CN115879199A - 隧道下穿施工的安全评价模型的构建与安全评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的隧道下穿施工的安全评价模型的构建与安全评价方法，隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法是通过构建孔径弹塑性本构模型，确定目标区域的孔扩解析解，并利用孔扩解析解，确定隧道开挖所引起的地层形变以及目标区域既有建筑物所引起的第一桩基沉降，并基于地层形变以及第一桩基沉降，确定在目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降，进而通过获取既有建筑的框架结构数据，并在框架结构数据上施加第二桩基沉降荷载，得到隧道扰动后的框架结构三维变形，即隧道下穿施工的安全评价模型，从而通过构建的隧道下穿施工的安全评价模型反应由于隧道开挖引起的地层变形，并通过隧道下穿施工的安全评价模型对邻近既有建筑的稳定性进行评价。

Description

隧道下穿施工的安全评价模型的构建与安全评价方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术应用领域，具体涉及一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建与安全评价方法。

背景技术

隧道工程及地下管廊的建设，随着修建数量增长、分布范围扩大、地层环境愈加复杂，必然涉及到诸多“穿越工程”或“近接工程”，它们不仅在周围土体形成应力松弛和变形，还将影响邻近构筑物的安全可靠性和整体稳定性。隧道开挖位置一般都位于城市中心地区，附近已经建有各类建筑物和复杂的地下结构，而这些构筑物大都采用桩基础，由于隧道掘进所引起的地层位移以及应力释放将不可避免地造成周围桩基沉降、变形甚至失效，进而改变地上建筑物结构受力状态，导致倾斜、裂缝甚至安全事故。

在相关技术中，我国现有的隧道工程，如盾构隧道开挖面工程中，仅对隧道施工过程中涉及的变形进行监测，无法反应由于隧道开挖引起的地层变形，缺少对邻近既有建筑的稳定性的安全管控。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的无法反应隧道下穿工程对临近既有建筑物稳定性带来的影响的缺陷，从而提供一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建与安全评价方法。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法，包括：构建孔径弹塑性本构模型，并基于弹塑性本构模型，确定目标区域的孔扩解析解；基于孔扩解析解，确定在目标区域构建隧道所引起的地层变化；基于孔扩解析解，确定目标区域的既有建筑物所引起的第一桩基沉降；基于地层变化及第一桩基沉降，确定在目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降；获取既有建筑的框架结构数据，基于第二桩基沉降及框架结构数据，构建隧道下穿施工的安全评价模型。

可选地，孔扩解析解包括：弹塑性小孔收缩解析解与大应变假设，基于孔扩解析解，确定在目标区域构建隧道所引起的地层变化，包括：基于大应变假设，确定隧道开挖变形引起的周围介质的应力、应变演化过程；基于应力、应变演化过程与弹塑性小孔收缩解析解，确定隧道开挖引起的地层变化。

可选地，孔扩解析解包括：弹塑性小孔扩张解析解、弹塑性小孔球形解析解与弹塑性小孔柱形解析解，桩基包括：桩身与桩端，基于孔扩解析解及地层变化确定地层变化所引起的第一桩基沉降，包括：确定桩基的类型，类型包括位移桩和非位移桩；在类型为位移桩时，通过弹塑性小孔球形解析解描述桩端，通过弹塑性小孔柱形解析解描述桩身；通过弹塑性小孔扩张解析解，确定桩端与桩身的扩张压力；通过扩张压力，确定桩端的极限承载力；获取桩基在不同阶段对应的周围土体参数与桩基的第一双参数曲线；基于极限承载力、周围土体参数与双参数曲线，确定桩基在不同阶段的第一荷载-沉降曲线，并通过第一荷载-沉降曲线，确定地层变化所引起的第一桩基沉降。

可选地，孔扩解析解包括：弹塑性小孔扩张解析解，基于地层变化及第一桩基沉降，确定在目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降，包括：基于地层变化及弹塑性小孔扩张解析解，确定桩基的竖向承载力；基于隧道引起的地层变化，获取桩基在不同阶段对应的周围土体参数与桩基的第二双参数曲线；基于第二双参数曲线与竖向承载力，确定桩基的第二荷载-沉降曲线，并通过第二荷载-沉降曲线，确定在目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种隧道下穿施工的安全评价方法，包括：获取目标区域的隧道下穿的施工数据；基于预设的隧道下穿施工的安全评价模型，建立用于隧道下穿施工工程的数字孪生体，对施工状态进行仿真模拟计算；基于施工数据与数字孪生体，确定与施工数据对应的指标的预测概率；基于预测概率与预设的概率阈值，确定目标区域的隧道下穿施工工程安全评价情况。

可选地，基于施工数据与数字孪生体，确定与施工数据对应的指标的预测概率，包括：基于施工数据，通过数字孪生体，计算与施工数据对应的指标；基于指标，通过可靠度分析，确定与指标对应的预测概率。

