CN112257154B - 一种城市隧道透明施工监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种城市隧道透明施工监测方法及系统。该方法包括：根据建筑结构体类型以及建筑结构体损伤程度确定变形控制标准；根地层类型以及地层缺陷构建施工预测模型，并确定基本施工参数；将施工工程分解为多个施工步骤，对每个施工步骤进行建筑结构体变形监控，确定变形监测值；将变形控制标准划分为多个变形控制标准增量；判断在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态是否为安全状态，若是，基于所述施工预测模型，根据当前施工步骤下的变形监测值以及变形控制标准增量确定更新后的基本施工参数；若否，调整所述基本施工参数，直至在当前施工步骤下建筑结构体的当前状态为安全状态。本发明能够实现城市隧道透明施工监测及自动调整施工参数。
Description
技术领域
本发明涉及城市隧道透明施工监测领域，特别是涉及一种城市隧道透明施工监测方法及系统。
背景技术
我国城市轨道交通发展迅猛，截止到2019年底，我国已有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安全性控制，如何保证施工过程中地层及环境结构的安全尤为重要。目前有研究提出了一种城市地下工程施工安全风险动态控制方法，将施工过程的安全性控制分为五个步骤，分别为：既有结构的现状评估及安全性评价、施工影响预测及施工方案确定、过程控制方案的制定和实施、监控量测与信息反馈及工后评估及结构状态恢复。该方法实现了地下工程施工安全风险控制的规范化，但未实现施工过程的精细化自动控制。此外，还有研究提出盾构隧道的微扰动施工技术及微沉降施工技术，此两技术强调施工过程反馈及参数调整，但也未实现施工参数的自动建议及施工过程的自动控制，即未能实现过程预测、动态调整及自动化控制。
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，土体的变形响应将会诱发赋存在土体中既有环境结构变形甚至破坏，如何保证隧道施工过程中地层及环境结构的安全至关重要。而现有的技术中，施工之前无法进行准确预测，施工过程的控制经验化、主观化，对施工参数的选择及调整是盲目的，不能实现依据监测数据及时、动态的反馈并给出施工参数的合理建议值，更不能实现施工参数的自动化设定及控制。
因此，现有的城市隧道建设控制理论及方法虽然强调施工过程中的监控量测的重要性，仅通过监控量测的数据判断施工的安全与否，若安全则继续施工，若不安全则改变施工措施量值及程度以保证安全，改变的程度是主观的、滞后的、盲目的，不能有效的利用监控量测信息的反馈为施工参数的调整提供有效建议，更不能实现自动过程控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种城市隧道透明施工监测方法及系统，以解决现有的城市隧道建设控制理论及方法无法有效的利用监控量测信息的反馈为施工参数的调整提供有效建议，且无法实现自动过程控制的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种城市隧道透明施工监测方法，包括：
获取地层类型、地层缺陷、建筑结构体类型以及建筑结构体损伤程度；所述地层类型包括复合成层地层、富水软弱地层以及复杂山地地层；
根据所述建筑结构体类型以及建筑结构体损伤程度确定变形控制标准；
基于所述变形控制标准，根据不同的所述地层类型以及所述地层缺陷构建施工预测模型，并根据所述施工预测模型确定基本施工参数；所述基本施工参数为切口压力以及注浆量，或者所述基本施工参数为喷射混凝土刚度以及厚度；
根据所述基本施工参数进行施工工程，并将所述施工工程分解为多个施工步骤，对每个所述施工步骤进行建筑结构体变形监控，确定每个所述施工步骤的变形监测值；
将所述变形控制标准划分为多个变形控制标准增量；一个所述变形控制标准增量对应一个所述施工步骤；
按照所述施工步骤在所述施工工程的顺序，根据每个所述施工步骤的所述变形监测值以及所述变形控制标准增量判断在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态是否为安全状态，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示为在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态为安全状态，基于所述施工预测模型，根据当前施工步骤下的变形监测值以及变形控制标准增量确定更新后的基本施工参数；所述更新后的基本施工参数用于对下一步施工步骤进行施工；
若所述第一判断结果表示为在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态不为安全状态，调整所述基本施工参数，直至在当前施工步骤下建筑结构体的当前状态为安全状态。
可选的，所述基于所述施工预测模型，根据当前施工步骤下的变形监测值以及变形控制标准增量确定更新后的基本施工参数，具体包括：
根据所述施工预测模型预测首个所述施工步骤内建筑结构体的变形预测值；
根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值更新所述施工预测模型，确定更新后的施工预测模型；所述更新后的施工预测模型用于预测下一步施工步骤内建筑结构体的变形预测值；
