CN112380757A - 曲线型隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种曲线型隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离的分析方法，用以确定不同线路半径条件下地表沉降槽峰值点的偏移距离；该方法以曲线型盾构隧道引起地表沉降槽峰值点偏移的现象为基础，采用数值模拟的手段，通过拟合不同工况下的计算结果来确定曲线型隧道线路半径与地表沉降槽峰值点偏移距离之间的函数关系，从而提供一种曲线型隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离的新型计算方法；本方案考虑曲线型隧道的超挖区，并以弹性等价替代层来进行模拟，从而使模拟条件更加符合现场施工的实际情况，分析结果更为准确，为其上覆建筑物不均匀沉降的控制以及地表沉降处理提供依据，从而保证建筑物的正常使用及隧道的安全施工。

Description

曲线型隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离的分析方法

技术领域

本发明涉及曲线型隧道施工导致地表沉降及建筑物不均匀沉降技术领域，具体涉及一种不同线路半径下，曲线隧道施工引起地表沉降槽峰值点偏移距离的新型计算方法。

背景技术

随着地下交通方式的快速发展，地铁隧道的数量也随之攀升，但由于我国地铁项目规划建设较晚，故其通行线路往往会受限于已投入使用或正在建设的地上和地下建(构)筑物。在此背景下，设计中采用小半径曲线盾构施工的方法来解决该问题。但与常规施工技术相比，小半径曲线盾构隧道因其复杂的施工方法而存在一定的特殊问题，如由于曲线型盾构隧道卸荷扰动区的不对称性，进而使得隧道在施工后地表沉降槽峰值出现了一定的偏移，该现象与直线型盾构隧道沉降槽峰值出现在轴线正上方的现象相比，呈现出较大的差异性；其次，峰值的偏移必然导致其上覆建筑物不均匀沉降的形式发生改变，进而使得控制措施需要重新选择，且处理不当极易引发安全事故。

故对于地表沉降峰值点偏移距离的确定就显得尤为重要，而现有研究大都集中在对沉降峰值偏移的定性分析上，学者对于曲线型隧道超挖区的研究大多集中在施工经验中的刀片选择以及轴线控制上，并没有对隧道超挖区厚度引起的地表沉降槽峰值点偏移距离进行定量分析，且由于地下施工的复杂性及隐蔽性，并未形成系统的定量分析及策略；所以，目前对于曲线型隧道施工导致的地表沉降峰值偏移距离的分析计算仍是重中之重。为便于对曲线型盾构隧道沉降峰值的偏移规律进行定量分析，亟待提出一种新型的沉降槽峰值点偏移距离的分析方法，为上覆建筑物不均匀沉降控制措施的选取提供依据。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述缺陷，提出一种曲线型隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离的分析计算方法，以为上覆建筑物不均匀沉降控制措施的选取提供依据。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种曲线型隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离的分析方法，包括以下步骤：

步骤1、施工工况确定：设定曲线型隧道的施工工况，分析得出曲线型隧道的超挖区厚度，并确定一个初始隧道线路半径；

步骤2、构建数值模型：以弹性等价替代层模拟隧道的超挖区，以尽可能符合现场实际的施工条件，并确定有限元三维模型的边界条件，以便于数值模型的建立；

步骤3、建立三维模型并进行分析：依托步骤1和步骤2设定的条件建立三维模型，分析得到一组初始隧道线路半径及其对应的地表沉降槽峰值点偏移距离；

步骤4、依次改变曲线型隧道的线路半径，分别得出隧道的线路半径及其对应的地表沉降槽峰值点偏移距离；

步骤5、根据步骤3和步骤4得到的多组数据，对隧道的线路半径与地表沉降槽峰值点偏移距离之间的关系进行函数耦合，得到隧道线路半径与地表沉降槽峰值点偏移距离之间的关系。

