CN114357562A - 一种基于外部项目附加应力的地铁隧道结构安全评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外部项目附加应力的地铁隧道结构安全评估方法，所属方法包括以下步骤：根据外部作业项目荷载作用位置及与地铁隧道结构的空间位置关系，采用角点法，计算隧道结构附加应力；根据隧道勘察设计资料，计算隧道结构初始荷载；建立外部作业项目附加应力作用的隧道荷载‑结构模型。本发明方法是将外部作业项目荷载作用下对隧道结构产生的附加应力施加到隧道荷载‑结构模型上，通过结构力学计算评估外部作业项目对隧道结构安全的影响。

Description

一种基于外部项目附加应力的地铁隧道结构安全评估方法

技术领域

本发明属于地铁隧道安全评估技术领域，尤其涉及一种基于外部项目附加应力的地铁隧道结构安全评估方法。

背景技术

近年来，随着地铁沿线土地开发强度的提高，地铁安全保护区的安全形势愈加严峻，我国于2005年起施行《城市轨道交通运营管理办法》，规定了地铁安保区的范围、外部作业类型及相应的法律责任，并于2014年起实施《城市轨道交通结构安全保护技术规范》，进一步明确了各类作业的影响等级和控制保护要求，规定了城市轨道交通结构安全控制指标及各项监测规定等；各地政府也相继出台了相关的法规、部门规章，提出了可能对轨道交通设施、建设和运营安全产生较大影响的外部作业项目(如基坑开挖、场地堆载、爆破、打桩、起重吊装等)，需委托有资质的机构针对外部作业项目对地铁结构的影响进行安全评估，但未规定评估方法、评估手段、评估指标等，由于工程项目的独特性，目前尚无统一综合的、科学的评估方法，而受于评估单位、评估人员、评审专家等技术水平影响，评估成果水平、深度等参差不齐，对实际工程现场指导价值不大。

经对现有技术文献检索发现，外部作业项目对临近地铁隧道结构安全评估方法主要包括有限元法、模糊综合评估法和解析法。

有限元法是指通过分析项目勘察、基坑支护、建筑结构以及既有地铁结构等图纸资料，建立地层-外部作业项目-地铁隧道结构三维有限元模型，模拟项目施工过程对隧道结构变形、受力影响，进一步评估地铁隧道结构安全，该方法可实现项目对地铁隧道结构安全影响的定量评价，但受于工程的独特性，一个模型只能分析一个项目，其他类似项目则需要重新建模计算，三维地层-结构有限元模型建模复杂，模型体量大，收敛性不好，计算效率低；另外，受建模人员的专业水平不同，地层物理力学参数选取各异，计算结果具有一定的随机性，评估结论可靠性也有待商榷。

模糊综合评估法是指通过建立层次-模糊综合评价模型评估地铁结构安全，具体是通过综合分析外部作业项目特点、地铁结构现状、水文地质条件、外部作业项目与地铁的空间位置关系等，制定地铁结构安全评估指标体系，采用乘积标度法分析确定评价指标权重，划分分级评价标准，结合隶属度计算，采用多级模糊综合评价，得到外部作业项目施工对地铁结构安全状态影响等级，相比有限元法，该方法不受工程独特性影响，不仅可实现本项目对地铁隧道结构安全的影响，而且可扩展到其他类似的作业项目，但是本方法评价体系的建立、指标的权重分析都是主观判断，且很多评价指标如施工方案、水文地质条件等无法定量，只能通过经验设定，这就对工程师的专业水平提出了更高要求，也就导致了评估结论往往受主观影响比较大、缺乏合理性、科学性，甚至与实际相悖，评估成果可鉴定性差。

解析法是将隧道-地层考虑为一维的弹性地基梁模型，通过施加外部作业项目附加应力，得到隧道梁结构的附加竖向位移，该方法既可实现项目对地铁隧道结构安全影响的定量评价，且不受工程独特性影响，也可扩展到其他类似项目，但是该方法挠度微分方程求解复杂，计算体量大，对工程师的力学、数学功底要求较高，另外，该方法是基于一维的梁-弹簧模型，仅得到隧道纵向的位移、曲率情况，而隧道变形为三维的，该方法无法直接得到隧道横向收敛变形、隧道结构内力等指标，评估指标不全面、不系统。

