CN112906111A - 一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于地铁盾构技术领域，具体涉及一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法。该评估方法基于限元分析软件ABAQUS、三维建模软件GIS，模拟土压平衡盾构机开挖隧道对地表建筑物的影响，通过预设的评估标准判定风险等级制定盾构施工方案与建筑物加固方案，本发明结合测量学与三维建模技术，在模型建立过程中实现快速建立符合精度要求的地表结构，大幅减少传统建筑物安全计算花费的时间。本发明提供详细的风险等级判定标准，针对不同风险等级，向设计人员提供如盾构参数调整或地基加固等初步的施工方案优化思路，辅助设计人员进行施工方案的制订与优化。

Description

一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法
技术领域
本发明属于地铁盾构技术领域，具体涉及一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法。
背景技术
地铁施工常采用盾构施工技术，但由于施工参数控制不当、现场工程地质水文地质条件变化等问题，盾构施工容易对周围土体产生过大扰动，引起土体变形，导致地表建筑物的变形或破坏。为解决这一问题，制定施工方案时，通常要针对每个建筑物进行独立计算，并考虑周围建筑物的影响因素。对于地质条件和周边环境较复杂、建筑物群较密集的情况，这种方法计算过程十分繁琐。若采用有限元方法，虽然能减少人工计算，但对于复杂工况，难以突破建模过程复杂的限制，因此有限元分析难以应用到工程设计当中。
发明内容
本发明为解决上述问题，建立一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，结合先进的GIS软件和测量学技术，针对土压平衡式盾构机施工，设计一个利用钻孔数据、现场测量数据来构建三维地质模型与地表建筑物群模型，确定计算应力与位移的有限元分析流程，并将结果应用于盾构穿越建筑物群的风险预评估中。这一方法能得到精确、全面的风险预评估结果，大幅缩短前期施工方案制订阶段所需的时间，并针对不同风险等级，提供施工方案优化设计思路，具有现实的工程意义。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，该评估方法基于限元分析软件ABAQUS、三维建模软件GIS，模拟土压平衡盾构机开挖隧道对地表建筑物的影响，通过预设的评估标准判定风险等级制定盾构施工方案与建筑物加固方案，该步骤入如下：
S1、地层建模：通过读取钻孔数据，使用GIS软件构建三维地质模型；
S2、建筑物建模：根据隧道轴线左右测站得到的建筑物外立面数据，使用SketchUp软件构建三维地表建筑物群模型；
S3、有限元模型建立：基于有限元软件ABAQUS通过三维地质模型与三维地表建筑物群模型建立隧道开挖分析步；分析步为ABAQUS中的专有名词之一
S4、有限元模型分析：结合实际工程情况预设盾构参数，在ABAQUS的Job模块中提交计算，导出地表与建筑物的应力与位移数据；
S5、后处理：根据评定标准进行风险预评估，以颜色划分建筑物风险等级；并通过划分建筑物风险等级制定盾构施工方案与建筑物加固方案。
本发明所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，其特征在于，S2步骤中使用全站仪采集建筑物立面形态与高度数据，结合现场地勘报告、等高线地图等资料，在SketchUp软件中构建隧道轴线左右60m范围内的三维地表建筑物群模型。
本发明所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，其特征在于，S3步骤中预设建筑物基础为浅基础模式与桩基础模式，根据既有建筑物设计文件等资料以及现场踏勘结果，选择合适的基础模式，在GIS软件构建的三维地质模型中建立选择的基础模式，并在ABAQUS软件的Assembly模块中于基础模式上构建建筑物模型。
本发明所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，S3步骤中结合勘察报告与现场资料，在ABAQUS软件的Property模块中为三维地质模型、预设的基础模型与地表建筑物模型赋予材料属性。
本发明所述的可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，S4步骤中预设以下土压平衡式盾构参数：
土仓压力：于开挖面设置表面荷载以模拟施工过程中的土仓压力；
注浆压力：于注浆体两侧表面设置荷载以模拟注浆体对隧道衬砌和土层的压力；
