CN113792369B - 土体变形预测方法、系统、设备及可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土体变形预测方法、系统、设备及可读存储介质，方法包括，获取穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据、大厚度湿陷性黄土地层的土体内摩擦角、穿越地层的湿陷系数；根据目标隧道的几何设计数据、土体内摩擦角及穿越地层的湿陷系数，计算得到隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度及目标隧道开挖后的地层损失率；根据目标隧道的几何设计数据、目标隧道开挖后的地层损失率及大厚度湿陷性黄土地层中竖向深度处的沉降槽宽度，计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移及水平位移，即得到土体变形预测结果；具有含义明确，公式简单，计算参数少以及较好准确性的特点。

Description

土体变形预测方法、系统、设备及可读存储介质
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及一种土体变形预测方法、系统、设备及可读存储介质。
背景技术
湿陷性黄土是一种大孔隙、弱胶结的粉土，具有遇水后强度急剧降低，从而引起过大变形的特性；一般将基底以下厚度大于等于20m的湿陷性黄土地层，称作为大厚度湿陷性黄土地层。准确预测大厚度湿陷性黄土地层地铁隧道施工中地层变形，不仅可以保证隧道施工安全，而且还可以节约资源，降低能耗等；目前，大厚度湿陷性黄土地区的地铁隧道施工以盾构法为主，隧道开挖会引起洞周土体应力重分布，进而诱发地层移动与变形。较之于一般黏土地层，穿越湿陷性黄土地层的地铁隧道施工引起地层变形具有显著差别，主要是因其湿陷性引起周围地层的附加响应。
目前，一般情况下，隧道工程预测地层变形的方法以理论法、模型试验法和数值模拟法为主，其中理论预测方法以PECK公式应用最为广泛，模型试验法以相似理论为基础，建立隧道模型进行试验研究，数值模拟法则依靠大型商用数值仿真软件进行建模计算。但是，针对大厚度湿陷性黄土地层而言，通用的包括PECK公式在内的理论公式会因无法考虑湿陷性的附加影响而低估变形响应，可能使邻近建(构)筑物(如各类管线、建筑地基、地下结构等)处于更大风险中；并且，现有技术中应用PECK公式时，其中沉降槽宽度和地层损失率主要是从黏土地层中监测及推导而得，那么，对于大厚度湿陷性黄土地层存在适应性偏差，难以直接适用于该地层的隧道施工预测。其他理论公式如基于固体力学Mindlin解推导的土体位移公式，虽然具有较好的理论基础，但在实践过程发现，其引入的参数不仅含义晦涩，求解更为复杂，而且在沉降曲线形态及沉降大小方面，相比PECK公式，精度和适用性上也较差。
现有的模型试验法主要是基于相似理论建立目标隧道的相似模型，甚至采用离心机试验模拟真实边界条件，实现隧道开挖的变形预测。但是模型试验法需要投入大量人力、物力，且需耗费大量时间成本；建立的隧道地层模型无法模拟真实地层概况，如地层的非均匀性、地应力、周围环境条件等，模型过于理想化，与实际情况偏差较大，而且定量预测结果准确性和有效性受人为主观因素(试验人员操作熟练程度、专业化程度及标准化程度等)影响较大；试验仪器中如离心机等设备不仅价格昂贵，而且又因离心机尺寸限制，使得该试验模型远小于真实隧道尺寸，继而其试验结果与真实地层变形可能存在更大的偏差。
现有的数值模拟方法则采用大型商用仿真分析软件，首先建立适当的湿陷性黄土隧道数值分析模型，其次模拟真实工况条件，最后进行湿陷性黄土地层变形响应预测。虽然，该方法可以较好的预测隧道施工中湿陷性黄土地层变形，但一方面计算耗时耗力，若模型尺寸较大或网格划分更细密，则需要更加巨大的经济成本和时间投入，可若模型尺寸较小或网格划分较粗，尽管可以提高计算速度，但是将影响计算结果的精度；另一方面，整个计算过程不透明，具有较大的不确定性；而且使用者的技术水平和工程经验极大的影响计算结果的准确性，主观性大。
由此可见，针对大厚度湿陷性黄土地区隧道施工中地层变形预测问题，现有PECK公式等理论方法其预测和评估结果具有适用性和可靠性偏差；模型试验法则具有成本高、耗时长且客观条件限制更多；数值模拟方法不仅存在主观性强、计算不透明、经济和时间耗费大等缺陷，而且还存在较高的技术壁垒。
因此，本技术领域亟需一种操作简单、成本低廉、准确有效和针对性强的预测方法，以便解决如在大厚度湿陷性黄土广泛分布的城市修建地铁隧道引起地层变形的预测问题，还为可研初设阶段，尤其是评估该地区城市轨道交通隧道施工对周围建(构)筑物的不利影响，以及为施工阶段动态控制提供准确可靠的技术支持。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种土体变形预测方法、系统、设备及可读存储介质，以解决现有针对大厚度湿陷性黄土地区隧道盾构施工中地层变形预测中，适用性及可靠性差，主观性强、计算不透明及预测时间耗费大的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种土体变形预测方法，包括以下步骤：
获取穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据及大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据；其中，大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据包括土体内摩擦角穿越地层的湿陷系数δs；
根据目标隧道的几何设计数据、土体内摩擦角及穿越地层的湿陷系数δs，计算得到隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz及目标隧道开挖后的地层损失率ηCL；
根据目标隧道的几何设计数据、目标隧道开挖后的地层损失率ηCL及隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz，计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)及水平位移u(x,z)，即得到土体变形预测结果。
