盾构隧道施工对周边环境安全造成影响的分区评估方法与流程

本发明属于地下工程技术领域，具体涉及一种盾构隧道施工对周边环境安全造成影响的分区评估方法。

背景技术：

目前我国待建地铁项目一般会穿越城市主干道，附近有建筑物、地下管线，以及一些既有隧道等。在地铁建设过程中，建筑物、地下管线会发生扭曲、开裂等问题，同时，既有地铁也会由于新建地铁的影响而产生新的位移和变形。根据影响程度划分影响区，可对构筑物(包括建筑物、地下管线、既有地铁隧道等)所在区域受到盾构施工的影响进行预测，具有重要研究价值。

盾构隧道一般为浅埋隧道，当其开挖后由于地层中的土体受到扰动，进而引起地表沉降以及水平位移。在隧道施工过程中，位移是不可或缺的施工测试项。

通过对地表沉降的测试，再根据本专利的方法，可对隧道周边构筑物所处的影响区进行推断，并对其受到的安全影响进行评估。

王明年等^[1]【文献[1]出处——王明年，张晓军，苟明中，等.盾构隧道掘进全过程三维模拟方法及重叠段近接分区研究[J].岩土力学，2012，33(1)：273-279.(WANG Mingnian，ZHANG Xiaojun，GOU Mingzhong，et al.Method of three-dimensional simulation for shield tunneling process and study of adjacent partition of overlapped segment[J].Rock and Soil Mechanics，2012，33(1)：273-279.(in Chinese))】依托深圳地铁3号线红岭中路-老街-晒布段区间重叠隧道工程进行研究，采用摩尔-库伦准则对盾构隧道重叠段进行横向近接分区，同时采用位移变化速率准则对盾构隧道重叠段进行纵向近接分区。盾构隧道重叠段横向近接分区为：F≤F_a时为无影响区，F_a＜F＜0时为弱影响区，当F≥0时为强影响区；纵向近接分区为：小于0.3mm/d为无影响区，0.3～1.5mm/d为弱影响区，大于1.5mm/d为强影响区。该方法的不足之处有：

1)在计算时未考虑隧道周边的土质条件对分区的影响；

2)仅适用于盾构隧道施工过程中两近接隧道的相互影响；

3)横向、纵向近接分区分别采用应力、位移作为分区标准，施工过程中位移能够直接测定，应力的测定或计算相对困难。

通过对文献[1]及其他检索文献调查发现，现有技术中的主要问题除了以上三个不足之外，仍存在有：

1)分区标准类型有以下几种：塑性区、位移、应力、强度，除了位移在实际施工中容易测定之外，其他几种因素不易测定或计算；

2)在采用位移作为分区标准的文献中，其应用范围较窄。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种盾构隧道施工对周边环境安全造成影响的分区评估方法，该专利计算方法简单，考虑了土质条件对分区的影响，应用范围广泛，适用于盾构隧道开挖引起周边各构筑物(包括建筑物、地下管线等)的安全影响评估。

为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

本发明提供一种盾构隧道施工对周边环境安全造成影响的分区评估方法，包括如下步骤：

步骤1、先对隧道施工引起的地表沉降进行计算：

盾构隧道施工对周边安全影响评估方法采用统一土体移动模型解对其进行计算，该计算方法考虑了隧道周边的土质条件，盾构隧道施工引起地表竖向位移的计算公式：

$U_z=\frac{R^2}{2}\·\{\frac{h-z}{y^2+{(h-z)}^2}+\frac{h+z}{y^2+{(h+z)}^2}-\frac{2z\[y^2-{(h+z)}^2\]}{{\[y^2+{(h+z)}^2\]}^2}\}\·\frac{4Rg-g^2}{4R^2}\·B\·\exp \[\frac{y^2\ln \mathrm{\λ}}{{(h+R)}^2}+\frac{z^2(\ln \mathrm{\λ}-\ln \mathrm{\δ})}{{(h+d)}^2}\]---\left(1\right),$

其中，

$\mathrm{\λ}=\frac{1}{4}-\frac{g}{\mathrm{\π}R\mathrm{\η}}\[\arcsin \left(\frac{d}{R-g/2}\right)+\sqrt{1-{\left(\frac{d}{R-g/2}\right)}^2}-1\],$