进一步的，所述步骤1中，设定曲线型隧道的施工工况主要包括两个：

(1)计算初始地应力，并将该阶段计算得出的位移清零，以模拟地层的初始应力场，减小模型的计算误差；

(2)将隧道内的开挖土体钝化，并激活相应的支护结构及等价替代层，以模拟曲线型盾构隧道的开挖施工。

进一步的，所述步骤1中，超挖区厚度通过以下方式确定：

其中：δ为曲线内侧超挖量，R为线路曲率半径，D为盾构管片外径，L为盾构机长度。

进一步的，所述步骤1中，初始隧道线路半径采用以下选取原则：

(1)初始隧道线路半径选用50m，即现有隧道中的最小线路半径；

(2)隧道线路半径小于200m时相邻计算工况隧道线路半径之间相差50m，大于200m时相邻计算工况隧道线路半径之间相差100m，这是由于隧道线路半径较小时，地表沉降峰值点的偏移距离变化较大，而加密函数拟合基准点的数量，可以使拟合得出的函数更加精确。

进一步的，所述步骤2中，确定有限元三维模型的边界条件时，因模拟时假定地层为半无限空间体，在隧道横断面方向施加X方向的约束力，在隧道纵断面方向施加Y方向的约束力，在下表面施加固定端约束，上表面为自由面；

为尽可能的使模拟条件符合现场实际的施工条件，采用弹性本构关系，假定等价替代层来模拟隧道超挖区的方法，且将弹性模量设定为20KPa，从而使不连续的介质连续化，保证计算的正常进行以及模拟计算结果的准确性。

进一步的，所述步骤5中，分别采用线性函数、非线性函数对隧道的线路半径与地表沉降槽峰值点偏移距离之间的关系进行函数耦合，从而得到曲线型隧道施工时隧道线路半径与地表沉降槽峰值点偏移距离之间的拟合公式如下：

y＝a×x^b (2)

其中，y为地表沉降槽峰值点的偏移距离，x为曲线型盾构隧道的线路半径，参数a＝161.527±35.729，参数b＝-1.051±0.0517。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

①考虑曲线型隧道的超挖区，并以弹性等价替代层来进行模拟，从而使模拟条件更加符合现场施工的实际情况，分析计算结果更为准确；

②对模拟计算结果进行函数拟合，准确的得出隧道不同线路半径对应的地表沉降槽峰值点偏移距离，为其上覆建筑物不均匀沉降的控制以及地表沉降处理提供依据，从而保证建筑物的正常使用及隧道的安全施工。

附图说明

图1为本发明实施例地表沉降槽峰值点偏移示意图，L1为沉降槽峰值偏移距离；

图2为本发明实施例曲线隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离分析方法的流程框图；

图3为本发明实施例隧道线路半径与地表沉降槽峰值点偏移距离之间的拟合关系图；

图4为本发明实施例监测数据与模拟结果对比示意图；

图5为本发明实施例隧道上覆建筑物不均匀沉降的示意图，L2为沉降槽峰值偏移距离；

其中：1、地表；2、上覆建筑物；3、曲线型隧道沉降槽曲线；4、直线型隧道沉降槽曲线；5、隧道断面；A、曲线型隧道凹侧；B、曲线型隧道凸侧。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

实施例，本发明提出一种曲线型隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离的分析方法，依托曲线型盾构隧道引起地表沉降槽峰值点偏移的现象，并采用弹性等价替代层来模拟隧道超挖区的方法，通过数值模拟的手段，得到若干组隧道的线路半径及其对应的地表沉降槽峰值点偏移距离，然后通过对得到的若干组数据进行函数耦合，得到两者间的关系，以为上覆建筑物不均匀沉降控制措施的选取提供依据。如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、施工工况确定：设定曲线型隧道的施工工况，分析得出曲线型隧道的超挖区的厚度，并确定一个具体的初始隧道线路半径；

