CN112989262A - 一种考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法 - Google Patents

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唐达昆
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Abstract

本发明涉及一种考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法，包括：确定隧道最大水平向位移所在监测断面；在监测断面上确定各个监测点，监测记录基坑不同开挖阶段下，基坑的开挖深度、基坑围护结构的水平向最大实测位移δR和邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的实测值δT；绘制在基坑不同开挖深度下δT随δR/Lt变化的关系曲线，基于关系曲线进行邻近隧道最大水平位移的预测；基于各个开挖阶段进行数据监测，考虑既有地铁隧道距基坑围护结构水平距离的影响，针对不同基坑挖深下的“基坑‑隧道”相互作用特点提出了与各开挖阶段相适应的不同预测曲线，具有预测效果较好、可动态反应基坑全开挖过程以及对工程实践指导性更强的优势。

Description

一种考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法
技术领域
本发明涉及水平位移预测领域，尤其涉及一种考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法。
背景技术
随着城市的发展和地铁交通网络的逐渐密集，在地铁隧道上方或一侧开挖基坑的案例越来越多，基坑开挖造成地层原有应力场的改变，使邻近既有地铁车站和隧道产生内力和变形，从而影响地铁列车的运行安全，因此基坑工程开挖对既有地铁结构的影响研究广受关注。
目前，对于邻近基坑工程一侧的地铁隧道变形预测的方法主要有三种：理论推导、数值模拟和实测分析。(1)基坑开挖引起邻近隧道变形的理论研究，其理论推导往往需建立于一定的简化假设条件之上，然而实际工程现场条件复杂，现场实际和理论推导所需条件可能相差较大，因而研究结果可能并不能对现场实际起到较好的指导作用。同时由于理论推导计算往往相对复杂，广大工程一线从业人员较难熟练掌握，因此，理论计算多用于室内研究，实用性有限。(2)数值分析方法可以考虑土体复杂本构关系、边界条件，并且可以结合基坑开挖及支护结构施工顺序进行模拟，因而也常常被用于基坑开挖的相关研究中。借助于合适的土体本构模型以及现场准确的土体参数，往往能取得较好的效果，但是也有着建模相对复杂，计算耗时以及土体参数的不易准确获取等不足，需要工程经验较为丰富的从业人员才能较好掌握。(3)实测分析预测是指基于各类监测手段，由实测资料与工程记录经过数学处理，得出适合于工程应用的结论，对施工具有较好的指导作用。
相比于理论方法和数值方法，实测方法基于实测数据，能更好的反映工程现场的综合条件，同时实测法简便实用，易为广大一线从业人员迅速掌握。但目前实测方法基于基坑变形数据进行计算的，根据围护结构的累计水平向位移实测值和隧道结构的累计水平向位移实测值，再绘制各个监测点的位移分布曲线进行预测，只关注开挖最终阶段，不能动态反映基坑全开挖阶段的隧道变形情况，对工程全过程的指导有限。因此，在这样的背景下，提出一种合适的可考虑基坑全开挖过程的预测邻近既有隧道水平向最大变形的简便的、实用的、方便一线工程从业人员使用的方法显得尤为重要。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法，解决现有技术中预测效果差的问题。基坑开挖诱发邻近既有隧道的位移为一复杂的岩土工程问题。实际上，既有技术中大都只关注基坑开挖到底时的隧道的位移情况，如果要关注基坑开挖任意深度时，邻近既有隧道的位移发展情况，现有大部分只关注基坑最终开挖阶段的既有技术则难以考虑，原因在于：随着基坑的开挖，“基坑坑底”与“邻近隧道”的相对位置也在不断改变，因而基坑开挖与邻近既有隧道的相互作用机理和变形规律也在改变。用基坑开挖终末阶段时，“基坑-隧道”的变形规律曲线去反映基坑全开挖过程中的“基坑-隧道”变形特点是不可取的。
根据本发明的第一方面，提供一种考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法，包括：
步骤1，确定隧道最大水平向位移所在监测断面；
步骤2，在所述监测断面上确定各个监测点，监测记录基坑不同开挖阶段下，基坑的开挖深度He、基坑围护结构的水平向最大实测位移δR和邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的实测值δT；