外部作业项目施工对地铁结构荷载作用无非是加载、卸载，造成隧道结构大面积或局部超载、偏压、欠压，导致隧道结构变形超限、结构开裂、上浮、差异沉降等病害，因此，从结构力学角度，本发明提供一种基于外部项目附加应力的地铁隧道结构安全评估方法，采用解析法得到隧道结构附加应力，借助荷载-结构模型建模简单、受力明确、计算效率高、荷载变换实现多工况分析等优势，通过荷载-结构有限元计算，分析外部作业项目对隧道结构安全的影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种计算结果更可靠；计算量降低、计算效率提高，扩展性好，类似工程可套用的含量占比的基于外部项目附加应力的地铁隧道结构安全评估方法。

本发明是这样实现的，一种基于外部项目附加应力的地铁隧道结构安全评估方法，所属方法包括以下步骤：

S1、根据外部作业项目荷载作用位置及与地铁隧道结构的空间位置关系，采用角点法，计算隧道结构附加应力；

S2、根据隧道勘察设计资料，计算隧道结构初始荷载；

S3、建立外部作业项目附加应力作用的隧道荷载-结构模型，步骤如下:(1)建立几何模型，(2)定义材料参数，(3)划分网格，(4)设置边界条件，(5)设置分析类型；

S4、提取外部作业项目参数，通过控制变量法，设置计算工况，按照S3步骤求解得到不同作业项目参数下的隧道结构变形、应力；

S5、拟合外部作业单变量与隧道结构安全评估指标的一元回归方程，外部作业项目多变量和地铁结构安全指标的多元回归方程。

作为本发明优选的，上述步骤S1中，(1)沿隧道轴向均分若干个计算单元，每个计算单元的长度为di，各个计算单元的附加应力取计算单元中点对应的附加应力；

(2)以U1计算点为例，外部作业项目荷载pn对隧道拱顶轴线U1点产生的竖向附加应力σ_z(U₁)：

(3)同理，以V1计算点为例，外部作业项目荷载pn对隧道边墙轴线V1点产生的水平附加应力σ_x(V₁)：

作为本发明优选的，上述步骤S2中，隧道顶部竖向土压力P1满足以下公式：P₁＝γ'h；

其中，γ'为隧道深度范围内土层加权平均重度；h为隧道埋深；

隧道顶部侧向土压力T1满足以下公式：T₁＝λ_DP₁；

其中，λ_D为隧道穿越地层的侧压力系数；

隧道底部侧向土压力T2满足以下公式：T₂＝T₁+λγ_DD；

其中，γ_D为隧道穿越地层的容重；D为隧道高度；

地层抗力S参考地勘资料中地层基床系数确定。

作为本发明优选的，上述步骤S3中，采用CAD导入隧道二衬结构轮廓线，通过二维平面拉伸方法得到隧道二衬的三维几何模型，模型x方向为隧道横向，z方向为隧道竖向，y方向为隧道轴向；