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{2}-\frac{g}{{\mathrm{\πR}}^2\mathrm{\η}}(R-g/4)\arcsin \left(\frac{d}{R-g/4}\right),$

式中：

R为隧道开挖半径，单位符号为mm；

h为隧道轴线离地面的距离，单位符号为mm；

d为土体移动焦点到隧道中心点的距离，单位符号为mm；

d＝βR，单位符号为mm，其中β为与土质条件有关的计算参数(为无量纲参数)，取值范围为(0，1)，土质越好β值越大，土质越差β值越小，根据我国不同地区的土质，d有不同的建议值^[2]【文献[2]出处——魏纲，刘加湾.盾构法隧道统一土体移动模型参数取值研究[J].铁道建筑，2009，(2)：48-51.(WEI Gang，LIU Jia-wan.Study on parameter selection ofuniform ground movement pattern of shield tunnel[J].Railway Engineering，2009，(2)：48-51.(in Chinese))】，可根据实际工程的土质条件参照建议值的取值进行计算；

y为距离隧道轴线的横向水平距离，单位符号为mm；

z为离地面的竖向距离，由地面向下为正，单位符号为mm；

η为土体损失百分率；

g为等效土体损失参数，单位符号为mm；

盾构隧道施工引起地表水平位移的计算公式：

$U_y=-\frac{R^{2}y}{2}\·\{\frac{1}{y^2+{(h-z)}^2}+\frac{1}{y^2+{(h+z)}^2}-\frac{4z(h+z)}{{\[y^2+{(h+z)}^2\]}^2}\}\·\frac{4Rg-g^2}{4R^2}\·B\·\exp \[\frac{y^2\ln \mathrm{\λ}}{{(h+R)}^2}+\frac{z^2(\ln \mathrm{\λ}-\ln \mathrm{\δ})}{{(h+d)}^2}\]\frac{h}{h+d}---\left(2\right)$

步骤2：一般条件下，我国地铁工程施工时的地面最大竖向位移控制值为30mm，【参考文献：崔玖江.隧道与地下工程修建技术[M].北京：科学出版社，2005：247-255.(CUI Jiujiang.Tunnel and underground project construction technology[M].Beijing：Science Press，2005：247-255.(in Chinese))】，因此假定隧道上方地表处的竖向位移为30mm，根据此竖向位移以及公式(1)，再根据实际工程的隧道开挖半径R，隧道轴线离地面的距离h及土体移动焦点到隧道中心点的距离d等参数可以反推出隧道的土体损失率η。

本文方法是用于在施工之前预估盾构施工的影响，因此是按照施工引起的地面沉降警戒值30mm来进行预测的。若施工期间竖向位移超过了30mm，应停止施工，采取控制措施以防工程事故的发生。因此，按照以上假定划分出的影响区已属于最保守的分区。

根据步骤1中的公式(1)、公式(2)，以及实际工程的隧道开挖半径R、土体移动焦点到隧道中心点的距离d、隧道轴线离地面的距离h，隧道的土体损失率η，等效土体损失参数g，对工程中隧道开挖引起的竖向位移U_z和水平位移U_y进行计算，并绘制盾构隧道施工引起的竖向位移等值线图、水平位移等值线图分别如图1、图2所示。

根据以下公式可计算出各点对应的总位移U：

$U=\sqrt{{U_z}^2+{U_y}^2}---\left(3\right)$

同样地，绘制总位移等值线图如图3所示。

步骤3：提出盾构施工对周围环境的影响可以根据隧道在对应区域引起的位移5mm、10mm、20mm作为划分影响区的标准控制值，将盾构施工周围区域划分成四个影响区，分别为：强影响区：位移≥20mm、中影响区：10mm≤位移＜20mm、弱影响区：5mm≤位移＜10mm、无影响区：位移＜5mm；由于位移等值包络线不规则，实际应用不方便，因此先将包络线简化为多段线，再将影响区尖角平整化，最后将直角坐标无量纲化，将横坐标化为距盾构隧道中心的水平距离/盾构隧道轴线埋深，纵坐标化为深度/盾构隧道轴线埋深，可得到如图4、图5所示的影响区划分图。根据总位移包络线作出的影响区范围相对于竖向位移和水平向位移偏安全。在实际工程中，应根据工程侧重点选取对应的影响区参照范围。

步骤4：根据影响分区结果，对实际工程中盾构隧道施工对周边环境的影响进行评估。盾构隧道施工对周边环境如建筑物、地下管线的影响均可以通过盾构施工引起的位移来进行评估，应用范围较广泛。