根据下一步施工步骤内建筑结构体的变形预测值以及下一步施工步骤对应的变形控制标准增量更新所述基本施工参数，确定更新后的基本施工参数；所述更新后的基本施工参数用于对下一步施工步骤进行施工。
可选的，所述根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值更新所述施工预测模型，确定更新后的施工预测模型，具体包括：
根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值，利用最小二乘理论对所述施工预测模型进行更新，确定更新后的施工预测模型。
可选的，所述基于所述施工预测模型，根据当前施工步骤下的变形监测值以及变形控制标准增量确定更新后的基本施工参数，之后还包括：
判断所有施工步骤是否完成，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果表示为所有施工步骤完成，确定施工结束；
若所述第二判断结果表示为所有施工步骤未完成，根据所述更新后的基本施工参数对下一步施工步骤进行施工，直至所有施工步骤完成。
可选的，所述确定施工结束，之后还包括：
根据所述建筑结构体的变形情况对所述建筑结构体的服役状态进行评估，并对所述服役状态进行分级，确定服役状态等级；
根据所述服役状态等级制定监测方案；
基于所述监测方案，当所述服役状态等级为服役状态待修复时，采用补偿恢复手段对所述建筑结构体进行修复；所述补偿恢复手段包括注浆回填以及结构置换。
一种城市隧道透明施工监测系统，包括：
参数获取模块，用于获取地层类型、地层缺陷、建筑结构体类型以及建筑结构体损伤程度；所述地层类型包括复合成层地层、富水软弱地层以及复杂山地地层；
变形控制标准确定模块，用于根据所述建筑结构体类型以及建筑结构体损伤程度确定变形控制标准；
基本施工参数确定模块，用于基于所述变形控制标准，根据不同的所述地层类型以及所述地层缺陷构建施工预测模型，并根据所述施工预测模型确定基本施工参数；所述基本施工参数为切口压力以及注浆量，或者所述基本施工参数为喷射混凝土刚度以及厚度；
变形监测值确定模块，用于根据所述基本施工参数进行施工工程，并将所述施工工程分解为多个施工步骤，对每个所述施工步骤进行建筑结构体变形监控，确定每个所述施工步骤的变形监测值；
变形控制标准增量确定模块，用于将所述变形控制标准划分为多个变形控制标准增量；一个所述变形控制标准增量对应一个所述施工步骤；
第一判断模块，用于按照所述施工步骤在所述施工工程的顺序，根据每个所述施工步骤的所述变形监测值以及所述变形控制标准增量判断在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态是否为安全状态，得到第一判断结果；
基本施工参数更新模块，用于若所述第一判断结果表示为在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态为安全状态，基于所述施工预测模型，根据当前施工步骤下的变形监测值以及变形控制标准增量确定更新后的基本施工参数；所述更新后的基本施工参数用于对下一步施工步骤进行施工；
基本施工参数调整模块，用于若所述第一判断结果表示为在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态不为安全状态，调整所述基本施工参数，直至在当前施工步骤下建筑结构体的当前状态为安全状态。
可选的，所述基本施工参数更新模块，具体包括：
变形预测值确定单元，用于根据所述施工预测模型预测首个所述施工步骤内建筑结构体的变形预测值；
施工预测模型更新单元，用于根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值更新所述施工预测模型，确定更新后的施工预测模型；所述更新后的施工预测模型用于预测下一步施工步骤内建筑结构体的变形预测值；
基本施工参数更新单元，用于根据下一步施工步骤内建筑结构体的变形预测值以及下一步施工步骤对应的变形控制标准增量更新所述基本施工参数，确定更新后的基本施工参数；所述更新后的基本施工参数用于对下一步施工步骤进行施工。
可选的，所述施工预测模型更新单元，具体包括：
施工预测模型更新子单元，用于根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值，利用最小二乘理论对所述施工预测模型进行更新，确定更新后的施工预测模型。
可选的，还包括：
第二判断模块，用于判断所有施工步骤是否完成，得到第二判断结果；
施工结束确定模块，用于若所述第二判断结果表示为所有施工步骤完成，确定施工结束；
下一步施工步骤施工模块，用于若所述第二判断结果表示为所有施工步骤未完成，根据所述更新后的基本施工参数对下一步施工步骤进行施工，直至所有施工步骤完成。
可选的，还包括：
服役状态等级确定模块，用于根据所述建筑结构体的变形情况对所述建筑结构体的服役状态进行评估，并对所述服役状态进行分级，确定服役状态等级；
监测方案制定模块，用于根据所述服役状态等级制定监测方案；
修复模块，用于基于所述监测方案，当所述服役状态等级为服役状态待修复时，采用补偿恢复手段对所述建筑结构体进行修复；所述补偿恢复手段包括注浆回填以及结构置换。
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：本发明提供了一种城市隧道透明施工监测方法及系统，在施工过程中基本施工参数的制定及动态调整是基于实测数据的，非主观的调整方式，提高了施工监测精度且更进一步保障了施工安全，同时可以实现由基本施工参数调整带来的自动控制，使得控制过程更加的自动化、精准化与精细化。