步骤3，绘制在基坑不同开挖深度He下δT随δR/Lt变化的关系曲线，Lt表示既有地铁隧道距基坑围护结构水平距离，基于所述关系曲线进行邻近隧道最大水平位移的预测。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
作为一种可能的实施方式，步骤1中确定隧道最大水平向位移所在监测断面AA′的方法包括：
过基坑长边中点作平行于地面方向的中垂线，确定所述监测断面为包含所述中垂线并且平行于地面的平面。
所述步骤3中绘制在基坑不同开挖深度He下δT随δR/Lt的关系曲线包括：
计算Ht/He,Ht表示既有地铁隧道的埋深；
针对不同基坑挖深下的“基坑-隧道”相互作用特点，针对性地对基坑开挖过程进行分段，也即对Ht/He值进行分段，绘制不同分段下δT随1000δR/Lt变化的关系曲线。
对Ht/He值进行分段包括：(0，0.5]、(0.5，1.0]、(1.0，1.5]、(1.5，2.0]和(2.0，2.5]。
所述步骤3中绘制不同分段下δT随δR/Lt的关系曲线后，对各个所述关系曲线进行拟合得到δT随δR/Lt的曲线拟合方程δT＝a-bln(1000δR/Lt+c)，利用所述曲线拟合方程得到基坑不同开挖阶段下，邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的预测值δT'；a、b和c为根据所述关系曲线得到的参数。
根据所述关系曲线得到的参数a、b和c的值为：
0﹤Ht/He≤0.5时，a＝-37.7028，b＝-29.1829，c＝2.21307；
0.5﹤Ht/He≤1时，a＝-19.34637，b＝-21.24028，c＝1.21695；
1﹤Ht/He≤1.5时，a＝-22.74534，b＝-18.62555，c＝2.09068；
1.5﹤Ht/He≤2时，a＝2.16962，b＝-3.23681，c＝-0.29775；
2﹤Ht/He≤2.5时，a＝3.6027，b＝-0.46623，c＝1.64416。
根据本发明的第二方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机管理类程序时实现考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法的步骤。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机管理类程序，所述计算机管理类程序被处理器执行时实现考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法的步骤。
采用上述方案的有益效果是：为动态反映基坑全开挖阶段的隧道变形情况，本发明创新性地提出对“基坑开挖深度进行分段处理”，基于各个开挖阶段进行数据监测，通过确定隧道最大水平向位移所在监测断面，对基坑和邻侧基坑隧道结构监测，分析基坑围护结构和隧道结构的水平向位移特征，考虑既有地铁隧道距基坑围护结构水平距离的影响，针对不同基坑挖深下的“基坑-隧道”相互作用特点提出了与各开挖阶段相适应的不同预测曲线，具有预测效果较好、可动态反应基坑全开挖过程以及对工程实践指导性更强的优势。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种基于基坑和既有地铁隧道位置确定监测断面的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种监测断面的示意图；
图4(a)为本发明实施例提供的Ht/He值在(0，0.5]范围内时δT随1000δR/Lt的关系曲线图；
图4(b)为本发明实施例提供的Ht/He值在(0.5，1.0]范围内时δT随1000δR/Lt的关系曲线图；
图4(c)为本发明实施例提供的Ht/He值在(1.0，1.5]范围内时δT随1000δR/Lt的关系曲线图；
图4(d)为本发明实施例提供的Ht/He值在(1.5，2.0]范围内时δT随1000δR/Lt的关系曲线图；
图4(e)为本发明实施例提供的Ht/He值在(2.0，2.5]范围内时δT随1000δR/Lt的关系曲线图；
如图5所示为本发明提供的邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的实测值δT与水平向最大位移的预测值δT'的实施例的分布曲线示意图；
图6为本发明提供的一种电子设备结构示意图；
图7为本发明提供的一种计算机可读存储介质结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
基坑开挖诱发邻近既有隧道的位移为一复杂的岩土工程问题。实际上，既有技术中大都只关注基坑开挖到底时的隧道的位移情况，如果要关注基坑开挖任意深度时，邻近既有隧道的位移发展情况，现有大部分只关注基坑最终开挖阶段的既有技术则难以考虑，原因在于：随着基坑的开挖，“基坑坑底”与“邻近隧道”的相对位置也在不断改变，因而基坑开挖与邻近既有隧道的相互作用机理和变形规律也在改变。用基坑开挖终末阶段时，“基坑-隧道”的变形规律曲线去反映基坑全开挖过程中的“基坑-隧道”变形特点是不可取的。