出土量：对施加的土仓压力乘上一个波动系数以模拟出土量的影响；
注浆量：调整注浆体的强度以模拟注浆量变化的影响。
本发明所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，S5步骤中由ABAQUS软件计算得到的建筑物各节点位移与主应力大小乘以建筑物的安全等级因素、新旧程度因素、周边环境因素的折减系数后计算得到不同风险等级的判定标准，风险等级判定标准为：总沉降、沉降差、总倾斜、局部倾斜、极限应力；
依据总沉降、沉降差、总倾斜、局部倾斜、极限应力数据定义风险等级为低风险等级、中风险等级、高风险等级；建筑物分别采用绿、黄、红颜色标定。
本发明所述的可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，建筑物划分为砌体结构、框架结构、简单高层建筑结构，
分别针对中低压缩土和高压缩性土，沉降与倾斜值大于《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)中规定的容许值的，定义为高风险建筑物。小于容许值、大于0.6倍容许值的，定义为中风险建筑物。对于建筑结构中的混凝土材料，极限应力大于《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)规定的混凝土材料抗压强度标准值的，定义为高风险建筑物。其它材料结构应根据相关规范与要求制订判定标准。
本发明所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，其特征在于，所述折减系数的定义如下公式所示：
ξ＝ψα·ψβ·ψγ
式中：ξ为折减系数，ψα代表建筑结构安全等级折减系数，当建筑结构安全等级为三级时取ψα＝1，建筑结构安全等级为二级时取ψα＝0.9，建筑结构安全等级为一级时取ψα＝0.8；ψβ代表建筑年代折减系数，对于剩余设计使用年限大于30年的，取ψβ＝1，剩余设计年限在10年到30年、建筑物无损伤的，取ψβ＝0.95，剩余设计年限小于10年，或建筑物有明显损伤的，取ψβ＝0.9；ψγ代表周边环境因素折减系数，对于地表主体建筑物群为砌体、框架结构的，取ψγ＝1，主体建筑物群为简单高层建筑的，取ψγ＝0.8。
本发明所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，风险预评估应用于制定施工方案过程中，针对高风险等级建筑物，用基础加宽法、注浆法、桩基托换地基加固方案，针对中风险等级建筑物，调整盾构土仓压力调整、注浆压力调整、注浆量调整施工参数调整方案，从而控制沉降，实现在复杂地层中盾构安全穿越建筑物群；
所述的地基加固方案包括基础加宽法、注浆法、桩基托换法；所述的盾构施工参数调整方案包括土仓压力调整、注浆压力调整、注浆量调整。
有益效果
本发明结合测量学与三维建模技术，在模型建立过程中实现快速建立符合精度要求的地表结构，大幅减少传统建筑物安全计算花费的时间。对于模型分析过程，充分利用ABAQUS软件的优势，在初期设计阶段就能提供较为精确的数值计算结果。在后处理阶段，本发明提供详细的风险等级判定标准，针对不同风险等级，向设计人员提供如盾构参数调整或地基加固等初步的施工方案优化思路，辅助设计人员进行施工方案的制订与优化。
附图说明
图1为本发明应用于实施例中某地铁盾构区间内始发段部分建筑物群进行风险预评估后输出的结果示意图；
图2中(a)为实施例中某建筑物的有限元模型示意图；
图2中(b)为实施例中某建筑物在盾构参数调整前后的沉降输出曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
如图1所示：本实施例为某地铁盾构区间始发段，采用土压式盾构机施工，下穿某工厂厂房、办公楼，单层居民房，以及某小区部分居民楼等多个建筑物。根据现场初勘，该区间地层以黏土和粉质黏土为主，工程特性有一定差异性，包含软黏土层和微承压水层，地质及水文地质条件复杂。
针对该实施例，采用本发明提出的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，使用有限元分析软件ABAQUS，结合测量学与三维建模软件，模拟盾构隧道开挖对地表建筑物的影响，根据预设的评估标准判定风险等级，制定与之相匹配的盾构施工方案和建筑物加固方案。实施过程具体包括以下步骤：
S1、地层建模步骤，通过读取钻孔数据，使用GIS软件构建三维地质模型；
S2、建筑物建模步骤，根据隧道轴线左右测站得到的建筑物外立面数据，构建三维地表建筑物群模型；
S3、有限元模型建立步骤，结合勘察报告与现场资料，在有限元软件ABAQUS中整合与完善三维地质模型与地表建筑物模型，建立隧道开挖分析步；