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为本发明所提供的城市隧道透明施工监测方法流程图；
图2为本发明所提供的另一种城市隧道透明施工监测方法流程图；
图3为本发明所提供的施工过程中环境效应的自动控制示意图；
图4为本发明所提供的城市隧道透明施工监测系统结构图。
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透明施工监测方法及系统，能够提高施工监测精度且更进一步保障施工安全，实现由基本施工参数调整带来的自动控制，使得控制过程更加的自动化、精准化与精细化。
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。
本发明以变形标准确定、变形响应预测、变形响应监测和变形过程控制为基础，藉助数字化、信息化及可视化手段，在施工过程中滚动修正变形预测模型、反馈控制模型及施工参数，最终实现地层参数的透明化、工程响应的透明化、安全效应的透明化及及施工参数的透明化。透明施工技术弥补了当前城市隧道施工控制经验化和滞后性的不足，统一了控制流程，可实现工程响应的精细化自动过程控制，为城市隧道的安全施工提供切实保障。
图1为本发明所提供的城市隧道透明施工监测方法流程图，如图1所示，一种城市隧道透明施工监测方法，包括：
步骤101：获取地层类型、地层缺陷、建筑结构体类型以及建筑结构体损伤程度；所述地层类型包括复合成层地层、富水软弱地层以及复杂山地地层。
步骤102：根据所述建筑结构体类型以及建筑结构体损伤程度确定变形控制标准。
步骤103：基于所述变形控制标准，根据不同的所述地层类型以及所述地层缺陷构建施工预测模型，并根据所述施工预测模型确定基本施工参数；所述基本施工参数为切口压力以及注浆量，或者所述基本施工参数为喷射混凝土刚度以及厚度。
步骤104：根据所述基本施工参数进行施工工程，并将所述施工工程分解为多个施工步骤，对每个所述施工步骤进行建筑结构体变形监控，确定每个所述施工步骤的变形监测值。
步骤105：将所述变形控制标准划分为多个变形控制标准增量；一个所述变形控制标准增量对应一个所述施工步骤。
步骤106：按照所述施工步骤在所述施工工程的顺序，根据每个所述施工步骤的所述变形监测值以及所述变形控制标准增量判断在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态是否为安全状态，若是，执行步骤107，若否，执行步骤108。
步骤107：基于所述施工预测模型，根据当前施工步骤下的变形监测值以及变形控制标准增量确定更新后的基本施工参数；所述更新后的基本施工参数用于对下一步施工步骤进行施工。
所述步骤107具体包括：根据所述施工预测模型预测首个所述施工步骤内建筑结构体的变形预测值；根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值更新所述施工预测模型，确定更新后的施工预测模型；所述更新后的施工预测模型用于预测下一步施工步骤内建筑结构体的变形预测值；根据下一步施工步骤内建筑结构体的变形预测值以及下一步施工步骤对应的变形控制标准增量更新所述基本施工参数，确定更新后的基本施工参数；所述更新后的基本施工参数用于对下一步施工步骤进行施工。
所述根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值更新所述施工预测模型，确定更新后的施工预测模型，具体包括：根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值，利用最小二乘理论对所述施工预测模型进行更新，确定更新后的施工预测模型。
所述基于所述施工预测模型，根据当前施工步骤下的变形监测值以及变形控制标准增量确定更新后的基本施工参数，之后还包括：判断所有施工步骤是否完成，若是，确定施工结束；若否，根据所述更新后的基本施工参数对下一步施工步骤进行施工，直至所有施工步骤完成。
所述确定施工结束，之后还包括：根据所述建筑结构体的变形情况对所述建筑结构体的服役状态进行评估，并对所述服役状态进行分级，确定服役状态等级；根据所述服役状态等级制定监测方案；基于所述监测方案，当所述服役状态等级为服役状态待修复时，采用补偿恢复手段对所述建筑结构体进行修复；所述补偿恢复手段包括注浆回填以及结构置换。
步骤108：调整所述基本施工参数，直至在当前施工步骤下建筑结构体的当前状态为安全状态。
基于本发明所提供的城市隧道透明施工监测方法，本发明可用以下四个步骤表示，图2为本发明所提供的另一种城市隧道透明施工监测方法流程图，如图2所示。
步骤一、施工前基本施工参数的预制定：
基于现有的水文地质资料(水文资料、地质资料)、隧道几何资料(隧道的跨度及埋深)及环境资料(环境结构的类型、相对位置及现状情况)，选定合适的施工方法，如浅埋暗挖法或者盾构法，结合分类的地层条件(基本可以分成三类类型：分别为复合成层地层、富水软弱地层、复杂山地地层三类)以及相应地层的关注的不同性质和作用、结合每种地层中包含的一定地层缺陷，所述地层缺陷主要就是地层中存在原始的空洞，具体的参数包括控制的位置、形状及埋置深度等，将空洞的相关参数与每种地层的参数相结合协同建模，然后确定适合于每种地层的施工参数。