可选地，隧道下穿施工的安全评价方法，还包括：获取隧道下穿的历史事故数据；基于历史事故数据，通过隧道下穿施工的安全评价模型，确定与事故对应的因素指标。

根据第三方面，本发明实施例提供了一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建装置，包括：孔扩解析解确定单元，被配置为构建孔径弹塑性本构模型，并基于弹塑性本构模型，确定目标区域的孔扩解析解；地层变化确定单元，被配置为基于孔扩解析解，确定在目标区域构建隧道所引起的地层变化；第一桩基沉降确定单元，被配置为基于孔扩解析解，确定目标区域的既有建筑物所引起的第一桩基沉降；第二桩基沉降确定单元，被配置为基于地层变化及第一桩基沉降，确定在目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降；评价模型构建单元，被配置为获取目标区域的既有建筑的框架结构数据，基于第二桩基沉降及框架结构数据，构建隧道下穿施工的安全评价模型。

根据第四方面，本发明实施例提供了一种隧道下穿施工的安全评价装置，包括：施工数据获取单元，被配置为获取目标区域的隧道下穿的施工数据；数字孪生体建立单元，被配置为基于预设的隧道下穿施工的安全评价模型，建立用于隧道下穿施工工程的数字孪生体，对施工状态进行仿真模拟计算；预测概率确定单元，被配置为基于施工数据与数字孪生体，确定与施工数据对应的指标的预测概率；评价情况确定单元，被配置为基于预测概率与预设的概率阈值，确定目标区域的隧道下穿施工工程安全评价情况。

根据第五方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器中存储有可计算机程序指令，当指令被至少一个处理器执行，实现如第一方面任一实施方式的隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法或第二方面任一实施方式的隧道下穿施工的安全评价方法。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建与安全评价方法，隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法包括：构建孔径弹塑性本构模型，并基于弹塑性本构模型，确定目标区域的孔扩解析解；基于孔扩解析解，确定在目标区域构建隧道所引起的地层变化；基于孔扩解析解及地层变化确定地层变化所引起的第一桩基沉降；基于地层变化及第一桩基沉降，确定在目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降；获取目标区域的既有建筑的框架结构数据，基于第二桩基沉降及框架结构数据，构建隧道下穿施工的安全评价模型。通过构建孔径弹塑性本构模型，确定目标区域的孔扩解析解，并利用孔扩解析解，确定隧道开挖所引起的地层形变以及目标区域既有建筑物所引起的第一桩基沉降，并基于地层形变以及第一桩基沉降，确定在目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降，进而通过获取既有建筑的框架结构数据，并在框架结构数据上施加第二桩基沉降荷载，得到隧道扰动后的框架结构三维变形，即隧道下穿施工的安全评价模型，从而通过构建的隧道下穿施工的安全评价模型反应由于隧道开挖引起的地层变形，并通过隧道下穿施工的安全评价模型对邻近既有建筑的稳定性进行评价。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建与安全评价方法的应用场景示意图；

图2为本发明实施例提供的一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法的一个具体实例的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法的一个解析解确定过程的流程图；

图4为本发明实施例提供的一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法在目标区域构建隧道所引起的框架结构变形示意图；

图5为本发明实施例提供的一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法在目标区域构建隧道所引起的地层形变示意图；

图6为本发明实施例提供的一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法在目标区域构建隧道所引起的荷载-桩基沉降示意图；

图7为本发明实施例提供的一种隧道下穿施工的安全评价方法的一个具体实例的流程图；

图8为本发明实施例提供的一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建装置的一个具体示例的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种隧道下穿施工的安全评价装置的一个具体示例的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的计算机设备的结构示例图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例提供一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建与安全评价方法，应用于如图1所示场景，图1(a)为目标区域的剖面图，其中，ri表示隧道的半径，即隧道中心点至隧道周边介质的距离，A、B、C、D分别表示由于在目标区域构建隧道对既有建筑所产生的力，图1(b)为目标区域的另一个剖面图，示意性地展示了隧道在下穿施工过程中受地层影响受的力。

本实施例提供一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法，如图2所示，包括如下步骤：

S101、构建孔径弹塑性本构模型，并基于弹塑性本构模型，确定目标区域的孔扩解析解。

具体地，孔径弹塑性本构模型包括：理想本构模型、临界状态土力学本构模型和基于广义Hoek-Brown准则的弹塑性本构模型等。不同的本构模型孔径弹塑性本构模型用于表征隧道下穿工程中不同指标的情况，

在实际应用中，如表征隧道下穿工程的屈服面指标时，通过如下公式表示考虑各向异性和结构性本构模型的屈服面方程：

其中，f为屈服函数，s为偏应力张量，β为屈服面的旋转硬化张量，p’为平均应力，N^*为考虑摩擦结构性和三维强度的临界应力比，p_c ^*为屈服面大小控制参数。

各向异性张量的控制方程通过如下公式表达：

其中，α为各向异性张量，D为材料质点运动的拉格朗日微分，_ρ为材料质点相对位置比，

为随应力屈服和结构弱化引起的各向异性张量α变化，K_p为加载指数系数，B_i为不同方向的塑性矩阵系数，H_i为不同方向的弹塑性矩阵系数。

具体地，目标区域的孔扩解析解包括：弹塑性小孔收缩解析解、大应变假设、弹塑性小孔扩张解析解、弹塑性小孔球形解析解与弹塑性小孔柱形解析解等。不同的解析解用于分析不同地层，如不同类型的岩性、土层和特定的岩土等情况。

