层土体在纵坐标处的沉降槽宽度系数。
该步骤104具体公式为：
Figure BDA0002700700480000092
式(3)中，Kcz表示复合成层地层中各层土体在纵坐标z处的沉降槽宽度系数；η1表示地层中隧道起拱线以上的第1层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，K10表示第1层土体在地表处的沉降槽宽度系数，H表示隧道轴线埋深，ηj表示第j层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，1≤j≤m，m为待计算土体所在层的编号，hj表示第j层土体的厚度，Kj0表示第j层土体在地表处的沉降槽宽度系数，ηm表示第m层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，Km0表示第m层土体在地表处的沉降槽宽度系数，m+1表示第m+1层土体。
式(3)是根据土体自下而上塌落的特点及叠加原理，依据每层土体的厚度及相对于隧道起拱线的位置对沉降槽系数进行组合得到复合成层地层中纵坐标处的沉降槽宽度系数，即通过每层土体的厚度、埋置深度及每层土体的参数进行线性叠加而得到沉降槽宽度系数，其中自下而上第m层土体中的沉降槽宽度系数Kcz由式(3)表示。式(3)与现有的沉降槽宽度系数Kiz计算公式的区别在于将式(2)中单一地层的Kiz替换为复合成层地层的Kcz。因为Kcz综合了复合成层地层中每层土体的厚度及力学性质参数，因此根据Kcz可以预测复合成层地层变形。
步骤105：根据所述隧道轴线埋深、所述隧道开挖半径、所述隧道开挖后的地层损失率和所述纵坐标处的沉降槽宽度系数计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点处的沉降和水平位移。
该步骤105具体包括：
根据公式
Figure BDA0002700700480000101
计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点(y,z)处的沉降uczz；所述任意一点(y,z)位于所述坐标系统；其中，y为横坐标，z为纵坐标。
式中，VL表示隧道开挖后的地层损失率，R表示隧道开挖半径，Kcz表示复合成层地层中各层土体在纵坐标z处的沉降槽宽度系数，H表示隧道轴线埋深。
根据公式
Figure BDA0002700700480000102
计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点(y,z)处的水平位移ucyz。
步骤104是计算地层沉降与水平位移的关键一步，在求得地面以下z处的沉降槽宽度系数Kcz后，则可以求得复合成层地层中起拱线以上任意一点(y,z)处的沉降uczz，uczz是复合地层在纵坐标z处的沿着纵坐标z方向上，即沉降。根据土体位移矢量向心理论，可以求得隧道起拱线以上任意一点(y,z)处的水平位移ucyz。至此，所有流程完毕，图3为城市隧道施工影响下复合成层地层的变形预测方法流程示意图，参见图3，uczz和ucyz即要预测的目标值，uczz是复合地层在z深度处的沉降，ucyz是复合地层在z深度处的水平位移。
利用本实施例的城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法，对某城市隧道施工过程中，其施工影响下的复合成层地层的变形进行预测。在此基础上对本实施例城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法的有效性进行验证。该过程具体包括：
(1)场地查勘与地质勘察。根据场地查勘与地质勘察确定隧道的几何资料包含隧道轴线埋深H、隧道开挖半径R与隧道开挖后的地层损失率VL；确定地质钻孔资料包括位于隧道起拱线以上土体的分层情况，包括每层土体的土质情况、厚度及与起拱线的相对位置。某城市隧道全长4.45km，采用盾构法施工，盾构的开挖半径R为3.0m，预测变形横断面的隧道轴线埋深H为12.8m，根据公式(1)该断面的地层损失率VL为0.8％。地质钻孔资料显示，该工程中隧道起拱线以上土体由三种类型组合而成，自下而上分别为砂土(i＝1)、黏质粉土(i＝2)与黏土(i＝3)，三种土体的厚度分别为：h1＝2.8m，h2＝4.8m，h3＝5.2m，根据厚度情况可以计算每层土体的顶面与隧道起拱线的距离分别为：t1＝2.8m，t2＝7.6m，t3＝12.8m，如图2所示。
(2)确定复合成层地层中每一种土层的沉降槽系数。根据每层土体的土质情况确定该土体的沉降槽系数，具体包含地表沉降槽宽度系数Ki0和地层中的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数ηi。得到这两个系数的方法是结合工程经验及数值模拟方法。一方面，判断每层土体的土质情况，与工程积累资料进行比对；另一方面，采集场地土体样本做室内力学实验，测定每种土体的力学参数，其中力学参数包括弹性模量E、泊松比μ、粘聚力c及内摩擦角
Figure BDA0002700700480000111