所述相应地层关注的复合成层地层要考虑地层的分层性，建模过程中应输入每层土体的厚度，每层土体的埋置深度与力学参数；富水软弱地层要考虑地层中水的渗流作用及对土体力学参数的折减作用，建模过程中应输入地下水的水位高度；复杂山地地层要考虑岩石与土体的堆叠及相互作用，建模过程中应着重选择土体与岩石的接触面力学模型。
接着采用大型数值模拟软件(可以采用FLAC3D、MIDAS GTS、ABAQUS或ANSYS)模拟隧道的整个施工过程。
当地层缺陷存在时，建模时要输入缺陷的类型、位置与尺寸参数与力学性质参数。
建模完成后模拟施工对地层及环境结构的变形情况，给出不同施工参数(包括防护措施)组合情况下地层及结构物的变形响应。在满足变形控制标准Li的前提下，选定一组最优施工参数作为基本施工参数。
选择最优施工参数的标准是：施工中有很多类的施工参数，可能存在很多组施工参数，每一组施工参数都可以使得采用该施工参数时，地层产生的变形都小于变形控制标准增量Li，在这种情况下选择一组参数使得综合经济代价最小化，这即是一组最优基本施工参数。
若采用浅埋暗挖法施工，施工参数主要包括开挖进尺、喷射混凝土的标号及厚度、钢拱架的刚度等；若采用盾构法施工，施工参数主要包括盾构机千斤顶推力、掘进速度、刀盘扭矩、刀盘转速、注浆压力、切口压力与注浆量等。防护措施通常包括竖向隔离桩、竖向隔离墙、水平旋喷桩等。
步骤二、既有环境结构控制标准的确定：
采用四步法确定变形控制标准。
1)首先采用大型数值模拟软件(可以采用FLAC3D、MIDAS GTS、ABAQUS或ANSYS)模拟隧道的施工过程，对地层的变形响应进行分析。
2)其次将不同的变形模式的地层变形施加到既有结构(既有结构包含地面结构如路基结构及建筑物浅基础、地下结构如地铁结构、地下管线及桩基结构等)对其响应进行分析，包括最大变形量及变形分布模式，得到结构破坏时的最大位置及应力值，找到应力达到破坏状态时的结构变形作为初步控制标准[LTotal]。
3)为初步控制标准进行折减，包括既有变形折减、结构劣化损伤折减及安全性折减。因实际情况下结构物已经发生了一定的变形，采用量测手段计算结构已经发生的变形[LExsiting]，即结构当前的变形情况与刚服役时结构的变形情况的差值。
4)接着对结构的现状进行评估，考虑混凝土的劣化损伤程度，计算损伤劣化系数为χ，此系数综合考虑了混凝土材料的劣化损伤情况，即对其安全状态进行折减，计算的方法可参考混凝土碳化程度、结构裂缝开展程度等。考虑安全程度，给定安全系数ω，此安全系数可以人为拟定，通常为1-2。最终结构的变形控制标准L＝[LRemaining]＝χ([LTotal]-[LExsiting])/ω。在得到变形控制标准L的基础上，采用数值模拟的方法模拟整个施工过程，将总的变形控制标准L分解到每个施工步骤中得到变形控制标准增量Li，分解步数总共为n，即根据每个施工步骤所产生的变形占最终稳定变形的比例进行逐步分配，此分步标准将作为施工过程的控制阈值。
步骤三、施工过程中环境效应的自动控制。此部分为本发明的核心部分，即通过自动控制的理论实现施工过程环境效应的安全控制。
①运用步骤二的选择建立的施工参数进行施工过程，将整个施工过程分解为n个单独的施工小步，对每单独施工小步进行结构物变形监控量测，i为控制步的编号，当i＝1时，开始施工，施工步骤进行的同时进行第i步的对结构物重点部位变形的监控量测，量测方法可采用人工及自动化采集的形式进行，要保证监测数据采集的准确性与及时性，第i步监测的变形监测值为Si。
②根据预测模型参数、施工参数等预测方法建立预测模型对每步单独小步的地层及结构物的变形量进行预测，通过比较单独每步的预测值与步骤①中的监测值，根据施工过程对相应预测模型不断进行修正的，确定单独每步对应的最优预测模型，以提升预测的准确性。根据最优预测模型，在原来基本施工参数基础上，将原来的施工参输入到最优预测模型，对下一步的地层变形进行预测，判断下一步预测值是否小于相应变形控制增量，对步骤一设置的施工参数进行调整，进行下一步施工。
最开始有个初始的预测模型，根据先前制定的基本施工参数，将施工参数输入到预测模型中进行预测，得到第1个预测值；另外一方面进行1个施工步骤，施工结束后得到第1个监测值。将得到的监测值与预测值进行一个计算，即：利用第i步反分析求取预测模型系数min((Fi-Si)/Si)2修正预测模型，这是一个最优化过程，最优化的结果就是将初始预测模型中的模型参数进行修正，模型的参数包括：土体力学参数、预测公式的相关系数，所以模型参数是预测模型的系统参数；而施工参数是输入参数。
当修正完得到新的预测模型后，在原来基本施工参数的基础上选择多组施工参数，在满足下一步施工产生的地层变形预测值小于变形控制标准增量的要求下，选择一组进行新的参数开始下一步施工。其中，首先进行第一次预测，即选择防护措施后的预测，并进行随同监测，将监测数据与控制标准进行比较，给出结构的安全状态，当结构的实测沉降增量大于控制标准增量时，则显示结构处于局部不安全状态，如果对于累计沉降小于累计控制标准时，则显示结构处于整体安全状态。其次，根据监测数据的反馈对预测模型进行修正，包括修正了地层参数及模型的计算参数，即得到新的预测模型，然后进行第二次预测。接着，以新修正的预测模型为基础，在保证下一步的预测累计值小于下一步的累计控制标准时，选择最优的施工参数值，并将优选的施工参数替换上一环节制定的基本施工参数，通过信息化的手段将此建议值传送到盾构的控制系统中，自动设置新的施工参数以进行下一步施工，由此进行循环施工，直至结束。