若构筑物处于强影响区，则盾构隧道施工对其影响很大，在施工过程中应该重点保护；

若构筑物处于中影响区，则盾构隧道施工对其影响较大，在施工过程中应该注意保护；

若构筑物处于弱影响区，则盾构隧道施工对其影响小，在施工过程中应稍加保护；

若构筑物处于无影响区，则盾构隧道施工对其影响很小，在监测值正常的情况下可根据观察采取相应措施。

本专利计算方法简单，考虑了土质条件对分区的影响，应用范围广泛，适用于盾构隧道开挖引起周边各构筑物(包括建筑物、地下管线等)的安全影响评估。

附图说明

图1盾构隧道施工引起的竖向位移等值线图；

图2盾构隧道施工引起的水平位移等值线图；

图3盾构隧道施工引起的总位移等值线图；

图4根据竖向位移、水平位移标准等值线划分的影响区；

图5根据总位移标准等值线划分的影响区；

图6本专利方法(按竖向位移和水平位移)与文献[1]中王明年方法比较；

图7本专利方法(按总位移)与文献[1]中王明年方法比较；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

实施例1：

本发明提供一种盾构隧道施工对周边环境安全造成影响的分区评估方法的具体实施例，包括如下步骤：

步骤1、先对隧道施工引起的地表沉降进行计算：

盾构隧道施工对周边安全影响评估方法采用统一土体移动模型解对其进行计算，该计算方法考虑了隧道周边的土质条件，盾构隧道施工引起地表竖向位移的计算公式：

$U_z=\frac{R^2}{2}\·\{\frac{h-z}{y^2+{(h-z)}^2}+\frac{h+z}{y^2+{(h+z)}^2}-\frac{2z\[y^2-{(h+z)}^2\]}{{\[y^2+{(h+z)}^2\]}^2}\}\·\frac{4Rg-g^2}{4R^2}\·B\·\exp \[\frac{y^2\ln \mathrm{\λ}}{{(h+R)}^2}+\frac{z^2(\ln \mathrm{\λ}-\ln \mathrm{\δ})}{{(h+d)}^2}\]---\left(1\right),$

其中，

$\mathrm{\λ}=\frac{1}{4}-\frac{g}{\mathrm{\π}R\mathrm{\η}}\[\arcsin \left(\frac{d}{R-g/2}\right)+\sqrt{1-{\left(\frac{d}{R-g/2}\right)}^2}-1\],$

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{2}-\frac{g}{{\mathrm{\πR}}^2\mathrm{\η}}(R-g/4)\arcsin \left(\frac{d}{R-g/4}\right),$

式中：

R为隧道开挖半径，单位符号为mm；

h为隧道轴线离地面的距离，单位符号为mm；

d为土体移动焦点到隧道中心点的距离，单位符号为mm；

d＝βR，单位符号为mm，其中β为与土质条件有关的计算参数(为无量纲参数)，取值范围为(0，1)，土质越好β值越大，土质越差β值越小，根据我国不同地区的土质，d有不同的建议值^[2]【该文献[2]出处——魏纲，刘加湾.盾构法隧道统一土体移动模型参数取值研究[J].铁道建筑，2009，(2)：48-51.(WEI Gang，LIU Jia-wan.Study on parameter selection ofuniform ground movement pattern of shield tunnel[J].Railway Engineering，2009，(2)：48-51.(in Chinese))】，可根据实际工程的土质条件参照建议值的取值进行计算；

y为距离隧道轴线的横向水平距离，单位符号为mm；

z为离地而的竖向距离，由地面向下为正，单位符号为mm；

η为土体损失百分率；

g为等效土体损失参数，单位符号为mm；

盾构隧道施工引起地表水平位移的计算公式：

$U_y=-\frac{R^{2}y}{2}\·\{\frac{1}{y^2+{(h-z)}^2}+\frac{1}{y^2+{(h+z)}^2}-\frac{4z(h+z)}{{\[y^2+{(h+z)}^2\]}^2}\}\·\frac{4Rg-g^2}{4R^2}\·B\·\exp \[\frac{y^2\ln \mathrm{\λ}}{{(h+R)}^2}+\frac{z^2(\ln \mathrm{\λ}-\ln \mathrm{\δ})}{{(h+d)}^2}\]\frac{h}{h+d}---\left(2\right)$