因此，为动态反映基坑全开挖阶段的隧道变形情况，本发明创新性地提出对“基坑开挖深度进行分段处理”，如图1所示为本发明实施例提供的一种考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法的流程图，如图1所示，所述方法包括：
步骤1，确定隧道最大水平向位移所在监测断面AA′。
步骤2，在监测断面上确定各个监测点，监测记录基坑不同开挖阶段下，基坑的开挖深度He、基坑围护结构的水平向最大实测位移δR和邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的实测值δT。
邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的实测值δT即为监测断面上监测点的最大实测位移。
步骤3，绘制在基坑不同开挖深度He下δT随δR/Lt变化的关系曲线，Lt表示既有地铁隧道距基坑围护结构水平距离，基于关系曲线进行邻近隧道最大水平位移的预测。
本发明提供的一种考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法，基于各个开挖阶段进行数据监测，通过确定隧道最大水平向位移所在监测断面，对基坑和邻侧基坑隧道结构监测，分析基坑围护结构和隧道结构的水平向位移特征，考虑既有地铁隧道距基坑围护结构水平距离的影响，针对不同基坑挖深下的“基坑-隧道”相互作用特点提出了与各开挖阶段相适应的不同预测曲线，具有预测效果较好、可动态反应基坑全开挖过程以及对工程实践指导性更强的优势。
实施例1
本发明提供的实施例1为本发明提供的一种考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法的实施例，该实施例包括：
步骤1，确定隧道最大水平向位移所在监测断面AA′。
优选的，确定隧道最大水平向位移所在监测断面AA′的方法包括：
过基坑长边中点作平行于地面方向的中垂线，确定监测断面为包含中垂线并且平行于地面的平面。
如图2所示为本发明实施例提供的一种基于基坑和既有地铁隧道位置确定监测断面的示意图，如图3所示为本发明实施例提供的一种监测断面的示意图，结合图2和图3可知，过基坑长边中点作平行于地面方向的中垂线，记该中垂线为x轴方向，取该中垂线与基坑长边交点为x轴零点O。基于该零点确定基坑围护结构(图3中所示的地连墙)的水平向最大实测位移δR，以及该零点与既有地铁隧道的中心线的距离为Lt。
步骤2，在监测断面上确定各个监测点，监测记录基坑不同开挖阶段下，基坑的开挖深度He、基坑围护结构的水平向最大实测位移δR和邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的实测值δT。
步骤3，绘制在基坑不同开挖深度He下δT随δR/Lt变化的关系曲线，Lt表示既有地铁隧道距基坑围护结构水平距离，基于关系曲线进行邻近隧道最大水平位移的预测。
优选的，绘制在基坑不同开挖深度He下δT随δR/Lt的关系曲线包括：
计算Ht/He,Ht表示既有地铁隧道的埋深。
对Ht/He值进行分段，绘制不同分段下δT随1000δR/Lt变化的关系曲线。
具体的，对Ht/He值进行分段包括：(0，0.5]、(0.5，1.0]、(1.0，1.5]、(1.5，2.0]和(2.0，2.5]。
进一步的，绘制不同分段下δT随δR/Lt的关系曲线后，对各个关系曲线进行拟合得到δT随δR/Lt的曲线拟合方程δT＝a-bln(1000δR/Lt+c)，利用曲线拟合方程得到基坑不同开挖阶段下，邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的预测值δT'；a、b和c为根据关系曲线得到的参数，不同分段下a、b和c的值不同。
如图4(a)-图4(e)所示分别为本发明实施例提供的Ht/He值分别在(0，0.5]、(0.5，1.0]、(1.0，1.5]、(1.5，2.0]和(2.0，2.5]范围内时δT随1000δR/Lt的关系曲线图，其中，图4(b)-图4(e)中，y＝δT，x＝1000δR/Lt,根据该图进行拟合可以得到不同分段下a、b和c的值如表1所示：
表1.预测公式参数取值
Figure BDA0002930373240000081
优选的，步骤3之后还包括：
步骤4，绘制邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的实测值δT与水平向最大位移的预测值δT'的分布曲线，计算预测误差，对预测效果进行评价。
如图5所示为本发明提供的邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的实测值δT与水平向最大位移的预测值δT'的实施例的分布曲线示意图。