采用数值仿真等方法对第i步时地层及结构物的变形增量进行预测得到变形预测值Fi，预测方法中有两类参数包括预测模型参数(细分为地层参数及模型参数)、施工参数，第i步施工时，因施工参数是输入的(确定值)，将预测值Fi与上述步骤①变形监测值Si进行比较，通过最小二乘理论可以修正预测模型参数，即通过min((Fi-Si)/Si)2修正预测模型，通过修正得到新的预测模型参数，即构建了第i步的修正模型Fi *。
当修正完得到新的预测模型后，在原来基本施工参数的基础上选择多组施工参数，在满足下一步施工产生的地层变形预测值小于变形控制标准增量的要求下，选择一组进行新的参数开始下一步施工。
最小二乘理论中，通过不断调整预测模型中的系数使得预测值与监测值之间的相对误差最小，即不断逼近监测值(可采用退火算法、遗传算法等)，此时的预测模型系数是最优的。
根据单独小步的监测值与步骤二建立的相应控制标准比较，或者判断累积监测量与累积控制标准的关系，判断目前结构是否安全。另外，将第i步施工的监测值Si与第i步的控制标准Li进行比较，若Si≤Li，则说明第i步的变形监测值在控制标准以内，结构是安全的；若Si≤Li不成立，则说明第i步的变形监测值超出第i步的变形监测值，但同时成立，则说明截止到第i步的变形累计量在累积控制标准以内，以整体目标来看，结构依然是安全的。
若Si≤Li及两个条件均不成立，则说明从局部标准及整体标准来看，结构的实测变形均超过控制标准，处于不安全状态。则必须要调整施工参数保证下一步施工步骤完成后，累计变形被限制在累计控制标准之中，即/>如果满足这个条件，则令i＝i+1进行下一轮流程，如果不满足条件则继续调整施工参数直到满足此条件。
根据上面安全结果，判断施工是否完成，若未完成，进行下一单独小步控制参数调整，调整完成后，选用调整完成的参数进行施工，直至施工结束。令i＝i+1，若i≤n，则说明施工未结束，需要继续过程控制，否则施工结束。所述n为施工步骤，一共施工了n步，然后结束施工。
下一步控制参数调整过程为：当i≤n成立时，仍然需要反馈并调整下一步的施工参数(包括主要的施工参数，如盾构施工中的切口压力、注浆量等；浅埋暗挖法中的喷射混凝土刚度及厚度等。)以保证新的变形监测值在下一步的控制标准以内，即保证其中预测模型采用前一步得到的修正模型/>其中模型参数已定，输入参数为施工参数，采用迭代方法求取最合适的施工参数组合以满足此条件，如果满足这个条件则开始第i步的施工，如果不满足则继续调整施工参数直至满足此条件。
特别说明的是，此施工过程中监测数据是自动采集并及时上传的，预测模型跟随掘进过程滚动修正，并对下一步的变形监测值进行预测，当即将采取的施工参数可以保证结构的变形在控制标准之内时，则选择此施工参数并自动发送到施工人员处或者是盾构机的控制系统中实现自动化控制。
实测数据的及时采集与上传，其与控制标准的对比即可随时明确环境结构的安全状态，即结构的安全状态信息的透明的；采用复杂城市地层的预测方法预测地层变形，在未施工之前就可预知结构的工程响应，即实现了工程响应的透明化；基于实测数据对预测方法及时修正，修正的结果包括两个方面，一是地层参数得到了更新，使得其数值更加符合实际情况，即地层参数的的透明化，二是预测方法中预测模型中的待定系数得到了更新修正，再以此修正模型反馈施工参数，进一步更新基本施工参数，即施工参数的透明化。总结而言，透明施工技术就是要实现工程响应、安全效应、施工参数与地层参数的透明化。
步骤四、施工后结构的服役状态评估及补偿恢复。
随着施工步骤的推进，当i≤n不成立时，则施工过程结束。施工过程结束后，应对环境结构的服役状态进行再评估，包括变形状态、应力状态等，对服役状态进行分级，服役状态的分级主要根据结构的变形情况，其次制定远期的监测方案，当服役状态需要修复时，则采取补偿恢复手段对结构进行恢复以实现原有正常功能，补偿恢复手段通常为注浆回填与结构置换。
下面以具体数值为例阐述本发明的技术方案：
步骤一、既有环境结构控制标准的确定。某城市隧道全长4.45km，采用盾构法施工，盾构的开挖直径为12.64m，盾构机长度为13.3m，管片外径为12.2m，管片内径为11.1m，管片纵向长度为2m。盾构穿越的地层条件自上而下依次为人工填土、粉土、粉质粘土、卵石与粉砂，盾构在某段下穿既有地铁区间结构，穿越段盾构隧道上半断面处于卵石土中，下部断面的少部分处于粉质黏土和粉砂土中，既有地铁结构位于粉质黏土中，新建隧道拱顶与既有地铁区间结构的间距为6.5m，此地层为典型的复合成层地层，无地层缺陷存在。根据控制标准的四步法确定总的沉降控制标准[LTotal]＝5.0mm，采用量测手段计算结构已经发生的变形[LExsiting]＝0.5mm，接着对结构的现状进行评估，考虑混凝土的劣化损伤程度，计算损伤劣化系数χ＝0.85，给定安全系数ω＝1.275，则最终结构的控制标准L＝χ([LTotal]-[LExsiting])/ω＝3mm。采用数值模拟方法模拟整个施工过程，根据施工过程结构的沉降变化特点，将结构的最终控制标准分解到4个施工步骤中，即i＝4。第1阶段为盾构刀盘到达既有结构之前，第2阶段为盾构机身穿越既有结构，第3阶段为盾尾同步注浆处到达既有结构处，第4阶段为盾构远离既有结构后，分别命名为超前沉降阶段、过程沉降阶段、注浆沉降阶段与稳定沉降阶段。根据模拟结果，可以得到L1＝0.5mm，L2＝1.5mm，L3＝0.75mm，L4＝0.25mm。