在实际应用中，目标区域的孔扩平衡方程通过如下公式表达：

其中，d为岩土介质单元在某一特性时刻的欧拉微分，σ′_r、σ′_θ分别为孔周介质径向和环向的有效应力，u为孔周介质的孔隙水压力，r为孔周介质至孔心的径向距离，m为球形和柱形小孔的参数，n为小孔扩张和收缩的参数。

在实际应用中，各孔径弹塑性本构模型均具有与孔径弹塑性本构模型对应的参数标定，基于弹塑性本构模型的参数标定，通过土工实验拟合即可确定目标区域的孔扩解析解。如图3所示，示例性地展示了弹塑性小孔收缩解析解的确定过程，其中，初始应力参数、初始状态参数、初始小孔参数、初始材料参数、应力状态和应力参数通过弹塑性本构模型的参数标定与隧道下穿工程中的实际施工数据获取，图中所示通过子程序更新盈利和状态参数的过程，相当于通过土工实验拟合即可确定目标区域的孔扩解析解的过程。通过土工实验拟合的方式确定目标区域的孔扩解析解属于较为成熟的技术，本发明对此不再进行赘述。

S102、基于孔扩解析解，确定在目标区域构建隧道所引起的地层变化。

具体地，基于孔扩解析解，确定在目标区域构建隧道所引起的地层变化是指通过大应变假设，确定在目标区域进行隧道挖掘所引起的地层形变，即确定隧道开挖变形引起的周围介质的应力、应变演化过程，并结合弹塑性小孔收缩解析解，确定弹塑性力学特性、土的各向异性及结构性影响，即确定隧道开挖引起的地层变化。

S103、基于孔扩解析解，确定目标区域的既有建筑物所引起的第一桩基沉降。

具体地，基于孔扩解析解，确定目标区域的既有建筑物所引起的第一桩基沉降是指通过弹塑性小孔球形解析解描述桩端，通过弹塑性小孔柱形解析解描述桩身，从而通过桩端与桩身的扩张结果表示既有建筑打桩过程所引起的地层变化，即第一桩基沉降。在实际应用中，孔扩的过程为初始土力尺寸扩张为桩径尺寸的过程。

S104、基于地层变化及第一桩基沉降，确定在目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降。

具体地，基于地层变化及第一桩基沉降，确定在目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降是指将地层变化作为荷载，加载到确定的第一桩基沉降中，形成扰动后的荷载-沉降曲线，进而确定在目标区域构建隧道所引起的地层形变，即第二桩基沉降。

S105、获取既有建筑的框架结构数据，基于第二桩基沉降及框架结构数据，构建隧道下穿施工的安全评价模型。

具体地，基于第二桩基沉降及框架结构数据，构建隧道下穿施工的安全评价模型，包括：基于第二桩基沉降及框架结构数据，确定在目标区域构建隧道所引起的既有建筑的框架结构三维变形和受力情况；基于地层变化、第一桩基沉降、第二桩基沉降、框架结构三维变形和受力情况，构建隧道下穿施工的安全评价模型。

在实际应用中，如图4所示，将第二桩基沉降作为荷载，加载到既有建筑的框架结构数据中，通过弹性静力分析得到的隧道扰动后的框架结构三维变形和受力情况。在图4中为显示变形效果，建筑结构的变形放大比例为真实变形的20倍。

在实际应用中，基于地层变化、第一桩基沉降、第二桩基沉降、框架结构三维变形和受力情况，构建隧道下穿施工的安全评价模型是指通过地层变化、第一桩基沉降、第二桩基沉降、框架结构三维变形和受力情况，确定隧道下穿施工中的安全评价指标，对安全评价指标设置安全等级及各安全等级对应阈值。隧道下穿施工中的安全评价指标，包括：地层稳定评价、掌子面安全评价、隧道突水风险评价、桩基承载力评价、桩基沉降、桩基安全系数、框架结构安全评价，其中，地层稳定评价、掌子面安全评价、隧道突水风险评价通过弹塑性小孔收缩解析解确定，即通过确定在目标区域构建隧道所引起的地层变化过程中确定，地层稳定评价用于判断隧道开挖所引起的地层变形过程，掌子面安全评价用于判断开挖引起的应力释放过程，隧道突水风险用于判断孔隙水压力变化；桩基承载力评价、桩基沉降、桩基安全系数通过弹塑性小孔扩张解析解确定，即通过确定第一桩基沉降与第二桩基沉降过程中确定，桩基承载力评价用于判断隧道开挖所引起的地层变形对既有建筑的桩基的影响，桩基沉降与桩基安全系数用于判断既有建筑的荷载情况。

应该理解的是，通过扩孔解析解确定隧道下穿施工中的安全评价指标的过程是根据孔径弹塑性本构模型以及对应本构模型的参数标定进行的计算，根据本构模型与对应的参数标定不同，确定的扩孔解析解不同，且根据孔径弹塑性本构模型以及对应本构模型的参数标定进行计算属于较为成熟的技术，本发明对此不再进行赘述。

通过实施本实施例，通过构建孔径弹塑性本构模型，确定目标区域的孔扩解析解，并利用孔扩解析解，确定隧道开挖所引起的地层形变以及目标区域既有建筑物所引起的第一桩基沉降，并基于地层形变以及第一桩基沉降，确定在目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降，进而通过获取既有建筑的框架结构数据，并在框架结构数据上施加第二桩基沉降荷载，得到隧道扰动后的框架结构三维变形，即隧道下穿施工的安全评价模型，从而通过构建的隧道下穿施工的安全评价模型反应由于隧道开挖引起的地层变形，并通过隧道下穿施工的安全评价模型对邻近既有建筑的稳定性进行评价。