如图6所示为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图。如图6所示，本发明实施例提了一种电子设备，包括存储器510、处理器520及存储在存储器520上并可在处理器520上运行的计算机程序511，处理器520执行计算机程序511时实现以下步骤：
确定隧道最大水平向位移所在监测断面AA′；在监测断面上确定各个监测点，监测记录基坑不同开挖阶段下，基坑的开挖深度He、基坑围护结构的水平向最大实测位移δR和邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的实测值δT；绘制在基坑不同开挖深度He下δT随δR/Lt变化的关系曲线，Lt表示既有地铁隧道距基坑围护结构水平距离，基于关系曲线进行邻近隧道最大水平位移的预测。
请参阅图7，图7为本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。如图7所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质600，其上存储有计算机程序611，该计算机程序611被处理器执行时实现如下步骤：确定隧道最大水平向位移所在监测断面AA′；在监测断面上确定各个监测点，监测记录基坑不同开挖阶段下，基坑的开挖深度He、基坑围护结构的水平向最大实测位移δR和邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的实测值δT；绘制在基坑不同开挖深度He下δT随δR/Lt变化的关系曲线，Lt表示既有地铁隧道距基坑围护结构水平距离，基于关系曲线进行邻近隧道最大水平位移的预测。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，确定隧道最大水平向位移所在监测断面；
步骤2，在所述监测断面上确定各个监测点，监测记录基坑不同开挖阶段下，基坑的开挖深度He、基坑围护结构的水平向最大实测位移δR和邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的实测值δT；
步骤3，绘制在基坑不同开挖深度He下δT随δR/Lt变化的关系曲线，Lt表示既有地铁隧道距基坑围护结构水平距离，基于所述关系曲线进行邻近隧道最大水平位移的预测。
2.根据权利要求1所述的邻近隧道最大水平位移预测方法，其特征在于，所述步骤1中确定隧道最大水平向位移所在监测断面的方法包括：
过基坑长边中点作平行于地面方向的中垂线，确定所述监测断面为包含所述中垂线并且平行于地面的平面。
3.根据权利要求1所述的邻近隧道最大水平位移预测方法，其特征在于，所述步骤3中绘制在基坑不同开挖深度He下δT随δR/Lt的关系曲线包括：
计算Ht/He,Ht表示既有地铁隧道的埋深；
对Ht/He值进行分段，绘制不同分段下δT随1000δR/Lt变化的关系曲线。
4.根据权利要求3所述的邻近隧道最大水平位移预测方法，其特征在于，对Ht/He值进行分段包括：(0，0.5]、(0.5，1.0]、(1.0，1.5]、(1.5，2.0]和(2.0，2.5]。
5.根据权利要求3所述的邻近隧道最大水平位移预测方法，其特征在于，所述步骤3中绘制不同分段下δT随δR/Lt的关系曲线后，对各个所述关系曲线进行拟合得到δT随δR/Lt的曲线拟合方程δT＝a-bln(1000δR/Lt+c)，利用所述曲线拟合方程得到基坑不同开挖阶段下，邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的预测值δT'；a、b和c为根据所述关系曲线得到的参数。
6.根据权利要求5所述的邻近隧道最大水平位移预测方法，其特征在于，根据所述关系曲线得到的参数a、b和c的值为：
0﹤Ht/He≤0.5时，a＝-37.7028，b＝-29.1829，c＝2.21307；
0.5﹤Ht/He≤1时，a＝-19.34637，b＝-21.24028，c＝1.21695；
1﹤Ht/He≤1.5时，a＝-22.74534，b＝-18.62555，c＝2.09068；
1.5﹤Ht/He≤2时，a＝2.16962，b＝-3.23681，c＝-0.29775；
2﹤Ht/He≤2.5时，a＝3.6027，b＝-0.46623，c＝1.64416。
7.根据权利要求5所述的邻近隧道最大水平位移预测方法，其特征在于，所述步骤3之后还包括：
步骤4，绘制邻近既有地铁隧道的水平向最大位移的实测值δT与水平向最大位移的预测值δT'的分布曲线，计算预测误差，对预测效果进行评价。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法的步骤。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述考虑基坑开挖过程的邻近隧道最大水平位移预测方法的步骤。
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