步骤二、施工前基本施工参数的预制定。根据隧道穿越的土质情况、隧道的几何参数、既有地铁结构的几何参数等，通过数值软件对盾构穿越地铁结构的整个过程进行模拟，在确保结构变形小于变形控制标准Li的前提下，选定一组最优施工参数作为基本施工参数，包括盾构的掘进参数和防护措施参数。盾构的掘进参数包括盾构机千斤顶推力、刀盘扭矩、刀盘转速、切口压力、注浆压力及注浆量等，本工程属于近距离穿越，因此选择在新建隧道与既有地铁结构间施工多层小导管注浆防护措施以保证结构的沉降在控制标准以内。
步骤三、施工过程中环境效应的自动控制。图3为本发明所提供的施工过程中环境效应的自动控制示意图，如图3所示，其中，①②③④为施工过程中对于变形的预测次数，相当于在掘进过程中预测了4次，本工程示例中i＝4，i从1到4依次代表超前沉降阶段、过程沉降阶段、注浆沉降阶段与稳定沉降阶段。在盾构掘进之前，未施工防护措施时，通过预测分析发现最大沉降接近3.5mm，因此超过了控制标准，在选择防护措施之后，预测的最大沉降为1.8mm，小于作为累计控制标准的3mm，因此是安全合理的。然后开始施工过程，首先进行第一次预测(亦即选择防护措施后的预测)，并进行随同监测，将监测数据与控制标准进行比较，给出结构的安全状态，当结构的实测沉降增量大于控制标准增量时，则显示结构处于局部不安全状态，如果对于累计沉降小于累计控制标准时，则显示结构处于整体安全状态。其次，根据监测数据的反馈对预测模型进行修正，包括修正了地层参数及模型的计算参数，即得到新的预测模型，然后进行第二次预测。接着，以新修正的预测模型为基础，在保证下一步的预测累计值小于下一步的累计控制标准时，选择最优的施工参数值，并将优选的施工参数替换上一环节制定的基本施工参数，通过信息化的手段将此建议值传送到盾构的控制系统中，自动设置新的施工参数以进行下一步施工，由此进行循环施工，直至结束。
步骤四、施工后结构的服役状态评估及补偿恢复。盾构穿越既有地铁区间结构之后，实测数据显示最大沉降为2.4mm，满足3mm的控制标准，因此不需要补偿手段对其进行进一步恢复。通过对结构服役状态的评估发现，结构的服役状态良好，盾构施工对其的影响很小，同时也对结构的长期变形进行监测，制定结构的远期监测方案，当出现服役状态发生改变时，随时采取相应措施。
图4为本发明所提供的城市隧道透明施工监测系统结构图，如图4所示，一种城市隧道透明施工监测系统，包括：
参数获取模块401，用于获取地层类型、地层缺陷、建筑结构体类型以及建筑结构体损伤程度；所述地层类型包括复合成层地层、富水软弱地层以及复杂山地地层。
变形控制标准确定模块402，用于根据所述建筑结构体类型以及建筑结构体损伤程度确定变形控制标准。
基本施工参数确定模块403，用于基于所述变形控制标准，根据不同的所述地层类型以及所述地层缺陷构建施工预测模型，并根据所述施工预测模型确定基本施工参数；所述基本施工参数为切口压力以及注浆量，或者所述基本施工参数为喷射混凝土刚度以及厚度。
变形监测值确定模块404，用于根据所述基本施工参数进行施工工程，并将所述施工工程分解为多个施工步骤，对每个所述施工步骤进行建筑结构体变形监控，确定每个所述施工步骤的变形监测值。
变形控制标准增量确定模块405，用于将所述变形控制标准划分为多个变形控制标准增量；一个所述变形控制标准增量对应一个所述施工步骤。
第一判断模块406，用于按照所述施工步骤在所述施工工程的顺序，根据每个所述施工步骤的所述变形监测值以及所述变形控制标准增量判断在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态是否为安全状态，得到第一判断结果。
基本施工参数更新模块407，用于若所述第一判断结果表示为在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态为安全状态，基于所述施工预测模型，根据当前施工步骤下的变形监测值以及变形控制标准增量确定更新后的基本施工参数；所述更新后的基本施工参数用于对下一步施工步骤进行施工。
所述基本施工参数更新模块407，具体包括：变形预测值确定单元，用于根据所述施工预测模型预测首个所述施工步骤内建筑结构体的变形预测值；施工预测模型更新单元，用于根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值更新所述施工预测模型，确定更新后的施工预测模型；所述更新后的施工预测模型用于预测下一步施工步骤内建筑结构体的变形预测值；基本施工参数更新单元，用于根据下一步施工步骤内建筑结构体的变形预测值以及下一步施工步骤对应的变形控制标准增量更新所述基本施工参数，确定更新后的基本施工参数；所述更新后的基本施工参数用于对下一步施工步骤进行施工。
所述施工预测模型更新单元，具体包括：施工预测模型更新子单元，用于根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值，利用最小二乘理论对所述施工预测模型进行更新，确定更新后的施工预测模型。
基本施工参数调整模块408，用于若所述第一判断结果表示为在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态不为安全状态，调整所述基本施工参数，直至在当前施工步骤下建筑结构体的当前状态为安全状态。
在实际应用中，本发明还包括：第二判断模块，用于判断所有施工步骤是否完成，得到第二判断结果；施工结束确定模块，用于若所述第二判断结果表示为所有施工步骤完成，确定施工结束；下一步施工步骤施工模块，用于若所述第二判断结果表示为所有施工步骤未完成，根据所述更新后的基本施工参数对下一步施工步骤进行施工，直至所有施工步骤完成。