在一种可选实施方式中，为确定在目标区域构建隧道对目标区域地层的影响，上述步骤S102的过程，具体包括：

(1)基于大应变假设，确定隧道开挖变形引起的周围介质的应力、应变演化过程。

在实际应用中，孔扩解析解包括：弹塑性小孔收缩解析解与大应变假设。

具体地，通过如下公式表示大应变假设：

其中，ε_r表示径向大应变，ε_θ表示环向大应变，r表示在周围介质的影响下的隧道的半径，r₀表示未受周围介质的影响的隧道的初始半径。

在实际应用中，在周围介质的影响下的隧道的半径表示屈服后的孔径大小，即屈服后的隧道中心点至随到周边介质的距离。通过孔扩解析解可以确定土的弹塑性力学特性、土的各向异性与结构的影响，通过引入大应变假设，确定隧道开挖所引起的地层大变形，克服传统的小变形假设带来的计算误差，通过隧道半径在隧道挖掘过程中的变化过程，确定不同地层条件和土体状态参数的影响规律，其中，土体状态参数包括应力条件、土体本征参数、相对密实度或各向异性状态参数等，进而描述隧道开挖变形引起的周围介质的应力、应变演化过程。应该理解的是，通过扩孔解析解，确定隧道开挖变形，即孔径收缩变形引起的周围介质的应力、应变演化过程属于较为成熟的技术，本发明对此不再进行赘述。

(2)基于应力、应变演化过程与弹塑性小孔收缩解析解，确定隧道开挖引起的地层变化。

在实际应用中，基于应力、应变演化过程与弹塑性小孔收缩解析解，通过考虑地表影响的不均匀变形场修正方法，得到隧道开挖引起的地层变化，如图5所示，示例性地展示了基于弹塑性小孔收缩解析解得到的隧道开挖引起的地层变形场。弹塑性小孔收缩的计算过程中可以得到隧道开挖变形，即理想条件下圆形小孔收缩变形引起的周围介质的应力、应变演化过程，并且获得不同地层条件和土体状态参数的影响规律，进而利用考虑地表影响的不均匀变形场修正方法，确定隧道开挖引起的底层变化。应该理解的是，考虑地表影响的不均匀变形场修正方法属于较为成熟的技术，本发明对此进行赘述。

在实际应用中，通过确定隧道开挖引起的地层变化可以确定地层稳定情况、掌子面安全情况以及隧道突水风险情况，地层稳定评价用于判断隧道开挖所引起的地层变形过程，掌子面安全评价用于判断开挖引起的应力释放过程，隧道突水风险用于判断孔隙水压力变化，通过确定地层稳定情况、掌子面安全情况以及隧道突水风险情况，为后续构建隧道下穿施工的安全评价模型，确定隧道下穿施工中的安全评价指标以及对安全评价指标设置安全等级及对应阈值提供数据基础。

通过实施本实施例，通过大应变假设，确定隧道开挖变形引起的周围介质的应力、应变演化过程，并结合弹塑性小孔收缩解析解，确定隧道开挖引起的地层变化，确定在目标区域构建隧道对目标区域地层的影响。这一过程中，通过确定地层稳定情况、掌子面安全情况以及隧道突水风险情况为后续构建隧道下穿施工的安全评价模型，确定隧道下穿施工中的安全评价指标以及对安全评价指标设置安全等级及对应阈值提供数据基础。

在一种可选实施方式中，为确定目标区域中既有建筑在打桩过程中所引起桩基沉降，上述步骤S103的过程，具体包括：

(1)确定桩基的类型，类型包括位移桩和非位移桩。

在实际应用中，孔扩解析解包括：弹塑性小孔扩张解析解、弹塑性小孔球形解析解与弹塑性小孔柱形解析解，桩基包括：桩身与桩端。

在实际应用中，如桩基的类型为非位移桩，非位移桩在既有建筑的打桩过程中所引起的桩基沉降按初始桩径扩大10％的扩张过程进行计算。

(2)在类型为位移桩时，通过弹塑性小孔球形解析解描述桩端，通过弹塑性小孔柱形解析解描述桩身。

在实际应用中，位移桩的桩身与桩端的扩张过程均为初始土颗粒尺寸扩张为桩径尺寸的过程，通过弹塑性小孔球形解析解描述桩端，通过弹塑性小孔柱形解析解描述桩身，使桩端与桩身的扩张结果表征建筑在打桩过程中所引起的地层变换，即第一桩基沉降。