二衬采用混凝土各向同性弹性模型，赋予结构力学参数，包括弹性模量、泊松比、容重；

二衬采用三维实体单元，采用混合网格生成器划分网格，网格尺寸自行设置；

二衬与地层之间设置曲面弹簧，法向刚度系数根据地层基床系数选取，切向刚度系数可取法向刚度系数的0.1倍，设置为仅受压弹簧，模型轴向两端设置y方向位移约束；

设置分析类型分为：应力分析：施加S2初始荷载和S1附加应力，求解类型线性静力，变形分析：施加S1附加应力，求解类型选择线性静力。

作为本发明优选的，上述步骤S4中，(1)隧道结构安全评估指标包括但不限于隧道竖向位移、隧道水平位移、结构最大主应力、结构最小主应力、隧道变形曲率；

(2)隧道竖向位移、隧道水平位移、结构最大主应力、结构最小主应力：取变形云图、应力云图中绝对值最大值；

(3)隧道变形曲率半径：提取模型中特征线竖向位移数据拟合公式，对其求一阶导、二阶导，计算曲率/曲率半径，

式中，f为沿着隧道纵向的竖向位移函数；δ为曲率；ρ为曲率半径。

作为本发明优选的，式中，

为矩形U₁gbd、U₁gae、U₁fcd、U₁foe均布荷载下的竖向附加应力系数；x为外部作业项目荷载与隧道结构的横向距离；y为外部作业项目荷载与隧道结构附加应力计算点的纵向距离；z为外部作业项目荷载作用区与隧道结构的竖向净距；b为外部作业项目荷载作用区宽度；l为外部作业项目荷载作业区长度；

式中，σ_z(V₁)外部作业项目荷载pn对隧道边墙轴线V1点竖向附加应力；λ为隧道穿越地层的侧压力系数；

为矩形V₁gbk、V₁gaj、V₁fck、V₁foj均布荷载下的竖向附加应力系数，计算方法参考U1计算点。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、相比传统有限元法，荷载结构模型受力体系明确，规避了地层力学参数选取的不确定性，计算结果更可靠；计算量降低、计算效率提高，扩展性好，类似工程可套用。

2、相比模糊综合评估法，本方法属于结构力学计算，受人员主观因素影响小，可得到基坑施工对地铁结构影响的量化指标，合理性、科学性、严谨性更强。

3、相比解析法，本方法基于荷载-结构有限元分析模型得到的结构安全评估指标包含结构变形、结构应力，评估指标更直接、更全面、扩展性更强。

附图说明

图1是本发明实施例提供基于附加应力的地铁隧道结构安全评估方法流程图；

图2是本发明实施例提供隧道荷载-结构模型建模流程图；

图3是本发明实施例提供外部作业项目荷载附加应力计算平面图；

图4是本发明实施例提供外部作业项目荷载附加应力计算剖面图；

图5是本发明实施例提供附加应力计算单元划分示意图；

图6是本发明实施例提供隧道二衬结构断面；

图7是本发明实施例提供隧道荷载-结构受力简图；

图8是本发明实施例提供隧道荷载-结构模型；

图9是本发明实施例提供计算结果云图(工况1)；

图10是本发明实施例提供地面堆载下隧道结构纵向沉降变形曲线；

图11是本发明实施例提供地面堆载单变量与隧道结构变形指标的拟合曲线；

图12是本发明实施例提供地面堆载单变量与隧道结构应力指标的拟合曲线。

具体实施方式

本实施案例以某矿山法地铁隧道地面堆载为例对技术方案进行说明，地面堆载距离隧道结构边线净距x＝5m，堆载宽度b＝5m，堆载高度H＝3m，隧道埋深h＝5.89m～6.15m，地层自上而下依次为素填土、粉质黏土、粉细砂、强风化花岗岩，土层加权平均重度为γ'＝20kN/m³，平衡区间隧道位于强风化花岗岩中，水平基床系数为S＝140MPa/m，侧压力系数为λ_D＝0.33；二衬设计为马蹄形断面，采用C45混凝土，厚度为300mm，净断面为6.0×5.8m(B×D)，隧道断面结构如图6。

(1)根据地面堆载位置与地铁隧道结构的空间位置关系，采用角点法，沿隧道轴向划分10个计算单元，每个单元长度10m，计算隧道结构轴向各个计算点的附加应力，计算结果如表1中工况1所列。

(2)根据隧道勘察、结构设计参数，计算隧道结构初始荷载如下：隧道顶部竖向土压力P₁＝120kPa，隧道顶部侧向土压力T₁＝39.6kPa，隧道底部侧向土压力T₂＝77.88kPa。

(3)按照S3步建立隧道三维荷载-结构有限元模型，如图7，其中，模型y方向长度100m，二衬弹性模量＝3.35×10⁷kPa、泊松比＝0.2、容重＝25kN/m³、法向刚度系数＝140MPa/m。