步骤2、构建数值模型：以弹性等价替代层模拟隧道的超挖区，以尽可能符合现场实际的施工条件；确定有限元三维模型的边界条件，以便于数值模型的建立；

步骤3、建立三维模型并进行分析：依托上述条件建立三维模型，并进行分析得到一组隧道的线路半径及其对应的地表沉降槽峰值点偏移距离；

步骤4、以此类推，依次改变曲线型隧道的线路半径，并按上述步骤进行计算，分别得出隧道的线路半径及其对应的地表沉降槽峰值点偏移距离；

步骤5、根据上述结果，对隧道的线路半径与地表沉降槽峰值点偏移距离之间的关系进行函数耦合，得到隧道线路半径与地表沉降槽峰值点偏移距离之间的关系式；

最后，通过现场监测数据对该分析计算方法进行验证，并将得到的关系式作为上覆建筑物不均匀沉降控制措施选择的依据。

本实施例是以曲线型盾构隧道施工引起地表沉降槽峰值点偏移的现象为依托，采用三维数值模拟的手段，对计算结果进行函数耦合，从而得到隧道线路半径与地表沉降峰值点偏移距离之间的关系式，具体实施过程如下：

在步骤1中，设定曲线型隧道的施工工况主要包括两个：(1)初始地应力的计算，并将该阶段计算得出的位移清零，以模拟地层的初始应力场，减小模型的计算误差；(2)将隧道内的开挖土体钝化，并激活相应的支护结构及等价替代层，以模拟曲线型盾构隧道的开挖施工；另一方面，学者通过理论推导，得出了曲线型隧道超挖区厚度的计算公式(见公式(1))，但并未对隧道超挖区引起地表沉降槽峰值点的偏移距离进行定量分析，也未得出沉降峰值偏移距离的计算公式，故本实施例将考虑隧道超挖区以及隧道线路半径的影响，来得出地表沉降槽峰值点偏移距离的计算公式。

模拟时根据公式(1)计算得出曲线型隧道的超挖区厚度，式中：δ为曲线内侧超挖量，R为线路曲率半径，D为盾构管片外径，L为盾构机长度；

另外，需确定具体的隧道线路半径，选取半径的原则为：(1)第一个计算工况的隧道线路半径选用50m，即现有隧道中的最小线路半径；(2)隧道线路半径小于200m时相邻计算工况隧道线路半径之间相差50m，大于200m时相邻计算工况隧道线路半径之间相差100m，这是由于隧道线路半径较小时，地表沉降峰值点的偏移距离变化较大，而加密函数拟合基准点的数量，可以使拟合得出的函数更加精确。

在步骤2中，确定有限元三维模型的边界条件时，因模拟时假定地层为半无限空间体，故在隧道横断面方向施加X方向的约束力，在隧道纵断面方向施加Y方向的约束力，在下表面施加固定端约束，上表面为自由面；另一方面，为尽可能的使模拟条件符合现场实际的施工条件，需将曲线隧道的超挖现象进行模拟；但在建模过程中，由于有限元软件中的介质是连续的，而超挖区的存在使得围岩与隧道支护结构之间存在空隙，从而导致计算结果不耦合，故为解决该问题，本实施例中采用弹性本构关系，假定等价替代层来模拟隧道超挖区的方法，且将弹性模量设定为20KPa，从而使不连续的介质连续化，保证计算的正常进行以及模拟计算结果的准确性。

在构造弹性等价替代层时，考虑到，其一，软件中并没有设定模拟超挖区的模块以及本构关系；其二，有限元软件中的介质是连续的，而超挖区的存在使得围岩与隧道支护结构之间存在空隙，从而导致计算结果不耦合。故为解决上述问题，本实施例创造性的设计采用弹性本构关系，假定等价替代层来模拟隧道超挖区，且将等价替代层弹性模量设定为20KPa；该处理方法将不连续的介质连续化，且能较好的模拟超挖区引起的地表变形，更好的符合现场隧道施工的实际情况，从而使该方法的计算结果及拟合关系式更加精确；

步骤3中，依托上述设定条件建立三维数值模型，施加边界条件、土体自重应力以及测量板，并进行计算，从而根据建模比例及测量板的结果数据得出该隧道线路半径对应的地表沉降槽峰值点的偏移距离。