(3)通过弹塑性小孔扩张解析解，确定桩端与桩身的扩张压力。

在实际应用中，通过弹塑性小孔扩张解析解，确定桩端与桩身的扩张压力属于较为成熟的技术，本发明对此不再进行赘述。

(4)通过扩张压力，确定桩端的极限承载力。

具体地，通过如下公式表示桩端的极限承载力：

q_t＝P_a,sph·(1+tanαtanφ)，

whereα＝45°+φ/2，

其中，α对应的角度如图1所示，q_t表示桩端的极限承载力，p_a,sph表示球形孔径扩张压力。

在一种可选实施方式中，为确定桩基竖向承载合力，通过桩端的极限承载力，确定桩基竖向承载合力。桩基竖向承载合力通过如下公式表示：

其中，Q表示桩基竖向承载合力，Q_tip表示桩端承载合力，Q_shaft表示桩身承载合力，z_p表示桩基长度，r_p表示桩基半径，b_p表示桩基直径，τ_s表示桩身摩阻力。

桩身摩阻力通过如下公式表达：

τ_s＝σ′_r,s·tanδ_f，

其中，σ'_r,s表示柱形孔径扩张压力。

(5)获取桩基在不同阶段对应的周围土体参数与桩基的第一双参数曲线。

在实际应用中，桩基的不同阶段包括打桩阶段、承载力测试阶段、加载服役状态，周围土体参数是指周围土体地基刚度，第一双参数曲线中的双参数分别是指荷载与沉降。

(6)基于极限承载力、周围土体参数与双参数曲线，确定桩基在不同阶段的第一荷载-沉降曲线，并通过第一荷载-沉降曲线，确定地层变化所引起的第一桩基沉降。

具体地，通过如下公式表示第一荷载-沉降曲线：

其中，q表示荷载，s表示沉降，k_i表示周围土体地基刚度。

在实际应用中，如图6所示，第一荷载-沉降曲线为虚线构成的初始荷载沉降曲线，示例性地展示了桩端荷载与桩端沉降的关系。

在一种可选实施方式中，为确定桩基的荷载符合规范要求，需要确定桩基的安全系数，桩基的安全系数包括桩基竖向承载合力与当荷载的比大于规范允许的最小安全系数；桩基加载荷载后沉降小于规范允许的最大沉降值。

具体地，通过如下公式表示桩基竖向承载合力与当前荷载的比：

SF_Q＝Q/Q_serve≥x，

其中，SF_Q表示桩基承载力与当荷载的比，Q_serve表示当前荷载，x表示规范允许的最小安全系数。

在实际应用中，通常x选取2.0作为规范允许的最小安全系数。

具体地，通过如下公式表示桩基加载荷载后沉降：

s≤b_p·y，

SF_s＝s_lim/s＝b_p·y/s，

其中，s_lim表示规范允许最大沉降值。

在实际应用中，规范允许最大沉降值表征为b_p与y的乘积，即桩径的比例值y，通常y选取10％，从而以桩径的10％作为规范允许最大沉降值。

通过实施本实施例，通过弹塑性小孔球形解析解描述桩端，通过弹塑性小孔柱形解析解描述桩身，以弹塑性小孔扩张解析解，确定桩端与桩身的扩张压力，从而确定桩基在不同阶段的第一荷载-沉降曲线，确定目标区域中既有建筑在打桩过程中所引起桩基沉降。这一过程中，通过确定桩基竖向承载力、桩基沉降与桩基安全系数为后续构建隧道下穿施工的安全评价模型，确定隧道下穿施工中的安全评价指标以及对安全评价指标设置安全等级及对应阈值提供数据基础。

在一种可选实施方式中，为确定在目标区域构建隧道所引起的桩基沉降，上述步骤S104的过程，具体包括：

(1)基于地层变化及弹塑性小孔扩张解析解，确定桩基的竖向承载力。

在实际应用中，确定桩基的竖向承载力的方式与上述实施例中的方式相同，本发明对此不再进行赘述。

(2)基于隧道引起的地层变化，获取桩基在不同阶段对应的周围土体参数与桩基的第二双参数曲线。

在实际应用中，第二双参数曲线中的双参数分别是指荷载与沉降，第二双参数曲线是将地层变化作为荷载，加载到第一双参数曲线中，形成扰动后的双参数曲线。这一过程中，需增加桩基承载力的衰减规则，默认的桩基承载力衰减值为初始承载力的85％，并通过确定桩基位移分布，通过桩筏结构的三维变形协调分析，确定隧道施工扰动后既有建筑中筏板的变形场，从而确定第二双参数曲线。

(3)基于第二双参数曲线与竖向承载力，确定桩基的第二荷载-沉降曲线，并通过第二荷载-沉降曲线，确定在目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降。

在实际应用中，确定第二荷载-沉降曲线的方式与上述实施例中确定第一荷载-沉降曲线的方式相同，本发明对此不再进行赘述。

在实际应用中，如图6所示，第二荷载-沉降曲线为实线构成的扰动后荷载沉降曲线，示例性地展示了桩端荷载与桩端沉降的关系，可以看出扰动后桩端沉降变大，安全系数相应减小。相较于初始荷载沉降曲线，桩端承载力下降，桩端刚度下降，桩身承载力下降，并由于桩身承载力下降，使得桩端荷载加大。

通过实施本实施例，基于地层变化与弹塑性小孔扩张解析解，确定桩基的竖向承载力，并通过确定桩基的第二荷载-沉降曲线，确定在目标区域构建隧道所引起的桩基沉降。这一过程中，通过确定桩基竖向承载力、桩基沉降与桩基安全系数为后续构建隧道下穿施工的安全评价模型，确定隧道下穿施工中的安全评价指标以及对安全评价指标设置安全等级及对应阈值提供数据基础。