(4)对于地面堆载作业项目，地面堆载变量包括堆载位置x、堆载宽度b、堆载长度l、堆载高度H，采用控制变量法设置计算工况，带入S1计算各工况附加应力，通过荷载-结构有限元模型迭代计算，结合S4提取各工况计算结果，如下表。

(5)根据S5拟合地面堆载单变量与隧道结构安全评估指标的一元回归方程、地面堆载多变量和地铁结构安全指标的多元回归方程。

堆载宽度b与隧道结构变形指标的拟合公式：

D_z＝-0.04146×e^(-b/4.10987)+0.0546,R²＝0.99945

D_x＝-0.04911×e^(-b/4.36423)+0.0488,R²＝0.99964

R＝[1.81263×e^(-b/2.89215)+2.12142]×10⁶,R²＝0.99958

堆载高度H与隧道结构变形指标的拟合公式：

D_z＝0.0282+0.00282H,R²＝1

D_x＝0.0221+0.00222H,R²＝1

R＝[2.61185×e^{(-H/12.01331)}+0.713892]×10⁶,R²＝0.99922

堆载长度l与隧道结构变形指标的拟合公式：

D_z＝-0.12125×e^(-l/8.65175)+0.05425,R²＝0.99806

D_x＝-0.09409×e^(-l/9.04156)+0.04343,R²＝0.99732

R＝[0.54446×e^{-l/(-7.53609)}+1.93449]×10⁶,R²＝0.99809

堆载位置x与隧道结构变形指标的拟合公式：

D_z＝-0.20476×e^(-x/3.15377)+3.37924×10^-4,R²＝0.9998

D_x＝-0.10439×e^(-x/4.36177)+4.14546×10^-5,R²＝0.99989

R＝[1.08661×e^-x/(-5.2257)-5.46651]×10⁷,R²＝0.99941

堆载位置x、堆载宽度b、堆载高度H、堆载长度l与隧道竖向变形的拟合公式：

D_z＝-0.01694+0.0152H-0.00202x+(8.65816b+7.67561l)×10^-4,R²＝0.9301

D_x＝-0.01042+0.0115H-0.00202x+(9.05005b+5.51769l)×10^-4,R²＝0.9361

R＝(-131.757+6.97342H+9.8255x+1.40003b+1.46272l)×10⁷,R²＝0.70144

堆载宽度b与隧道结构应力指标的拟合公式：

σ₁＝17.26811×e^-b/4.46895+180.12447,R²＝0.99974

σ₃＝-97.95643×e^-b/4.21731+3048.04299,R²＝0.99952

堆载高度H与隧道结构应力指标的拟合公式：

σ₁＝195.73291-3.38826×H,R²＝0.99915

σ₃＝2928.52143+29.81429×H,R²＝1

堆载长度l与隧道结构应力指标的拟合公式：

σ₁＝43.29418×e^-l/5.67377+184.50118,R²＝0.99508

σ₃＝-206.26781×e^-l/12.61076+3060.25751,R²＝0.9999

堆载位置x与隧道结构应力指标的拟合公式：

σ₁＝-38.83244×e^-x/3.93641+196.62356,R²＝0.98509

σ₃＝372.87605×e^-x/3.3864+2932.87299,R²＝0.99986

堆载位置x、堆载宽度b、堆载高度H、堆载长度l与隧道结构应力的拟合公式：

σ₁＝198.08001-3.60746H+0.53578x-0.32646b-0.09662l,R²＝0.92371

σ₃＝2885.60039+31.69535H-4.15002x+1.95045b+2.06892l,R²＝0.92371。

Claims (6)

1.一种基于外部项目附加应力的地铁隧道结构安全评估方法，其特征在于：所属方法包括以下步骤：

S1、根据外部作业项目荷载作用位置及与地铁隧道结构的空间位置关系，采用角点法，计算隧道结构附加应力；

S2、根据隧道勘察设计资料，计算隧道结构初始荷载；

S3、建立外部作业项目附加应力作用的隧道荷载-结构模型，步骤如下:(1)建立几何模型，(2)定义材料参数，(3)划分网格，(4)设置边界条件，(5)设置分析类型；

