一种隧道盾构施工引起地层位移的计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种隧道盾构施工引起地层位移的计算方法，包括以下步骤：施工初期地层位移的量测；地层损失逆传递函数的拟合；经验公式的修正。本发明结合现场实测、统计分析方法和经验公式法等研究手段，针对实际工程土质条件和具体隧道施工参数的影响，对地层位移模式的预测进行了探索。本发明分层考虑了地质条件和施工期地层损失的差异，利用其施工前期采集的位移数据，反分析出不同埋深处的地层沉降槽曲线，得到了更符合该土质条件的曲线参数。本发明充分考虑了地层损失差异，修正了不同土层中最大位移和沉降槽宽度系数的经验公式并反演出其相关参数，最后基于沉降槽曲线服从高斯分布的假设，得到整个沉降槽位移曲线计算公式。
【专利说明】
-种隧道盾构施工引起地层位移的计算方法
技术领域
[0001] 本发明设及城市地铁隧道工程领域，特别是一种隧道盾构施工引起地层位移的计 算方法。
【背景技术】
[0002] 隧道盾构施工引起的地层位移，给地表及地中建构物的安全及正常使用带来了一 定的影响，因此如何预测隧道盾构施工引起的地层位移是隧道安全施工的前提。目前关于 隧道盾构施工引起的地层位移的研究多集中在地表位移，而关于地表W下地层位移的研究 工作相对较少。现有的关于地层位移的计算方法主要有经验公式法和解析方法，其中经验 公式法应用较为广泛。经验公式法中主要Wpeck公式及其扩展公式为主，且其应用前提多 基于peck公式的地层损失不变假设，即没有充分考虑不同埋深地层损失的差异及不同±质 条件下公式的适用性，使得在利用经验公式对施工期地层位移的预测时存在较大的误差。
【发明内容】
[0003] 为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种考虑地层损失差异和±质条 件影响的、计算更加准确的隧道盾构施工引起地层位移的计算方法。
[0004] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种隧道盾构施工引起地层位移的 计算方法，包括W下步骤：
[0005] A、施工初期地层位移的量测；
[0006] 施工前期，根据工程资料，选择合适场地，对不同地质条件下的±层进行测点设 计，要求测点均匀布设在各±层厚度内；±层交界处，将测点布设在上层或下层内；安置监 测仪器，监测施工初期各测点位移；
[0007] B、地层损失逆传递函数的拟合；
[000引同一监测断面上，地表和地中位移具有相同的时程性，当沉降基本稳定时，地表和 地中横向沉降槽曲线同时达到稳定;定义任意第4个±层的地层损失逆传递系数Ck(Z):
[0009]
(1)
[0010] 式中：Vk(Z)为第4个±层中埋深Z下的地层损失、Ak(Z)为第4个±层中埋深Z下的沉 降槽横断面积，Sk,max(z)为第1^个±层中埋深Z下的最大位移(mm)、ik(z)为第1^个±层中埋深 Z下的沉降槽宽度系数(m);Vk(zk-i+)为±层1^中埋深Zk-I处的地层损失、Ak(zk-i+)为±层1^中 埋深Zk-I处的沉降槽横断面积、Sk,max(Zk-l+)为±层1^中埋深Zk-I处的最大位移、1如片+)为± 层k中埋深Zk-I处的沉降槽宽度系数，Zk-I为前4-1个±层厚度之和(m) ,Zk-I+为埋深Zk-I处偏 下±层4的位置，Zk-r为埋深Zk-I处偏上±层4-1位置；
[0011] 所述的地层损失为某一深度位置所在地层沉降槽曲线与该埋深位置水平面所包围 的单位长度的沉降槽体积，当沉降槽曲线服从高斯曲线时，计算公式为^.巧=7^.巧&片)， 当为任意曲线时，只需计算出其稳定时沉降槽的横断面积；W下分析是基于沉降槽曲线服 从高斯分布。