进一步的，穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据包括目标隧道的埋深H0、隧道设计洞径D、盾构刀盘外径DT及盾构管片外径DL。
进一步的，目标隧道的穿越地层为自重湿陷性黄土时，穿越地层的湿陷系数δs为自重湿陷系数。
进一步的，隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz的表达式为：
其中，iz为隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度，0≤z≤H0；z为隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的深度值，即预设坐标系统中的纵坐标值；
其中，预设坐标系统为：以过隧道拱顶的隧道轴线与地表水平线的垂直交点作为预设坐标系统的原点，地表水平线作为横坐标轴；过隧道拱顶的隧道轴线作为纵坐标轴。
进一步的，目标隧道开挖后的地层损失率ηCL的表达式为：
其中，ηCL为目标隧道开挖后的地层损失率；Gp为目标隧道盾构施工中，盾构刀盘外径DT与管片外径DL之间的几何间隙；β为与目标隧道开挖施工工艺有关的常量。
进一步的，大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)的表达式为：
其中，v(x,z)为大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)处的竖向位移；x为大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)的横坐标。
进一步的，大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的水平位移u(x,z)的表达式为：
其中，u(x,z)为大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)处的水平位移。
本发明还提供了一种土体变形预测系统，包括：
数据获取模块，用于获取穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据及大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据；其中，大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据包括土体内摩擦角穿越地层的湿陷系数δs；
第一计算模块，用于根据目标隧道的几何设计数据、土体内摩擦角及穿越地层的湿陷系数δs，计算得到隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz及目标隧道开挖后的地层损失率ηCL；
第二计算模块，用于根据目标隧道的几何设计数据、目标隧道开挖后的地层损失率ηCL及隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz，计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)及水平位移u(x,z)，即得到土体变形预测结果。
本发明还提供了一种土体变形预测设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种土体变形预测设备方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种土体变形预测设备方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种土体变形预测方法，采用大厚度湿陷性黄土地层的土体内摩擦角穿越地层的湿陷系数δs对现有的PECK公式中的沉降槽宽度和地层损失率进行修正，利用改进后的PECK公式对大厚度湿陷性黄土地层的土体变形进行预测；修改后的PECK公式继承了现有PECK公式含义明确、公式简单、计算参数少及准确性较好的优点；通过引入湿陷系数对沉降槽宽度和地层损失率等计算参数进行了修正，不仅实现了定量表征湿陷性对地层变形影响的效果；同时，还克服现有PECK公式难以直接应用于湿陷性黄土地区的缺陷；相较于现有其他方法，本发明能够为湿陷性黄土地区隧道，尤其是穿越大厚度湿陷性黄土地层隧道建设中的施工地层变形预测提供简便、快捷且针对性强的方法；本发明涉及的常量或参数仅需依靠常规工程勘察及设计资料或经简单计算即可获得，具有含义明确、公式简单、计算参数少及准确性较好的特点，且预测时间耗费较少。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图做简要介绍，显而易见，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为本发明所述的土体变形预测方法的流程图；
图2为实施例中所述的土体变形预测方法的流程图；
图3为实施例的不同地层深度对应的土体沉降槽分布曲线；
图4为实施例的不同地层深度对应的土体水平位移分布曲线。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1所示，本发明提供了一种土体变形预测方法，包括以下步骤：
步骤1、获取穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据；具体的，从对目标隧道的设计资料中，获取穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据；其中，目标隧道的几何设计数据包括隧道埋深H0、隧道设计洞径D、盾构刀盘外径DT及盾构管片外径DL。