S4、提取外部作业项目参数，通过控制变量法，设置计算工况，按照S3步骤求解得到不同作业项目参数下的隧道结构变形、应力；

S5、拟合外部作业单变量与隧道结构安全评估指标的一元回归方程，外部作业项目多变量和地铁结构安全指标的多元回归方程。

2.如权利要求1所述的一种基于外部项目附加应力的地铁隧道结构安全评估方法，其特征在于：上述步骤S1中，(1)沿隧道轴向均分若干个计算单元，每个计算单元的长度为di，各个计算单元的附加应力取计算单元中点对应的附加应力；

(2)以U1计算点为例，外部作业项目荷载pn对隧道拱顶轴线U1点产生的竖向附加应力σ_z(U₁)：

(3)同理，以V1计算点为例，外部作业项目荷载pn对隧道边墙轴线V1点产生的水平附加应力σ_x(V₁)：

3.如权利要求2所述的一种基于外部项目附加应力的地铁隧道结构安全评估方法，其特征在于：上述步骤S2中，隧道顶部竖向土压力P1满足以下公式：P₁＝γ'h；

其中，γ'为隧道深度范围内土层加权平均重度；h为隧道埋深；

隧道顶部侧向土压力T1满足以下公式：T₁＝λ_DP₁；

其中，λ_D为隧道穿越地层的侧压力系数；

隧道底部侧向土压力T2满足以下公式：T₂＝T₁+λγ_DD；

其中，γ_D为隧道穿越地层的容重；D为隧道高度；

地层抗力S参考地勘资料中地层基床系数确定。

4.如权利要求3所述的一种基于外部项目附加应力的地铁隧道结构安全评估方法，其特征在于：上述步骤S3中，采用CAD导入隧道二衬结构轮廓线，通过二维平面拉伸方法得到隧道二衬的三维几何模型，模型x方向为隧道横向，z方向为隧道竖向，y方向为隧道轴向；

二衬采用混凝土各向同性弹性模型，赋予结构力学参数，包括弹性模量、泊松比、容重；

二衬采用三维实体单元，采用混合网格生成器划分网格，网格尺寸自行设置；

二衬与地层之间设置曲面弹簧，法向刚度系数根据地层基床系数选取，切向刚度系数可取法向刚度系数的0.1倍，设置为仅受压弹簧，模型轴向两端设置y方向位移约束；

设置分析类型分为：应力分析：施加S2初始荷载和S1附加应力，求解类型线性静力，变形分析：施加S1附加应力，求解类型选择线性静力。

5.如权利要求4所述的一种基于外部项目附加应力的地铁隧道结构安全评估方法，其特征在于：上述步骤S4中，(1)隧道结构安全评估指标包括但不限于隧道竖向位移、隧道水平位移、结构最大主应力、结构最小主应力、隧道变形曲率；

(2)隧道竖向位移、隧道水平位移、结构最大主应力、结构最小主应力：取变形云图、应力云图中绝对值最大值；

(3)隧道变形曲率半径：提取模型中特征线竖向位移数据拟合公式，对其求一阶导、二阶导，计算曲率/曲率半径，

式中，f为沿着隧道纵向的竖向位移函数；δ为曲率；ρ为曲率半径。

6.如权利要求2所述的一种基于外部项目附加应力的地铁隧道结构安全评估方法，其特征在于：式中，

为矩形U₁gbd、U₁gae、U₁fcd、U₁foe均布荷载下的竖向附加应力系数；x为外部作业项目荷载与隧道结构的横向距离；y为外部作业项目荷载与隧道结构附加应力计算点的纵向距离；z为外部作业项目荷载作用区与隧道结构的竖向净距；b为外部作业项目荷载作用区宽度；l为外部作业项目荷载作业区长度；

式中，σ_z(V₁)外部作业项目荷载pn对隧道边墙轴线V1点竖向附加应力；λ为隧道穿越地层的侧压力系数；

为矩形V₁gbk、V₁gaj、V₁fck、V₁foj均布荷载下的竖向附加应力系数，计算方法参考U1计算点。

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