采用数值软件进行隧道开挖模拟，导出不同深度处沉降槽形态并用Peck公式进行拟合。综合与工程积累资料的比对与数值模拟的结果，确定每层土体的沉降槽系数，包含地表沉降槽宽度系数Ki0和地层中的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数ηi。该工程中自下而上的系数分别为：砂土：η1＝0.5,K10＝0.25，黏质粉土：η2＝0.55,K20＝0.35，黏土：η3＝0.65,K30＝0.50。
(3)确定复合成层地层的沉降槽宽度系数。依据每层土体的厚度及相对于隧道起拱线的位置对沉降槽系数Ki0及ηi进行组合得到复合成层地层中纵坐标处的沉降槽宽度系数Kcz。在确定每层土体的沉降槽系数之后，根据公式(3)确定复合成层地层的沉降槽宽度系数Kcz。复合成层地层沉降槽宽度系数Kcz随着土体深度的变化规律如图4所示。图4中纵坐标z表示土体深度。
(4)计算复合成层地层的沉降与水平位移。根据Peck公式计算地层中不同深度处的沉降槽(沉降)与水平位移。在第(3)步确定了复合成层地层的沉降槽宽度系数Kcz之后，利用公式
Figure BDA0002700700480000121
和
Figure BDA0002700700480000122
则可计算出地层不同深度处的沉降槽及水平位移。选择z＝0，z＝5.2m，z＝8.0m及z＝9.6m四个深度计算沉降槽与水平位移，得到的结果如图5及图6所示。其中，图5为复合成层地层不同深度处的沉降槽示意图。图6为复合成层地层不同深度处的水平位移示意图。
图7为本发明城市隧道施工中复合成层地层的变形预测系统实施例的结构图。参见图7，该城市隧道施工中复合成层地层的变形预测系统包括：
隧道参数获取模块701，用于获取隧道轴线埋深、隧道开挖半径与隧道开挖后的地层损失率。
土体参数获取模块702，用于获取各层土体的厚度和各层土体的土质类型。
沉降槽系数确定模块703，用于根据所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；所述沉降槽系数包括各层土体在地表处的沉降槽宽度系数和地层中各层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数。
该沉降槽系数确定模块703具体包括：
第一沉降槽系数确定单元，用于当有地区经验时，根据所述地区经验和所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；所述地区经验为所述复合成层地层所在地区的各种土质类型分别对应的沉降槽系数；
判断单元，用于当没有地区经验时，判断隧道内是否存在地下水；
第二沉降槽系数确定单元，用于当判断单元的输出结果为隧道内存在地下水时，采用数值模拟方法，根据所述各层土体的土质类型、力学参数和地下水的水位高度确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数。
第三沉降槽系数确定单元，用于当判断单元的输出结果为隧道内不存在地下水时，采用数值模拟方法，根据所述各层土体的土质类型和力学参数确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数。
沉降槽宽度系数计算模块704，用于根据所述隧道轴线埋深、所述各层土体的厚度和所述沉降槽系数计算复合成层地层中各层土体在纵坐标处的沉降槽宽度系数。所述纵坐标所处的坐标系统是以地表线与隧道竖向对称线的交点为原点，以地表线为横坐标轴，以隧道竖向对称线为纵坐标轴的坐标系。
该沉降槽宽度系数计算模块704具体公式为：
Figure BDA0002700700480000131
式中，Kcz表示复合成层地层中各层土体在纵坐标z处的沉降槽宽度系数；η1表示地层中隧道起拱线以上的第1层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，K10表示第1层土体在地表处的沉降槽宽度系数，H表示隧道轴线埋深，ηj表示第j层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，1≤j≤m，m为待计算土体所在层的编号，hj表示第j层土体的厚度，Kj0表示第j层土体在地表处的沉降槽宽度系数，ηm表示第m层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，Km0表示第m层土体在地表处的沉降槽宽度系数，m+1表示第m+1层土体。
变形预测模块705，用于根据所述隧道轴线埋深、所述隧道开挖半径、所述隧道开挖后的地层损失率和所述纵坐标处的沉降槽宽度系数计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点处的沉降和水平位移。
该变形预测模块705具体包括：
沉降计算单元，用于根据公式
Figure BDA0002700700480000141
计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点(y,z)处的沉降uczz；所述任意一点(y,z)位于所述坐标系统；其中，y为横坐标，z为纵坐标。
式中，VL表示隧道开挖后的地层损失率，R表示隧道开挖半径，Kcz表示复合成层地层中各层土体在纵坐标z处的沉降槽宽度系数，H表示隧道轴线埋深。