在实际应用中，本发明还包括：服役状态等级确定模块，用于根据所述建筑结构体的变形情况对所述建筑结构体的服役状态进行评估，并对所述服役状态进行分级，确定服役状态等级；监测方案制定模块，用于根据所述服役状态等级制定监测方案；修复模块，用于基于所述监测方案，当所述服役状态等级为服役状态待修复时，采用补偿恢复手段对所述建筑结构体进行修复；所述补偿恢复手段包括注浆回填以及结构置换。
本发明所提供的透明施工技术中的变形预测方法中首次将地层类型分为复合成层地层、富水软弱地层及复杂山地地层三大类，每种地层中可包含地层缺陷，即地层空洞及结构物，三类地层与地层缺陷的复合构成复杂城市地层。复杂城市地层的工程响应在预测过程中，应重点关注该地层的特点，如复合成层地层要考虑地层的分层性，建模过程中应输入每层土体的厚度，每层土体的埋置深度与力学参数；富水软弱地层要考虑地层中水的渗流作用及对土体力学参数的折减作用，建模过程中应输入地下水的水位高度；复杂山地地层要考虑岩石与土体的堆叠及相互作用，建模过程中应着重选择土体与岩石的接触面力学模型。当地层缺陷存在时，建模时要输入缺陷的类型、位置与尺寸参数与力学性质参数。
本发明所提供的透明施工技术中的环境结构变形控制标准的确定首次采用四步法。第一为地层变形响应的预测，即采用大型数值模拟软件模拟隧道的施工过程，对地层的变形进行计算；第二为既有结构力学响应的计算，即将地层变形包括最大变形量及变形分布模式施加到既有结构，得到结构破坏时的最大位置及应力值，找到应力达到破坏状态时的结构变形作为初步控制标准；第三为对初步控制标准进行折减，包括既有变形折减、结构劣化损伤折减及安全性折减；第四为控制标准的施工过程分解，即根据模拟的施工过程，将总的变形控制标准分解到每个施工步骤中得到变形控制标准增量。
本发明所提供的透明施工技术的技术流程包括四个步骤，分别为：既有环境结构控制标准的确定、施工前基本施工参数的预制定、施工过程中环境效应的自动控制及施工后结构的服役状态评估及补偿恢复。其中，施工过程中环境效应的自动控制是透明施工技术的核心。自动控制中具体包含工程响应的预测、预测方法的修正与施工参数的动态调控，其特点为及时性与自动化，技术手段为数字化、信息化及可视化，最终目标为实现地层参数的透明化、工程响应的透明化、安全效应的透明化及施工参数的透明化。
本发明针对现阶段城市隧道施工的安全性控制中存在的滞后性及经验性的不足，首次提出透明施工技术，该技术的应用可以实现城市隧道施工环境效应的自动化控制，可以极大的规避安全风险并降低经济投入。施工过程中施工参数的制定及动态调整是基于实测数据的，因此这种调整是有据可依的，是非主观的调整方式，同时可以实现由施工参数调整带来的自动控制，使得控制过程更加的自动化、精准化与精细化。
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 (10)
1.一种城市隧道透明施工监测方法，其特征在于，包括：
获取地层类型、地层缺陷、建筑结构体类型以及建筑结构体损伤程度；所述地层类型包括复合成层地层、富水软弱地层以及复杂山地地层；
根据所述建筑结构体类型以及建筑结构体损伤程度确定变形控制标准；
基于所述变形控制标准，根据不同的所述地层类型以及所述地层缺陷构建施工预测模型，并根据所述施工预测模型确定基本施工参数；所述基本施工参数为切口压力以及注浆量，或者所述基本施工参数为喷射混凝土刚度以及厚度；
根据所述基本施工参数进行施工工程，并将所述施工工程分解为多个施工步骤，对每个所述施工步骤进行建筑结构体变形监控，确定每个所述施工步骤的变形监测值；
将所述变形控制标准划分为多个变形控制标准增量；一个所述变形控制标准增量对应一个所述施工步骤；
按照所述施工步骤在所述施工工程的顺序，根据每个所述施工步骤的所述变形监测值以及所述变形控制标准增量判断在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态是否为安全状态，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示为在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态为安全状态，基于所述施工预测模型，根据当前施工步骤下的变形监测值以及变形控制标准增量确定更新后的基本施工参数；所述更新后的基本施工参数用于对下一步施工步骤进行施工；
若所述第一判断结果表示为在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态不为安全状态，调整所述基本施工参数，直至在当前施工步骤下建筑结构体的当前状态为安全状态。
2.根据权利要求1所述的城市隧道透明施工监测方法，其特征在于，所述基于所述施工预测模型，根据当前施工步骤下的变形监测值以及变形控制标准增量确定更新后的基本施工参数，具体包括：
根据所述施工预测模型预测首个所述施工步骤内建筑结构体的变形预测值；
根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值更新所述施工预测模型，确定更新后的施工预测模型；所述更新后的施工预测模型用于预测下一步施工步骤内建筑结构体的变形预测值；
根据下一步施工步骤内建筑结构体的变形预测值以及下一步施工步骤对应的变形控制标准增量更新所述基本施工参数，确定更新后的基本施工参数；所述更新后的基本施工参数用于对下一步施工步骤进行施工。