步骤2、获取目标隧道所处的大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据；具体的，通过隧道开挖施工前期的岩土工程勘察及相关的室内试验结果，收集并获取目标隧道所处的大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据；其中，大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据包括土体内摩擦角穿越地层的湿陷系数δs；大厚度湿陷性黄土地层中，湿陷性黄土包括自重湿陷性黄土及非自重湿陷性黄土；当目标隧道的穿越地层为自重湿陷性黄土时，该穿越地层的湿陷系数δs为其自重湿陷系数；若目标隧道的穿越地层为非自重湿陷性黄土时，该穿越地层的湿陷系数δs采用相关规范规定的试验测定得到。
步骤3、根据沉降槽宽度计算方法，确定穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道盾构开挖后，隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz。
具体的，根据目标隧道的埋深H0、土体内摩擦角穿越地层的湿陷系数δs；按照如下公式(1)，计算得到隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz；
其中，iz为隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度，0≤z≤H0；z为隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的深度值，即预设坐标系统中的纵坐标值；
其中，预设坐标系统为：以过拱顶的隧道轴线与地表水平线的垂直交点作为预设坐标系统的原点；地表水平线作为横坐标轴，用X轴表示，并确定由左至右为正向；过拱顶的隧道轴线作为纵坐标轴，用Z轴表示，并确定由上至下为正向。
步骤4、根据地层损失率计算方法，确定穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道开挖后的地层损失率ηCL。
具体的，根据目标隧道的盾构刀盘外径DT、管片外径DL及穿越地层的湿陷系数δs，按照如下公式(2)，计算得到该穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道开挖后的地层损失率ηCL。
其中，ηCL为目标隧道开挖后的地层损失率；Gp为目标隧道盾构施工中，盾构刀盘外径DT与管片外径DL之间的几何间隙；β为与目标隧道开挖施工工艺有关的参数。
其中，β的取值与注浆填充有关，若不考虑注浆填充，β＝1；一般而言，若考虑注浆填充且目标隧道注浆填充率能达到80％及以上，可取β＝0.3；若注浆填充率等于50％，则β＝0.5；注浆填充率在50％～80％之间，且β为0.3～0.5之间时，采用线性内插法进行取值；注浆填充率低于50％，且β为0.5～1.0之间时，采用线性内插法进行取值；若该地区有相关施工经验，可类比取值。
步骤5、根据目标隧道的埋深H0、隧道设计洞径D、隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz及目标隧道开挖后的地层损失率ηCL，计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)。
其中，大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)的表达式为：
其中，v(x,z)为大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)处的竖向位移；x为大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)的横坐标。
本发明中，大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)处的竖向位移也可以称为该任意一点(x,z)处的沉降；当该任意一点(x,z)位于大厚度湿陷性黄土地层的地表处时，即为地面沉降。
步骤6、大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)，计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的水平位移u(x,z)；步骤6中，基于土体位移矢量向心理论，按照如下公式(4)，计算大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的水平位移u(x,z)；具体计算公式为：
其中，u(x,z)为大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)处的水平位移，H0为目标隧道的埋深；x、z分别大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)的横坐标和纵坐标。
本发明还提供了一种土体变形预测系统，包括数据获取模块、第一计算模块及第二计算模块；数据获取模块，用于获取穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据及大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据；第一计算模块，用于根据目标隧道的几何设计数据及大厚度湿陷性黄土层的工程地质数据，计算得到隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz及目标隧道开挖后的地层损失率ηCL；第二计算模块，用于根据目标隧道的几何设计数据、目标隧道开挖后的地层损失率ηCL及隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz，计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)及水平位移u(x,z)，即得到土体变形预测结果。
本发明还提供了一种土体变形预测设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如：土体变形预测程序。