本实施例提供一种隧道下穿施工的安全评价方法，如图7所示，包括如下步骤：

S201、获取目标区域的隧道下穿的施工数据。

在实际应用中，目标区域的隧道下穿的施工数据包括地质数据、建筑结构数据、隧道叔公数据、监测感知数据。其中，地质数据包括土层边界识别数据、岩土力学参数、地下水数据；建筑结构数据包括几何材料数据、结构荷载数据、基础/桩基数据；隧道施工数据包括隧道规划路线、施工进度数据、盾构开挖数据。监测感知数据包括地面沉降数据、地基沉降数据、结构变形数据。

S202、基于预设的隧道下穿施工的安全评价模型，建立用于隧道下穿施工工程的数字孪生体，对施工状态进行仿真模拟计算。

具体地，基于预设的隧道下穿施工的安全评价模型，建立用于隧道下穿施工工程的数字孪生体，对施工状态进行仿真模拟计算是指通过隧道下穿施工的安全评价模型中各指标的确定方式，利用数字孪生体对施工过程进行仿真模拟计算，得到各指标的仿真模拟计算结果。

S203、基于施工数据与数字孪生体，确定与施工数据对应的指标的预测概率。

具体地，确定与施工数据对应的指标的预测概率是指通过数字孪生体，计算与施工数据对应的指标，并通过可靠度分析，确定与指标对应的预测概率。

S204、基于预测概率与预设的概率阈值，确定目标区域的隧道下穿施工工程安全评价情况。

在实际应用中，基于预测概率与预设的概率阈值，确定目标区域的隧道下穿施工工程安全评价情况是指指标的预测概率满足对应的预设的概率阈值时，通过隧道下穿施工的安全评价模型的安全评价指标、安全评价指标对应的安全等级以及安全等级对应阈值，确定指标所属的安全等级。

在实际应用中，在指标的预测概率不满足对应的预设的概率阈值时，需要对隧道下穿施工的安全评价模型进行调整，使隧道下穿施工的安全评价模型符合实际工况，并在调整后再次判断指标的预测概率是否满足预设的概率阈值。

在实际应用中，如指标失稳概率的预设的概率阈值为应大于80％，在与指标对应的预测概率大于80％时，通过数字孪生体，确定指标仿真模拟计算结果，并将指标仿真模拟计算结果，与隧道下穿施工的安全评价模型中安全评价指标对应的安全等级以及安全等级对应阈值进行比较，确定指标所属的安全等级。

通过实施本实施例，通过隧道下穿施工的安全评价模型建立数字孪生体，并通过获取目标区域的施工数据构成工程数据底座，进而确定与施工数据对应的指标的预测概率，通过预设的概率阈值对目标区域的隧道下穿施工工程各指标进行安全评定，通过构建的隧道下穿施工的数字孪生体确定各指标的预测概率，从而反应目标区域的隧道下穿施工工程的安全状态。

在一种可选实施方式中，为确定与施工数据对应的预测概率，上述步骤S203的过程，具体包括：

(1)基于施工数据，通过数字孪生体，计算与施工数据对应的指标。

在实际应用中，基于施工数据，通过数字孪生体，计算与施工数据对应的指标是指将施工数据作为输入参数，输入隧道下穿施工的安全评价模型，并通过数字孪生体，仿真模拟计算指标的对应结果。

(2)基于指标，通过可靠度分析，确定与指标对应的预测概率。

具体地，基于指标，通过可靠度分析，确定与指标对应的预测概率包括：确定各指标超出阈值的第一概率与各指标属性值出现的第二概率，通过第一概率与第二概率确定各指标属性组合出现安全事故的第三概率，选取第三概率中最大概率值作为与指标对应的预测概率。

在实际应用中，基于指标，通过可靠度分析，确定与指标对应的预测概率通常采取贝叶斯分类学习进行可靠度分析，应该理解的是通过贝叶斯分类学习进行可靠度分析属于较为成熟的技术，本发明对此不再进行赘述。

通过实施本实施例，通过施工数据与数字孪生体，仿真模拟计算指标的对应结果，并通过可靠度分析，确定与指标对应的预测概率，这一过程为确定目标区域的隧道下穿施工工程的安全状态提供了数据基础。

在一种可选实施方式中，为确定影响事故发生的因素指标，即确定各指标间的耦合作用规律，隧道下穿施工的安全评价方法，还包括：

(1)获取隧道下穿的历史事故数据。

具体地，隧道下穿的历史事故数据包括事故类型与各指标数据。

(2)基于历史事故数据，通过隧道下穿施工的安全评价模型，确定与事故对应的因素指标。

在实际应用中，基于历史事故数据，通过隧道下穿施工的安全评价模型，计算历史事故数据中各指标数据的安全评价等级，并将计算的安全评价等级中不合格的指标作为候选因素指标，在同一事故类型对应的候选因素指标存在相同的指标时，将相同的候选因素指标作为与事故对应的因素指标。

通过实施本实施例，通过获取隧道下穿的历史事故数据，利用隧道下穿施工的安全评价模型，确定影响事故发生的因素指标，即确定各指标间的耦合作用下对事故的影响规律，从而通过确定的影响规律，提高反应目标区域的隧道下穿施工工程的安全状态的准确性。