以此类推，根据隧道线路半径的选用规则，依次改变曲线型隧道的线路半径，并按上述步骤进行计算，分别得出隧道的线路半径及其对应的地表沉降槽峰值点偏移距离；

根据上述结果，分别采用线性函数、非线性函数对隧道的线路半径与地表沉降槽峰值点偏移距离之间的关系进行函数耦合，从而得到曲线型隧道施工时隧道线路半径与地表沉降槽峰值点偏移距离之间的关系式，两者的拟合关系图见附图3，拟合公式如下：

y＝a×x^b (2)

其中，y为地表沉降槽峰值点的偏移距离，x为曲线型盾构隧道的线路半径，参数a＝161.527±35.729，参数b＝-1.051±0.0517。

然后，通过现场监测数据对该新型计算方法进行验证，监测数据与模拟结果对比图见附图4；由附图4可以看出，由现场监测数据得出的地表沉降槽峰值点的偏移距离与模拟计算结果一致，从而也验证了该新型计算方法的正确性

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.曲线型隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、施工工况确定：设定曲线型隧道的施工工况，分析得出曲线型隧道的超挖区厚度，并确定一个初始隧道线路半径；

步骤2、构建数值模型：以弹性等价替代层模拟隧道的超挖区，并确定有限元三维模型的边界条件；

步骤3、建立三维模型并进行分析：依托步骤1和步骤2设定的条件建立三维模型，分析得到一组初始隧道线路半径及其对应的地表沉降槽峰值点偏移距离；

步骤4、依次改变曲线型隧道的线路半径，分别得出隧道的线路半径及其对应的地表沉降槽峰值点偏移距离；

步骤5、根据步骤3和步骤4得到的多组数据，对隧道的线路半径与地表沉降槽峰值点偏移距离之间的关系进行函数耦合，得到隧道线路半径与地表沉降槽峰值点偏移距离之间的关系。

2.根据权利要求1所述的曲线型隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离的分析方法，其特征在于：所述步骤1中，设定曲线型隧道的施工工况主要包括两个：

(1)计算初始地应力，并将该阶段计算得出的位移清零，以模拟地层的初始应力场；

(2)将隧道内的开挖土体钝化，并激活相应的支护结构及等价替代层，以模拟曲线型盾构隧道的开挖施工。

3.根据权利要求2所述的曲线型隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离的分析方法，其特征在于：所述步骤1中，超挖区厚度通过以下方式确定：

其中：δ为曲线内侧超挖量，R为线路曲率半径，D为盾构管片外径，L为盾构机长度。

4.根据权利要求1所述的曲线型隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离的分析方法，其特征在于：所述步骤1中，初始隧道线路半径采用以下选取原则：

(1)初始隧道线路半径选用50m，即现有隧道中的最小线路半径；

(2)隧道线路半径小于200m时相邻计算工况隧道线路半径之间相差50m，大于200m时相邻计算工况隧道线路半径之间相差100m。

5.根据权利要求1所述的曲线型隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离的分析方法，其特征在于：所述步骤2中，确定有限元三维模型的边界条件时：

(1)在隧道横断面方向施加X方向的约束力，在隧道纵断面方向施加Y方向的约束力，在下表面施加固定端约束，上表面为自由面；

(2)采用弹性本构关系，假定等价替代层来模拟隧道超挖区的方法，且将弹性模量设定为20KPa。

6.根据权利要求1所述的曲线型隧道施工时地表沉降槽峰值点偏移距离的分析方法，其特征在于：所述步骤5中，得到的曲线型隧道施工时隧道线路半径与地表沉降槽峰值点偏移距离之间的拟合公式如下：

y＝a×x^b (2)

其中，y为地表沉降槽峰值点的偏移距离，x为曲线型盾构隧道的线路半径，参数a＝161.527±35.729，参数b＝-1.051±0.0517。

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