所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种土体变形预测设备方法的步骤；例如：获取穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据及大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据；其中，大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据包括土体内摩擦角穿越地层的湿陷系数δs；根据目标隧道的几何设计数据、土体内摩擦角/>及穿越地层的湿陷系数δs，计算得到隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz及目标隧道开挖后的地层损失率ηCL；根据目标隧道的几何设计数据、目标隧道开挖后的地层损失率ηCL及隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz，计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)及水平位移u(x,z)，即得到土体变形预测结果。
或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如：数据获取模块，用于获取穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据及大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据；其中，大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据包括土体内摩擦角穿越地层的湿陷系数δs；第一计算模块，用于根据目标隧道的几何设计数据、土体内摩擦角/>及穿越地层的湿陷系数δs，计算得到隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz及目标隧道开挖后的地层损失率ηCL；第二计算模块，用于根据目标隧道的几何设计数据、目标隧道开挖后的地层损失率ηCL及隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz，计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)及水平位移u(x,z)，即得到土体变形预测结果。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述土体变形预测设备中的执行过程。
例如，所述计算机程序可以被分割成数据获取模块、第一计算模块及第二计算模块；各模块具体功能如下：数据获取模块，用于获取穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据及大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据；其中，大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据包括土体内摩擦角穿越地层的湿陷系数δs；第一计算模块，用于根据目标隧道的几何设计数据、土体内摩擦角/>及穿越地层的湿陷系数δs，计算得到隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz及目标隧道开挖后的地层损失率ηCL；第二计算模块，用于根据目标隧道的几何设计数据、目标隧道开挖后的地层损失率ηCL及隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz，计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)及水平位移u(x,z)，即得到土体变形预测结果。
所述土体变形预测设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述土体变形预测设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，上述仅仅是土体变形预测设备的示例，并不构成对土体变形预测设备的限定，可以包括比上述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述土体变形预测设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述土体变形预测设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个土体变形预测设备的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述土体变形预测设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。
此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(SmartMediaCard,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(FlashCard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种土体变形预测设备方法的步骤；所述土体变形预测设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
基于这样的理解，本发明实现上述土体变形预测方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述土体变形预测方法的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。
所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
实施例
本实施例以西安地铁四号线航-神区间盾构段某隧道监测断面为例，利用所述的土体变形预测方法，对该隧道施工影响下的大厚度湿陷性黄土地层变形进行预测。