3.根据权利要求2所述的城市隧道透明施工监测方法，其特征在于，所述根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值更新所述施工预测模型，确定更新后的施工预测模型，具体包括：
根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值，利用最小二乘理论对所述施工预测模型进行更新，确定更新后的施工预测模型。
4.根据权利要求1-3任一项所述的城市隧道透明施工监测方法，其特征在于，所述基于所述施工预测模型，根据当前施工步骤下的变形监测值以及变形控制标准增量确定更新后的基本施工参数，之后还包括：
判断所有施工步骤是否完成，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果表示为所有施工步骤完成，确定施工结束；
若所述第二判断结果表示为所有施工步骤未完成，根据所述更新后的基本施工参数对下一步施工步骤进行施工，直至所有施工步骤完成。
5.根据权利要求4所述的城市隧道透明施工监测方法，其特征在于，所述确定施工结束，之后还包括：
根据所述建筑结构体的变形情况对所述建筑结构体的服役状态进行评估，并对所述服役状态进行分级，确定服役状态等级；
根据所述服役状态等级制定监测方案；
基于所述监测方案，当所述服役状态等级为服役状态待修复时，采用补偿恢复手段对所述建筑结构体进行修复；所述补偿恢复手段包括注浆回填以及结构置换。
6.一种城市隧道透明施工监测系统，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取地层类型、地层缺陷、建筑结构体类型以及建筑结构体损伤程度；所述地层类型包括复合成层地层、富水软弱地层以及复杂山地地层；
变形控制标准确定模块，用于根据所述建筑结构体类型以及建筑结构体损伤程度确定变形控制标准；
基本施工参数确定模块，用于基于所述变形控制标准，根据不同的所述地层类型以及所述地层缺陷构建施工预测模型，并根据所述施工预测模型确定基本施工参数；所述基本施工参数为切口压力以及注浆量，或者所述基本施工参数为喷射混凝土刚度以及厚度；
变形监测值确定模块，用于根据所述基本施工参数进行施工工程，并将所述施工工程分解为多个施工步骤，对每个所述施工步骤进行建筑结构体变形监控，确定每个所述施工步骤的变形监测值；
变形控制标准增量确定模块，用于将所述变形控制标准划分为多个变形控制标准增量；一个所述变形控制标准增量对应一个所述施工步骤；
第一判断模块，用于按照所述施工步骤在所述施工工程的顺序，根据每个所述施工步骤的所述变形监测值以及所述变形控制标准增量判断在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态是否为安全状态，得到第一判断结果；
基本施工参数更新模块，用于若所述第一判断结果表示为在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态为安全状态，基于所述施工预测模型，根据当前施工步骤下的变形监测值以及变形控制标准增量确定更新后的基本施工参数；所述更新后的基本施工参数用于对下一步施工步骤进行施工；
基本施工参数调整模块，用于若所述第一判断结果表示为在当前施工步骤下，建筑结构体的当前状态不为安全状态，调整所述基本施工参数，直至在当前施工步骤下建筑结构体的当前状态为安全状态。
7.根据权利要求6所述的城市隧道透明施工监测系统，其特征在于，所述基本施工参数更新模块，具体包括：
变形预测值确定单元，用于根据所述施工预测模型预测首个所述施工步骤内建筑结构体的变形预测值；
施工预测模型更新单元，用于根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值更新所述施工预测模型，确定更新后的施工预测模型；所述更新后的施工预测模型用于预测下一步施工步骤内建筑结构体的变形预测值；
基本施工参数更新单元，用于根据下一步施工步骤内建筑结构体的变形预测值以及下一步施工步骤对应的变形控制标准增量更新所述基本施工参数，确定更新后的基本施工参数；所述更新后的基本施工参数用于对下一步施工步骤进行施工。
8.根据权利要求7所述的城市隧道透明施工监测系统，其特征在于，所述施工预测模型更新单元，具体包括：
施工预测模型更新子单元，用于根据当前施工步骤下所述变形预测值以及所述变形监测值，利用最小二乘理论对所述施工预测模型进行更新，确定更新后的施工预测模型。
9.根据权利要求6-8任一项所述的城市隧道透明施工监测系统，其特征在于，还包括：
第二判断模块，用于判断所有施工步骤是否完成，得到第二判断结果；
施工结束确定模块，用于若所述第二判断结果表示为所有施工步骤完成，确定施工结束；
下一步施工步骤施工模块，用于若所述第二判断结果表示为所有施工步骤未完成，根据所述更新后的基本施工参数对下一步施工步骤进行施工，直至所有施工步骤完成。
10.根据权利要求9所述的城市隧道透明施工监测系统，其特征在于，还包括：
服役状态等级确定模块，用于根据所述建筑结构体的变形情况对所述建筑结构体的服役状态进行评估，并对所述服役状态进行分级，确定服役状态等级；
监测方案制定模块，用于根据所述服役状态等级制定监测方案；
修复模块，用于基于所述监测方案，当所述服役状态等级为服役状态待修复时，采用补偿恢复手段对所述建筑结构体进行修复；所述补偿恢复手段包括注浆回填以及结构置换。
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