本实施例提供一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建装置，如图8所示，包括：孔扩解析解确定单元11、地层变化确定单元12、第一桩基沉降确定单元13、第二桩基沉降确定单元14、评价模型构建单元15。

孔扩解析解确定单元11，被配置为构建孔径弹塑性本构模型，并基于弹塑性本构模型，确定目标区域的孔扩解析解。具体过程可参见上述实施例中关于步骤S101的相关描述，在此不再赘述。

地层变化确定单元12，被配置为基于孔扩解析解，确定在目标区域构建隧道所引起的地层变化。具体过程可参见上述实施例中关于步骤S102的相关描述，在此不再赘述。

第一桩基沉降确定单元13，被配置为基于孔扩解析解，确定目标区域的既有建筑物所引起的第一桩基沉降。具体过程可参见上述实施例中关于步骤S103的相关描述，在此不再赘述。

第二桩基沉降确定单元14，被配置为基于地层变化及第一桩基沉降，确定在目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降。具体过程可参见上述实施例中关于步骤S104的相关描述，在此不再赘述。

评价模型构建单元15，被配置为获取目标区域的既有建筑的框架结构数据，基于第二桩基沉降及框架结构数据，构建隧道下穿施工的安全评价模型。具体过程可参见上述实施例中关于步骤S105的相关描述，在此不再赘述。

通过实施本实施例，通过孔扩解析解确定单元构建孔径弹塑性本构模型，确定目标区域的孔扩解析解，并通过地层变化确定单元和第一桩基沉降确定单元，利用孔扩解析解，确定隧道开挖所引起的地层形变以及目标区域既有建筑物所引起的第一桩基沉降，并通过第二桩基沉降单元，基于地层形变以及第一桩基沉降，确定在目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降，进而通过评价模型构建单元，获取既有建筑的框架结构数据，并在框架结构数据上施加第二桩基沉降荷载，得到隧道扰动后的框架结构三维变形，即隧道下穿施工的安全评价模型，从而通过构建的隧道下穿施工的安全评价模型反应由于隧道开挖引起的地层变形，并通过隧道下穿施工的安全评价模型对邻近既有建筑的稳定性进行评价。

本实施例提供一种隧道下穿施工的安全评价装置，如图9所示，包括：施工数据获取单元21、数字孪生体建立单元22、预测概率确定单元23、评价情况确定单元24。

施工数据获取单元21，被配置为获取目标区域的隧道下穿的施工数据。具体过程可参见上述实施例中关于步骤S201的相关描述，在此不再赘述。

数字孪生体建立单元22，被配置为基于预设的隧道下穿施工的安全评价模型，建立用于隧道下穿施工工程的数字孪生体，对施工状态进行仿真模拟计算。具体过程可参见上述实施例中关于步骤S202的相关描述，在此不再赘述。

预测概率确定单元23，被配置为基于施工数据与数字孪生体，确定与施工数据对应的指标的预测概率。具体过程可参见上述实施例中关于步骤S203的相关描述，在此不再赘述。

评价情况确定单元24，被配置为基于预测概率与预设的概率阈值，确定目标区域的隧道下穿施工工程安全评价情况。具体过程可参见上述实施例中关于步骤S204的相关描述，在此不再赘述。

通过实施本实施例，通过施工数据获取单元施工数据获取单元隧道下穿施工的安全评价模型建立数字孪生体，并通过施工数据获取单元获取目标区域的施工数据构成工程数据底座，进而通过预测概率确定单元确定与施工数据对应的指标的预测概率，并通过评价情况确定单元利用预设的概率阈值对目标区域的隧道下穿施工工程各指标进行安全评定，通过构建的隧道下穿施工的数字孪生体确定各指标的预测概率，从而反应目标区域的隧道下穿施工工程的安全状态。

本发明一个实施例还提供一种计算机设备，如图10所示，图10是本发明一个可选实施例提供的一种计算机设备的结构示意图，该计算机设备可以包括至少一个处理器31、至少一个通信接口32、至少一个通信总线33和至少一个存储器34，其中，通信接口32可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口32还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器34可以是高速RAM存储器(Random Access Memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器34可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器31的存储装置。其中处理器31可以结合图8或图9所描述的装置，存储器34中存储应用程序，且处理器31调用存储器34中存储的程序代码，以用于执行上述任意方法实施例所述的隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法或隧道下穿施工的安全评价方法的步骤。

其中，通信总线33可以是外设部件互连标准(peripheral componentinterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，简称EISA)总线等。通信总线33可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图10中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器34可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard diskdrive，缩写：HDD)或固态硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器34还可以包括上述种类的存储器的组合。

其中，处理器31可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。

其中，处理器31还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。

可选地，存储器34还用于存储程序指令。处理器31可以调用程序指令，实现本发明任一实施例中所述的隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法或隧道下穿施工的安全评价方法。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法，其特征在于，包括：