如附图2所示，附图2中给出了本实施例所述的土体变形预测方法的流程图；其中，大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)及水平位移u(x,z)即为需要预测的目标值。
具体过程如下：
步骤1、获取目标隧道的几何设计数据。
根据西安地铁四号线航-神区间盾构岩土工程勘察资料确定，该目标隧道的埋深为H0＝14.56m，目标隧道的隧道设计洞径为D＝6.06m、盾构刀盘外径为DT＝6.27m，盾构管片外径为DL＝6.14m。
步骤2、获取大厚度湿陷性黄土地层的内摩擦角和湿陷系数。
根据该隧道段的岩土工程勘察资料可知，该区间目标隧道所处大厚度湿陷黄土地层主要为自重湿陷性黄土，其内摩擦角湿陷系数δs则替换为自重湿陷系数δzs，即δzs＝0.081。
步骤3、确定大厚度湿陷性黄土地层隧道开挖后土体的沉降槽宽度，即隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz。
根据目标隧道的埋深H0、土体内摩擦角穿越地层的自重湿陷系数δzs；按照如下公式(1)，计算得到隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz，其关于隧道拱顶至地表间的深度值z的计算式为：
iz＝8.311-0.571z
步骤4、确定该大厚度湿陷性黄土地层中隧道盾构开挖后的地层损失率，即根据地层损失率计算方法，确定穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道开挖后的地层损失率ηCL。
具体的，根据获取的盾构刀盘外径DT及盾构管片外径DL；计算目标隧道盾构施工中，盾构刀盘外径DT与盾构管片外径DL之间的几何间隙，具体计算公式如下：
由于该区间目标隧道采用注浆填充，结合已有工程经验可知，已建地铁中盾构隧道注浆填充率能达到80％及以上，故此处取β＝0.3，可根据公式(2)得到地层损失率ηCL＝1.15％。
由于该区间盾构隧道采用注浆填充，结合已有工程经验可知，已建该地区地铁中盾构隧道注浆填充率能达到80％及以上，故此处取β＝0.3，可根据公式(2)得到地层损失率ηCL＝1.15％。
步骤5、计算大厚度湿陷性黄土地层在隧道断面开挖后的土体的竖向位移，即计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)。
具体的，在目标隧道开挖后的地层损失率ηCL及隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz之后，根据目标隧道的埋深H0、隧道设计洞径D、隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz及目标隧道开挖后的地层损失率ηCL；利用如下公式：
计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)。
步骤6、根据大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)，按照如下公式，计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的水平位移u(x,z)；具体的计算公式如下：
本实施例中，选择z＝0、z＝5m、z＝8m和z＝10m四个不同竖向深度，计算该地层土体的沉降和水平位移，得到的结果如附图3和附图4所示；其中，附图3为本实施例得到的不同深度处地层沉降槽分布曲线，附图4为本实施例得到的不同深度处水平位移分布曲线；从附图3中可知，不同地层深度处的土体的沉降尽管数值大小有所不同，但是其沿横坐标呈相似分布的，并且各自地层深度对应的最大沉降均发生在过隧道拱顶的轴线对应处，它们的最大沉降值随深度增大而增大，这些规律与实际工程实践及经验是吻合的；从附图4中可以发现，在同一地层深度，随着横坐标离过拱顶的轴线的距离增大，土体的水平位移先增大后减小，而且关于该轴线对称，不同地层深度，其水平位移大小虽有所不同，但是其分布形态相似，这也是与实际地层水平位移分布近似的。
表1给出了本实施例中计算得到的不同地层深度处目标点的沉降值，表2则给出了本实施例中计算得到不同深度处目标点处的水平位移，并列出其相应的实际监测值；从表1和表2中的数据可知，本实施例预测得到的大厚度湿陷性黄土地层因隧道开挖引起的地层变形结果(目标点处的沉降值和水平位移值)与目标点处的实际监测值较为接近，验证了该方法预测的有效性和准确性。
表1实施例中不同地层深度处目标点的沉降值与实际监测值
表2实施例中不同深度处目标点处的水平位移与实际监测值
本发明所述的土体变形预测方法，基于现阶段应用最为广泛PECK公式；现有的PECK公式主要是基于黏性土而得到的，无法考虑湿陷性的附加影响造成预测偏差的问题，对于具有特殊工程性质的黄土地层变形预测存在局限性；本发明通过考虑黄土地层的“湿陷性”对现有的PECK公式中的沉降槽宽度和地层损失率计算公式进行了改进，改进后的PECK公式可以适用于大厚度湿陷性黄土地层，以计算大厚度湿陷性地层中不同深度处土体的沉降和水平位移；本发明能够为湿陷性黄土地区隧道，尤其是这些城市隧道建设需对邻近建筑物扰动进行严格控制的情况，为施工地层变形预测提供简便、快捷且针对性强的方法；具有使用方便、专业门槛低、成本少、计算快捷及准确性高的优点。
本发明针对盾构隧道穿越大厚度湿陷性地层，具有更好的适用性和有效性，而且在可研、初设及施工等阶段让设计或施工人员均可简便、快捷的使用，以便为实际工程建设中的风险控制及施工优化提供更为可靠和有效的技术支持或依据。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (5)

1.一种土体变形预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据及大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据；其中，大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据包括土体内摩擦角穿越地层的湿陷系数δs；
