一种隧道开挖上方地表变形预警分析方法
【技术领域】
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[0001]本发明属于地下工程预警分析技术领域，涉及一种隧道开挖上方地表变形预警分析方法，降低地铁隧道开挖灾害的发生率，保护周围环境及人类生命财产安全。
【背景技术】
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[0002]地下工程是由于人工开挖或生产活动而在地层中形成的地下空间，地下空间主要包括地下采矿所形成的地下洞室、城市地下空间、水电地下洞室以及隧道等。对于一个国家来说，地下工程是其基础产业，交通建筑需要修筑隧道、地下采矿要形成地下空区、水电及核能等能源建设需要建筑引水隧道或地下厂房、拥挤的城市需要拓展地下空间等。进入21世纪，随着国民经济的飞速发展，人口的密集程度增加，地下工程是人类越来越迫切需要的基础工程。
[0003]随着我国城市建设的迅速发展，城市规模逐步扩大，城市人口密度持续增长，导致许多大城市存在一系列随之而来的问题，比如人口膨胀、建筑空间狭小、城市绿化减少、交通拥挤、环境污染等等，其中交通阻塞已成为我国许多城市的突出性问，一方面经济与社会的发展对城市集约化的程度和提高效率的要求越来越高；另一方面城市建设迅速发展的结果使得城市可供利用的地面面积越来越少，尤其是城市市区的可利用地面面积，要解决城市建设与土地资源不足之间的矛盾，以促进城市的可持续发展，保护环境，合理地开发利用地下空间是一条非常有效的解决这些问题的途径，比如修建地下铁道、公路隧道，或穿越障碍物的各种地下通道以及各种市政地下工程和地下人防设施等城市隧道工程，因此修建城市地铁隧道日益受到世界各国的重视。
[0004]人类对于地下空间的利用可以追溯到远古时期，但是直到欧洲产业革命之前，地下空间的开发仍然非常有限。欧洲产业革命后至今，随着科学技术的发展，地下工程得到迅速发展，1863年，英国伦敦建成了世界第一条地铁，之后各国开始大力发展城市地铁建设。城市地铁拥有安全、可靠、方便、舒适、占用城市土地少和不破坏地面景观的特点，能够快速、大量的输送乘客，极大的缓解城市交通的拥挤问题。目前国外很多大城市都已经形成了四通八达的地下交通网络，如纽约的地铁总长度长达416.3千米，伦敦为414千米，莫斯科为270千米，东京为200千米，另外有许多大中型城市也正在修建或续建地铁项目。总之，向地下发展，建设地下交通网络是城市发展的一种必然趋势。
[0005]我国自1965年开始在北京修建地铁，至今已有北京、上海、广州、深圳、南京等数个大城市的地铁线路投入运营，这些地铁线路的开通极大的缓解了交通拥挤的状况，正在修建地铁的城市有成都、青岛、重庆、沈阳、武汉等，此外，国家已经批准和正在筹建地铁的还有杭州、西安等20多个城市，因而，城市地铁的建设将是我国二十一世纪城市地下空间开发的重点，与此同时，市政公路隧道、各种市政地下工程在城市中也随之获得了相应的发展。随着城市现代化程度的逐步提高，各种管线种类和密度将会大幅度增加，为消除城市上空电线、电杆盘旋的状况，提高城市的抗灾能力，城市电缆隧道、市政管线等必将随之越建越多，逐步代替形成新的城市建设体系。
[0006]城市地下隧道开挖引起的灾害是由于地下土层开挖打破了原有围岩的力学平衡，建立新的平衡，使得围岩应力重分布和高应力集中，可能发生岩爆、底鼓等地质灾害，同时，由于地下隧道开挖会引起周围岩体、上覆岩层及地表的位移、变形、沉降和塌陷等破坏活动，对周围地面建筑物及基础、地下早期构筑物、公用地下管线和各种地下设施以及城市道路的路基、路面等也可能构成不同程度的损害，这些损害将成为制约城市建设和环境保护的瓶颈。随着地铁隧道工程建设的快速发展，人们的环保意识也在不断增强，隧道工程施工过程所引起的地表位移与变形及其对周围环境的影响问题已经越来越引起人们的重视，为控制和减少由于隧道施工过程而引起的地层移动和变形，尽量降低或避免它们对地面建筑物及地下管线等设施所造成的损害以及对周围环境的不良影响，必须对隧道施工过程中所引起的地层移动和变形问题进一步研宄，并提出较为可靠的预测方法和控制措施，是隧道施工过程中的一个关键课题。