水平位移计算单元，用于根据公式
Figure BDA0002700700480000142
计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点(y,z)处的水平位移ucyz。
本发明公开的城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法及系统，根据工程经验和数值软件计算的方法确定每一层土体的沉降槽宽度系数，然后通过叠加方法确定复合地层的沉降槽计算方法。具体为：首先根据钻孔资料提取隧道横断面的地层柱状图，然后预测当隧道在均值地层中的变形值，接着根据地层柱状图中每一层土体的厚度、与地表距离、力学性质对上一步预测的单一地层变形进行组合，即土层堆叠的时候，在土体任意深度，即对土体建立的坐标系统中纵坐标z处的沉降槽宽度系数是根据每层土的厚度、力学性质及埋置深度综合确定的，最终给出复合成层地层的变形预测方法，为城市隧道的灾变控制与安全施工提供理论支撑。
本发明基于现有最为实用的地层变形的预测方法Peck理论，将其推广到复合成层地层的变形预测中。现有应用最为广泛的Peck公式只能计算单一地层的变形，对于复合地层并不能计算，现有的沉降槽宽度系数仅是针对单一地层的，取值是根据工程经验。本发明将沉降槽宽度系数的计算方法进行了扩展，将原来Peck公式中沉降槽宽度系数进行了改进，使得改进后的Peck公式可以计算复合成层地层中任意深度处地层的沉降与水平位移。本发明针对复合成层地层，提升了预测的准确度，与实测数据更为吻合，且容易被设计及施工人员接受及使用，以对实际工程提供支持与参考，对于隧道的初步设计、施工过程中的风险控制与施工方案的优化设计至关重要，同时也有利于经济性的保证，避免浪费。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法，其特征在于，所述方法包括：
获取隧道轴线埋深、隧道开挖半径与隧道开挖后的地层损失率；
获取各层土体的厚度和各层土体的土质类型；
根据所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；所述沉降槽系数包括各层土体在地表处的沉降槽宽度系数和地层中各层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数；
根据所述隧道轴线埋深、所述各层土体的厚度和所述沉降槽系数计算复合成层地层中各层土体在纵坐标处的沉降槽宽度系数；所述纵坐标所处的坐标系统是以地表线与隧道竖向对称线的交点为原点，以地表线为横坐标轴，以隧道竖向对称线为纵坐标轴的坐标系；
根据所述隧道轴线埋深、所述隧道开挖半径、所述隧道开挖后的地层损失率和所述纵坐标处的沉降槽宽度系数计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点处的沉降和水平位移。
2.根据权利要求1所述的城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法，其特征在于，所述根据所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数，具体包括：
当有地区经验时，根据所述地区经验和所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；所述地区经验为所述复合成层地层所在地区的各种土质类型分别对应的沉降槽系数；
当没有地区经验时，判断隧道内是否存在地下水；
若是，则采用数值模拟方法，根据所述各层土体的土质类型、力学参数和地下水的水位高度确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；
若否，则采用数值模拟方法，根据所述各层土体的土质类型和力学参数确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数。
3.根据权利要求1所述的城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法，其特征在于，所述根据所述隧道轴线埋深、所述各层土体的厚度和所述沉降槽系数计算复合成层地层中各层土体在纵坐标处的沉降槽宽度系数，具体公式为：
Figure FDA0002700700470000021
式中，Kcz表示复合成层地层中各层土体在纵坐标z处的沉降槽宽度系数；η1表示地层中隧道起拱线以上的第1层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，K10表示第1层土体在地表处的沉降槽宽度系数，H表示隧道轴线埋深，ηj表示第j层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，1≤j≤m，m为待计算土体所在层的编号，hj表示第j层土体的厚度，Kj0表示第j层土体在地表处的沉降槽宽度系数，ηm表示第m层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，Km0表示第m层土体在地表处的沉降槽宽度系数，m+1表示第m+1层土体。