步骤2：一般条件下，我国地铁工程施工时的地面最大竖向位移控制值为30mm，【参考文献：崔玖江.隧道与地下工程修建技术[M].北京：科学出版社，2005：247-255.(CUI Jiujiang.Tunnel and underground project construction technology[M].Beijing：Science Press，2005：247-255.(in Chinese))】，因此假定隧道上方地表处的竖向位移为30mm，根据此竖向位移以及公式(1)，再根据实际工程的隧道开挖半径R，隧道轴线离地面的距离h及土体移动焦点到隧道中心点的距离d等参数可以反推出隧道的土体损失率η。

本文方法是用于在施工之前预估盾构施工的影响，因此是按照施工引起的地面沉降警戒值30mm来进行预测的。若施工期间竖向位移超过了30mm，应停止施工，采取控制措施以防工程事故的发生。因此，按照以上假定划分出的影响区已属于最保守的分区。

根据步骤1中的公式(1)、公式(2)，以及实际工程的隧道不挖半径R、土体移动焦点到隧道中心点的距离d、隧道轴线离地面的距离h，隧道的土体损失率η，等效土体损失参数g，对工程中隧道开挖引起的竖向位移U_z和水平位移U_y进行计算，并绘制盾构隧道施工引起的竖向位移等值线图、水平位移等值线图分别如图1、图2所示。

根据以下公式可计算出各点对应的总位移U：

$U=\sqrt{{U_z}^2+{U_y}^2}---\left(3\right)$

同样地，绘制总位移等值线图如图3所示。

步骤3：提出盾构施工对周围环境的影响可以根据隧道在对应区域引起的位移5mm、10mm、20mm作为划分影响区的标准控制值，将盾构施工周围区域划分成四个影响区，分别为：强影响区：位移≥20mm、中影响区：10mm≤位移＜20mm、弱影响区：5mm≤位移＜10mm、无影响区：位移＜5mm；由于位移等值包络线不规则，实际应用不方便，因此先将包络线简化为多段线，再将影响区尖角平整化，最后将直角坐标无量纲化，将横坐标化为距盾构隧道中心的水平距离/盾构隧道轴线埋深，纵坐标化为深度/盾构隧道轴线埋深，可得到如图4、图5所示的影响区划分图。根据总位移包络线作出的影响区范围相对于竖向位移和水平向位移偏安全。在实际工程中，应根据工程侧重点选取对应的影响区参照范围。

步骤4：根据影响分区结果，对实际工程中盾构隧道施工对周边环境的影响进行评估。盾构隧道施工对周边环境如建筑物、地下管线的影响均可以通过盾构施工引起的位移来进行评估，应用范围较广泛。

若构筑物处于强影响区，则盾构隧道施工对其影响很大，在施工过程中应该重点保护；

若构筑物处于中影响区，则盾构隧道施工对其影响较大，在施工过程中应该注意保护；

若构筑物处于弱影响区，则盾构隧道施工对其影响小，在施工过程中应稍加保护；

若构筑物处于无影响区，则盾构隧道施工对其影响很小，在监测值正常的情况下可根据观察采取相应措施。

本专利计算方法简单，考虑了土质条件对分区的影响，应用范围广泛，适用于盾构隧道开挖引起周边各构筑物(包括建筑物、地下管线等)的安全影响评估。

采用本专利方法，对文献[1]中的深圳地铁实例进行计算，按照以上步骤，可以对实例进行影响区的划分，将本文分区与王明年的分区结果作于同一张图上，见图6～图7。

从图6～图7的结果来看，本文方法的分区范围明显比王明年方法的分区范围更小。当本文的强影响区与王明年方法的强影响区基本重合时，反算出的η达到4.2％，远大于前人对于η分布的实测结果^[3]，这表明王明年方法的分区结果不太合理，明显偏保守。

其中：文献[1]出处——王明年，张晓军，苟明中，等.盾构隧道掘进全过程三维模拟方法及重叠段近接分区研究[J].岩土力学，2012，33(1)：273-279.(WANG Mingnian，ZHANG Xiaojun，GOU Mingzhong，et al.Method of three-dimensional simulation for shield tunneling process and study of adjacent partition of overlapped segment[J].Rock and Soil Mechanics，2012，33(1)：273-279.(in Chinese))

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。