S4、有限元模型分析步骤，结合实际工程情况预设盾构参数，提交计算，导出地表与建筑物的应力与位移数据；
S5、后处理步骤，根据评定标准进行风险预评估，以颜色划分建筑物风险等级。
进一步地，S2步骤中使用全站仪采集建筑物立面形态与高度数据，结合现场资料，在SketchUp软件中构建隧道轴线左右60m范围内的三维地表建筑物群模型。
进一步地，S3步骤中所述的预设建筑物基础为浅基础与桩基础，结合现场资料选择合适的基础模式，在三维地质模型中建立基础，并于基础上构建建筑物模型。
进一步地，S3步骤中结合勘察报告与现场资料，为三维地质模型、预设的基础模型与地表建筑物模型赋予材料属性。
进一步地，S4步骤中预设以下土压平衡盾构参数：
土仓压力：于开挖面设置表面荷载以模拟施工过程中的土仓压力；
注浆压力：于注浆体两侧表面设置荷载以模拟注浆体对隧道衬砌和土层的压力；
出土量：对施加的土仓压力乘上一个波动系数以模拟出土量的影响；
注浆量：调整注浆体的强度以模拟注浆量变化的影响。
进一步地，S5步骤中使用绿、黄、红颜色区分建筑物的低、中、高风险等级，不同风险等级的判定标准由建筑物沉降、倾斜、应力大小以及其他因素(安全等级、新旧程度、周边环境等)的折减系数综合判定。
进一步地，所述的风险等级判定标准结合《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)、《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)、《砌体结构设计规范》(GB50003-2011)等，分别针对砌体结构、框架结构、简单高层建筑结构建筑物预设总沉降、沉降差、总倾斜、局部倾斜、极限压应力的标准，并根据其他因素制定折减系数，对评价结果进行修正。
本发明所述的风险预评估应用于制定施工方案过程中，针对高风险等级建筑物，制定地基加固等施工方案，针对中风险等级建筑物，调整盾构施工参数，从而控制沉降，实现在复杂地层中盾构安全穿越建筑物群。
所述地基加固方案包括基础加宽法、注浆法、桩基托换法，盾构施工参数调整方案包括土仓压力调整、注浆压力调整、注浆量调整。
如图2所示为本实施例中某办公楼的有限元建模与关于建筑物沉降的分析结果，以该建筑物为例对本发明进一步说明。建筑物为三层砖砌结构，采用毛石基础，基础埋深1.5m，位于盾构隧道设计方案的轴线正上方。根据工程资料以及现场测量结果，采用SketchUp软件建立砖砌结构的三维模型(图2(a))，并根据现场测量数据在ABAQUS中与已建立好盾构隧道推进分析步的地层模型进行装配，地层模型采用GIS软件根据地勘报告的钻孔数据自动生成，并在ABAQUS中输入地层的工程地质条件(表1)。
表1.项目工程地质条件指标。
Figure BDA0002938179650000061
根据前述实施步骤，针对建筑物进行风险预评估。在本实施例中仅讨论建筑物沉降与倾斜问题。建立有限元模型后提交分析，自动输出建筑物地基范围内沉降最大值横截面的沉降曲线(图2(b))。
根据有限元模拟分析结果，建筑物在x方向上最大沉降差为11mm，最大局部倾斜为0.0014。结合建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)规定和环境因素，计算得到的沉降控制标准如表2所示。
表2.某建筑物沉降控制标准
Figure BDA0002938179650000071
根据沉降控制标准，判定建筑物风险等级为中等，可采用盾构参数调整的方式优化施工方案。图2(b)显示了根据有限元软件计算的最优盾构参数下的沉降分析结果，相比于原方案具有一定优越性。
按照前述步骤进行分析后，得到的最终风险预评估结果如图1所示。图中使用绿、黄、红颜色区分建筑物的低、中、高风险等级，设计人员可根据预评估结果，针对中、高风险等级建筑物进行详细计算，调整施工方案。
本发明的目的是提供一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，使用有限元分析软件ABAQUS，结合测量学与三维建模软件，模拟采用土压平衡盾构机开挖隧道对地表建筑物的影响，从而根据预设的评估标准判定风险等级，制定与之相匹配的盾构施工方案和建筑物加固方案。
本发明的意义在于，能结合先进的GIS软件和测量学技术，针对土压平衡式盾构机施工设计一个快速建模并计算应力与位移的有限元分析流程，并将结果应用于盾构穿越建筑物群的风险预评估中。实施例的结果能证明该系统的可行性，对优化盾构施工方案设计，简化设计计算流程具有实际应用意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，其特征在于：该评估方法基于限元分析软件ABAQUS、三维建模软件GIS，模拟土压平衡盾构机开挖隧道对地表建筑物的影响，通过预设的评估标准判定风险等级制定盾构施工方案与建筑物加固方案，该步骤入如下：