根据目标隧道的几何设计数据、土体内摩擦角及穿越地层的湿陷系数δs，计算得到隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz及目标隧道开挖后的地层损失率ηCL；
根据目标隧道的几何设计数据、目标隧道开挖后的地层损失率ηCL及隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz，计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)及水平位移u(x,z)，即得到土体变形预测结果；
穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据包括目标隧道的埋深H0、隧道设计洞径D、盾构刀盘外径DT及盾构管片外径DL；
隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz的表达式为：
其中，iz为隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度，0≤z≤H0；z为隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的深度值，即预设坐标系统中的纵坐标值；
其中，预设坐标系统为：以过隧道拱顶的隧道轴线与地表水平线的垂直交点作为预设坐标系统的原点，地表水平线作为横坐标轴；过隧道拱顶的隧道轴线作为纵坐标轴；
目标隧道开挖后的地层损失率ηCL的表达式为：
其中，ηCL为目标隧道开挖后的地层损失率；Gp为目标隧道盾构施工中，盾构刀盘外径DT与管片外径DL之间的几何间隙；β为与目标隧道开挖施工工艺有关的常量；
大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)的表达式为：
其中，v(x,z)为大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)处的竖向位移；x为大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)的横坐标；
大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的水平位移u(x,z)的表达式为：
其中，u(x,z)为大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)处的水平位移。
2.根据权利要求1所述的一种土体变形预测方法，其特征在于，目标隧道的穿越地层为自重湿陷性黄土时，穿越地层的湿陷系数δs为自重湿陷系数。
3.一种土体变形预测系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据及大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据；其中，大厚度湿陷性黄土地层的工程地质数据包括土体内摩擦角穿越地层的湿陷系数δs；
第一计算模块，用于根据目标隧道的几何设计数据、土体内摩擦角及穿越地层的湿陷系数δs，计算得到隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz及目标隧道开挖后的地层损失率ηCL；
第二计算模块，用于根据目标隧道的几何设计数据、目标隧道开挖后的地层损失率ηCL及隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz，计算得到大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)及水平位移u(x,z)，即得到土体变形预测结果；
穿越大厚度湿陷性黄土地层的目标隧道的几何设计数据包括目标隧道的埋深H0、隧道设计洞径D、盾构刀盘外径DT及盾构管片外径DL；
隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度iz的表达式为：
其中，iz为隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的沉降槽宽度，0≤z≤H0；z为隧道拱顶至地表间任意竖向深度处的深度值，即预设坐标系统中的纵坐标值；
其中，预设坐标系统为：以过隧道拱顶的隧道轴线与地表水平线的垂直交点作为预设坐标系统的原点，地表水平线作为横坐标轴；过隧道拱顶的隧道轴线作为纵坐标轴；
目标隧道开挖后的地层损失率ηCL的表达式为：
其中，ηCL为目标隧道开挖后的地层损失率；Gp为目标隧道盾构施工中，盾构刀盘外径DT与管片外径DL之间的几何间隙；β为与目标隧道开挖施工工艺有关的常量；
大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的竖向位移v(x,z)的表达式为：
其中，v(x,z)为大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)处的竖向位移；x为大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)的横坐标；
大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点处的水平位移u(x,z)的表达式为：
其中，u(x,z)为大厚度湿陷性黄土地层的地表至目标隧道拱顶之间任意一点(x,z)处的水平位移。
4.一种土体变形预测设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器中并可在所述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计算机程序时实现如权利要求1-2任意一项所述的一种土体变形预测设备方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-2任一项所述的一种土体变形预测设备方法的步骤。
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