4.根据权利要求1所述的城市隧道施工中复合成层地层的变形预测方法，其特征在于，所述根据所述隧道轴线埋深、所述隧道开挖半径、所述隧道开挖后的地层损失率和所述纵坐标处的沉降槽宽度系数计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点处的沉降和水平位移，具体包括：
根据公式
Figure FDA0002700700470000022
计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点(y,z)处的沉降uczz；所述任意一点(y,z)位于所述坐标系统；其中，y为横坐标，z为纵坐标；
式中，VL表示隧道开挖后的地层损失率，R表示隧道开挖半径，Kcz表示复合成层地层中各层土体在纵坐标z处的沉降槽宽度系数，H表示隧道轴线埋深；
根据公式
Figure FDA0002700700470000023
计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点(y,z)处的水平位移ucyz。
5.一种城市隧道施工中复合成层地层的变形预测系统，其特征在于，所述系统包括：
隧道参数获取模块，用于获取隧道轴线埋深、隧道开挖半径与隧道开挖后的地层损失率；
土体参数获取模块，用于获取各层土体的厚度和各层土体的土质类型；
沉降槽系数确定模块，用于根据所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；所述沉降槽系数包括各层土体在地表处的沉降槽宽度系数和地层中各层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数；
沉降槽宽度系数计算模块，用于根据所述隧道轴线埋深、所述各层土体的厚度和所述沉降槽系数计算复合成层地层中各层土体在纵坐标处的沉降槽宽度系数；所述纵坐标所处的坐标系统是以地表线与隧道竖向对称线的交点为原点，以地表线为横坐标轴，以隧道竖向对称线为纵坐标轴的坐标系；
变形预测模块，用于根据所述隧道轴线埋深、所述隧道开挖半径、所述隧道开挖后的地层损失率和所述纵坐标处的沉降槽宽度系数计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点处的沉降和水平位移。
6.根据权利要求5所述的城市隧道施工中复合成层地层的变形预测系统，其特征在于，所述沉降槽系数确定模块具体包括：
第一沉降槽系数确定单元，用于当有地区经验时，根据所述地区经验和所述各层土体的土质类型确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；所述地区经验为所述复合成层地层所在地区的各种土质类型分别对应的沉降槽系数；
判断单元，用于当没有地区经验时，判断隧道内是否存在地下水；
第二沉降槽系数确定单元，用于当判断单元的输出结果为隧道内存在地下水时，采用数值模拟方法，根据所述各层土体的土质类型、力学参数和地下水的水位高度确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数；
第三沉降槽系数确定单元，用于当判断单元的输出结果为隧道内不存在地下水时，采用数值模拟方法，根据所述各层土体的土质类型和力学参数确定复合成层地层中各层土体的沉降槽系数。
7.根据权利要求5所述的城市隧道施工中复合成层地层的变形预测系统，其特征在于，所述沉降槽宽度系数计算模块具体公式为：
Figure FDA0002700700470000041
式中，Kcz表示复合成层地层中各层土体在纵坐标z处的沉降槽宽度系数；η1表示地层中隧道起拱线以上的第1层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，K10表示第1层土体在地表处的沉降槽宽度系数，H表示隧道轴线埋深，ηj表示第j层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，1≤j≤m，m为待计算土体所在层的编号，hj表示第j层土体的厚度，Kj0表示第j层土体在地表处的沉降槽宽度系数，ηm表示第m层土体的沉降槽宽度沿着深度方向的衰减系数，Km0表示第m层土体在地表处的沉降槽宽度系数，m+1表示第m+1层土体。
8.根据权利要求5所述的城市隧道施工中复合成层地层的变形预测系统，其特征在于，所述变形预测模块具体包括：
沉降计算单元，用于根据公式
Figure FDA0002700700470000042
计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点(y,z)处的沉降uczz；所述任意一点(y,z)位于所述坐标系统；其中，y为横坐标，z为纵坐标；
式中，VL表示隧道开挖后的地层损失率，R表示隧道开挖半径，Kcz表示复合成层地层中各层土体在纵坐标z处的沉降槽宽度系数，H表示隧道轴线埋深；
水平位移计算单元，用于根据公式
Figure FDA0002700700470000043
计算复合成层地层中各层土体在地表以下、隧道起拱线以上任意一点(y,z)处的水平位移ucyz。
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