S1、地层建模：通过读取钻孔数据，使用GIS软件构建三维地质模型；
S2、建筑物建模：根据隧道轴线左右测站得到的建筑物外立面数据，使用SketchUp软件构建三维地表建筑物群模型；
S3、有限元模型建立：基于有限元软件ABAQUS通过三维地质模型与三维地表建筑物群模型建立隧道开挖分析步；
S4、有限元模型分析：结合实际工程情况预设盾构参数，在ABAQUS的Job模块中提交计算，导出地表与建筑物的应力与位移数据；
S5、后处理：根据评定标准进行风险预评估，以颜色划分建筑物风险等级；并通过划分建筑物风险等级制定盾构施工方案与建筑物加固方案。
2.根据权利要求1所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，其特征在于，S2步骤中使用全站仪采集建筑物立面形态与高度数据，，在SketchUp软件中构建隧道轴线左右60m范围内的三维地表建筑物群模型。
3.根据权利要求1所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，其特征在于，S3步骤中预设建筑物基础为浅基础模式与桩基础模式，根据既有建筑物设计文件等资料以及现场踏勘结果，选择合适的基础模式，在GIS软件构建的三维地质模型中建立选择的基础模式，并在ABAQUS软件的Assembly模块中于基础模式上构建建筑物模型。
4.根据权利要求1所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，其特征在于，S3步骤中结合勘察报告与现场资料，在ABAQUS软件的Property模块中为三维地质模型、预设的基础模型与地表建筑物模型赋予材料属性。
5.根据权利要求1所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，其特征在于，S4步骤中预设以下土压平衡式盾构参数：
土仓压力：于开挖面设置表面荷载以模拟施工过程中的土仓压力；
注浆压力：于注浆体两侧表面设置荷载以模拟注浆体对隧道衬砌和土层的压力；
出土量：对施加的土仓压力乘上一个波动系数以模拟出土量的影响；
注浆量：调整注浆体的强度以模拟注浆量变化的影响。
6.根据权利要求1所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，其特征在于，S5步骤中由ABAQUS软件计算得到的建筑物各节点位移与主应力大小乘以建筑物的安全等级因素、新旧程度因素、周边环境因素的折减系数后计算得到不同风险等级的判定标准，风险等级判定标准为：总沉降、沉降差、总倾斜、局部倾斜、极限应力；
依据总沉降、沉降差、总倾斜、局部倾斜、极限应力数据定义风险等级为低风险等级、中风险等级、高风险等级；建筑物分别采用绿、黄、红颜色标定。
7.根据权利要求6所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，其特征在于：建筑物划分为砌体结构、框架结构、简单高层建筑结构，基于中低压缩土和高压缩性土其容许值判定风险等级如下标准：
小于该建筑物的容许值0.6倍为低风险等级；
大于该建筑物的容许值0.6倍为中风险建筑物；
超出该建筑物的容许值0.6倍时为高风险建筑物。
8.根据权利要求6所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，其特征在于，所述折减系数的定义如下公式所示：
ξ＝ψα·ψβ·ψγ
式中：ξ为折减系数，ψα代表建筑结构安全等级折减系数，当建筑结构安全等级为三级时取ψα＝1，建筑结构安全等级为二级时取ψα＝0.9，建筑结构安全等级为一级时取ψα＝0.8；ψβ代表建筑年代折减系数，对于剩余设计使用年限大于30年的，取ψβ＝1，剩余设计年限在10年到30年、建筑物无损伤的，取ψβ＝0.95，剩余设计年限小于10年，或建筑物有明显损伤的，取ψβ＝0.9；ψγ代表周边环境因素折减系数，对于地表主体建筑物群为砌体、框架结构的，取ψγ＝1，主体建筑物群为简单高层建筑的，取ψγ＝0.8。
9.根据权利要求1所述的一种可快速建模的盾构穿越密集建筑物群风险预评估方法，其特征在于：步骤S5中风险预评估应用于制定施工方案过程中，针对高风险等级建筑物，用基础加宽法、注浆法、桩基托换地基加固方案，针对中风险等级建筑物，调整盾构土仓压力调整、注浆压力调整、注浆量调整施工参数调整方案，从而控制沉降，实现在复杂地层中盾构安全穿越建筑物群；
所述的地基加固方案包括基础加宽法、注浆法、桩基托换法；所述的盾构施工参数调整方案包括土仓压力调整、注浆压力调整、注浆量调整。
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