构建孔径弹塑性本构模型，并基于所述弹塑性本构模型，确定目标区域的孔扩解析解；

基于所述孔扩解析解，确定在所述目标区域构建隧道所引起的地层变化；

基于所述孔扩解析解，确定所述目标区域的既有建筑物所引起的第一桩基沉降；

基于所述地层变化及所述第一桩基沉降，确定在所述目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降；

获取所述既有建筑的框架结构数据，基于所述第二桩基沉降及所述框架结构数据，构建隧道下穿施工的安全评价模型。

2.根据权利要求1所述的隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法，其特征在于，所述孔扩解析解包括：弹塑性小孔收缩解析解与大应变假设，所述基于所述孔扩解析解，确定在所述目标区域构建隧道所引起的地层变化，包括：

基于所述大应变假设，确定隧道开挖变形引起的周围介质的应力、应变演化过程；

基于所述应力、应变演化过程与所述弹塑性小孔收缩解析解，确定隧道开挖引起的地层变化。

3.根据权利要求1所述的隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法，其特征在于，所述孔扩解析解包括：弹塑性小孔扩张解析解、弹塑性小孔球形解析解与弹塑性小孔柱形解析解，所述桩基包括：桩身与桩端，所述基于所述孔扩解析解，确定所述目标区域的既有建筑物所引起的第一桩基沉降，包括：

确定所述桩基的类型，所述类型包括位移桩和非位移桩；

在所述类型为位移桩时，通过所述弹塑性小孔球形解析解描述所述桩端，通过所述弹塑性小孔柱形解析解描述所述桩身；

通过所述弹塑性小孔扩张解析解，确定所述桩端与所述桩身的扩张压力；

通过所述扩张压力，确定所述桩端的极限承载力；

获取所述桩基在不同阶段对应的周围土体参数与所述桩基的第一双参数曲线；

基于所述极限承载力、所述周围土体参数与所述双参数曲线，确定所述桩基在不同阶段的第一荷载-沉降曲线，并通过所述第一荷载-沉降曲线，确定所述地层变化所引起的第一桩基沉降。

4.根据权利要求1所述的隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法，其特征在于，所述孔扩解析解包括：弹塑性小孔扩张解析解，所述基于所述地层变化及所述第一桩基沉降，确定在所述目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降，包括：

基于所述地层变化及所述弹塑性小孔扩张解析解，确定所述桩基的竖向承载力；

基于所述隧道引起的地层变化，获取所述桩基在不同阶段对应的周围土体参数与所述桩基的第二双参数曲线；

基于所述第二双参数曲线与所述竖向承载力，确定所述桩基的第二荷载-沉降曲线，并通过所述第二荷载-沉降曲线，确定所述在所述目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降。

5.一种隧道下穿施工的安全评价方法，其特征在于，所述方法，包括：

获取目标区域的隧道下穿的施工数据；

基于预设的隧道下穿施工的安全评价模型，建立用于隧道下穿施工工程的数字孪生体，对施工状态进行仿真模拟计算；所述预设的隧道下穿施工的安全评价模型是通过如权利要求1-4中任一所述的隧道下穿施工的安全评价模型的构建方法所构建的；

基于所述施工数据与所述数字孪生体，确定与所述施工数据对应的指标的预测概率；

基于所述预测概率与预设的概率阈值，确定所述目标区域的隧道下穿施工工程安全评价情况。

6.根据权利要求5所述的隧道下穿施工的安全评价方法，其特征在于，所述基于所述施工数据与所述数字孪生体，确定与所述施工数据对应的指标的预测概率，包括：

基于所述施工数据，通过所述数字孪生体，计算与所述施工数据对应的指标；

基于所述指标，通过可靠度分析，确定与所述指标对应的预测概率。

7.根据权利要求5所述的隧道下穿施工的安全评价方法，其特征在于，所述方法，还包括：

获取隧道下穿的历史事故数据；

基于所述历史事故数据，通过所述隧道下穿施工的安全评价模型，确定与事故对应的因素指标。

8.一种隧道下穿施工的安全评价模型的构建装置，其特征在于，包括：

孔扩解析解确定单元，被配置为构建孔径弹塑性本构模型，并基于所述弹塑性本构模型，确定目标区域的孔扩解析解；

地层变化确定单元，被配置为基于所述孔扩解析解，确定在所述目标区域构建隧道所引起的地层变化；

第一桩基沉降确定单元，被配置为基于所述孔扩解析解，确定所述目标区域的既有建筑物所引起的第一桩基沉降；

第二桩基沉降确定单元，被配置为基于所述地层变化及所述第一桩基沉降，确定在所述目标区域构建隧道所引起的第二桩基沉降；

评价模型构建单元，被配置为获取所述既有建筑的框架结构数据，基于所述第二桩基沉降及所述框架结构数据，构建隧道下穿施工的安全评价模型。

9.一种隧道下穿施工的安全评价装置，其特征在于，包括：

施工数据获取单元，被配置为获取目标区域的隧道下穿的施工数据；

数字孪生体建立单元，被配置为基于预设的隧道下穿施工的安全评价模型，建立用于隧道下穿施工工程的数字孪生体，对施工状态进行仿真模拟计算；

预测概率确定单元，被配置为基于所述施工数据与所述数字孪生体，确定与所述施工数据对应的指标的预测概率；

评价情况确定单元，被配置为基于所述预测概率与预设的概率阈值，确定所述目标区域的隧道下穿施工工程安全评价情况。

10.一种计算机设备，其特征在于，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，从而执行如权利要求1-4或5-7中任一项所述的方法。

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