[0007]地下隧道工程围岩局部失稳塌方是地下工程开挖灾害中最普遍、最基本的类型，任何地下隧道工程的开挖都不可避免地会出现不同程度的岩体失稳破坏现象，它们有些规模小，构不成灾害，但有些大规模移动变形灾害会造成严重的后果，甚至可能导致整个区域发生系统地压灾害，例如，2006年5月27日，青岛市东海路地下通道的塌方事故，引发周围大面积涌水、塌陷造成了巨大的经济损失；2003年上海轨道交通4号线旁通道工程施工作业面内，因大量水及流砂涌入，引起隧道部分结构损坏及周边地区地表沉陷，造成三栋建筑物严重倾斜，防汛墙局部塌陷，导致防汛墙围堰管涌，直接经济损失初步估算为1.5亿元人民币左右；2007年3月30日发生在北京的地铁10号线工程塌方事故，直接造成6名工人死亡；2008年11月15日下午，杭州地铁一号线萧山湘湖站发生地铁施工塌方事故，导致萧山湘湖风情大道75米路面坍塌，并下陷15米，正在路面行驶的约有11辆汽车陷入深坑，附近河流决堤，河水倒灌，水深最高达6米，造成17人遇难，4人失踪；正是由于地下隧道工程开挖所导致的灾难事故频频发生，给国家经济和人民生命财产造成重大损失，对于此类灾害的预测与控制越来越引起人们的重视。综上所述，建立符合工程实际的地铁隧道开挖引起地表移动及变形预警系统，针对性地提出地铁隧道开挖过程中地层变形与地表沉陷的控制手段，提出科学、合理，具有可操作性的评估技术和实施规范，有效控制地铁隧道施工中的地表沉降对建筑物、地下管线等设施的损害，确保地面建筑物安全、管线的正常使用，研宄价值重大；同时，开挖一旦造成建筑物损伤，需要对受损建筑物进行评估和采取补救加固措施予以修复，工程意义明显。因此，设计一种隧道开挖上方地表变形预警分析方法不仅具有重要的理论价值，而且具有重要的技术作用、良好的经济意义和广泛的应用前景。
【发明内容】
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[0008]本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种隧道开挖上方地表变形预警分析装置及方法，对地下结构隧道施工引起的地表移动与变形过程进行科学评价，在采用相关规范要求进行安全评估的基础上，结合理论研宄、现场测试、实验室试验和数值模拟对隧道开挖上方地表变形进行预警和分析。
[0009]为了实现上述目的，本发明实现隧道开挖上方地表变形预警分析的具体工程为:
[0010](I)、建立基础数据库:基础数据库包括图形数据库和属性数据库，先根据隧道开挖上方地表的地形图、规划图、地质图、钻孔图和地下结构分布图在计算机中建立图形数据库，再采集岩体信息、地下隧道信息和地址信息后通过外部的无线传输装置输入计算机并建立隧道开挖上方地表的属性数据库，其中岩体信息包括围岩的等级、岩体的结构以及岩体的含水含砂含土情况，地下隧道信息包括地下隧道的开挖方式、开挖尺寸和支护方式，地质信息包括地层、地貌、地质构造、水文地质、环境地质和地震地质信息；
[0011](2)、建立分析评价数据库:分析评价数据库包括评价标准数据库和评价结果数据库，其中评价标准数据库包括地表沉降评价标准和评价指标、地下结构安全评估评价标准和评价指标，评价结果数据库存储对隧道开挖上方地表的分析评价结果；分析评价数据库中包括建筑物地基允许变形值分配原则，建筑物地基允许变形值分配原则是将建筑物整体倾斜的产生定义为前、中、后三个阶段，阶段“前”表示建筑物在隧道开挖影响前产生倾斜的过程，这一阶段的倾斜量占建筑物总倾斜量的30% ;阶段“中”表示建筑物在隧道开挖影响时产生倾斜的过程，这一阶段的倾斜量占建筑物总倾斜量的30% ;阶段“后”表示建筑物在隧道开挖后产生倾斜的过程，这一阶段的倾斜量占建筑物总倾斜量的40% ;
[0012](3)、建立地表移动及变形评价系统:基于现有的RFPA软件平台建立地表移动及变形评价系统，地表移动机变形评价系统设有地表沉降模块、地表水平位移预计模块、地表