[001^ 所述的上层 k 中埋深 Zk-I 处的 Vk(Zk-l+)、Ak(Zk-l+)Sk，max(Zk-l+)、ik(Zk-l+)等于上层k-1 中埋深 Zk-I 处的 Vk-I (zk-1- )、Ak-I (zk-1-) 、Sk-l，max(Zk-l )、ik-l(Zk-l )0
[0013] 利用采集到的位移数据，通过origin软件进行高斯曲线拟合，从拟合结果中得到 沉降槽曲线与坐标轴所包围的面积即等价于地层损失、沉降槽宽度系数和最大位移;基于 统计分析原理，对Ck(Z)和隧道轴线埋深11和±层埋深Z进行统计分析，得到式(2)或式(3)所 示的函数关系，拟合的同时亦得到该±质条件下函数式中的参数ak和bk的具体取值;最后利 用分段两狱叠加的节決.浩卸輕个h悪+民的她民棉半雌传递系数函数c(Z)。
[0014] (2)
[0015] (3)
[0016] (4)
[0017] C、经验公式的修正；
[0018] 利用步骤B中得到的地层损失逆传递函数C(Z),修正不同埋深处的地层损失，建立 地表沉降槽参数和不同埋深处地中沉降槽参数的关系，如公式(5)所示;通过实测位移值， 基于式(6)反演出各±层的参数nk，得到具体的适用于各±层的最大位移计算公式;利用叠 加原理得到整个上覆±层不同埋深处的最大位移计算公式(7);结合式巧)得到沉降槽宽度 系数的计算公式(8)，最后基于高斯分布曲线，得到沉降槽曲线的预测公式(9)，则在后续施 工时，只需监测地表或浅层位移就可实现整个上覆±层中地层位移的预测。
[0019] I(O)Smax(O)C(Z) = I(Z)Smax(Z) (5)
[0020] ?)
[0021] C7)
[0022]
[0023] (9)
[0024] Smax(O)、i(0)分别为地表沉降槽曲线的最大位移(mm)和沉降槽宽度系数(m);Smax (Z)、i(z)分别为±层埋深Z下的沉降槽曲线的最大位移(mm)和沉降槽宽度系数(m);Sz(x) 为±层埋深Z处的地层位移曲线(mm) ;x为监测点距隧道轴线的水平距离(m)。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有W下有益效果：
[0026] 1、本发明结合现场实测、统计分析方法和经验公式法等研究手段，针对实际工程 ±质条件和具体隧道施工参数的影响，对地层位移模式的预测进行了探索。本发明分层考 虑了地质条件和施工期地层损失的差异，利用其施工前期采集的位移数据，拟合出不同埋 深处的地层沉降槽曲线，得到了更符合该±质条件的曲线参数。
[0027] 2、本发明基于统计分析原理，利用施工前期的实测数据，通过origin软件拟合出 不同±层中关于隧道埋深和±层埋深的地层损失逆传递函数;利用分段函数叠加的原理， 得到整个上覆上层的地层损失逆传递函数。
[0028] 3、本发明充分考虑了地层损失差异，修正了不同±层中最大位移和沉降槽宽度系 数的经验公式并反演出其相关参数，最后基于沉降槽曲线服从高斯分布的假设，得到整个 沉降槽位移曲线计算公式，实现了后期施工中，可能引起的地层位移的更加准确的预测，对 后期安全施工具有更好重要的指导意义。
【附图说明】
[0029] 图1为工程地质条件简图，该图Wk = 2为例。
[0030] 图2为第一个地层位移高斯拟合曲线图。
[0031] 图3为第一个地层损失逆传递函数拟合曲线。
[0032] 图4为第一个地层最大位移公式及参数拟合图。
[0033] 图5为本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0034] 为阐明本发明的【具体实施方式】，现结合W下模型试验的监测结果对本发明做详细 说明。
[0035] 通过室内模型试验，对不同埋深处的地层位移进行了量测。试验参数包括隧道埋 深0.8m，上覆±层中第一个±层厚度0.3m，第二个±层厚度0.5m，隧道开挖直径20cm，如图1 所示。垂直隧道挖进方向测点每间隔IOcm布设，深度方向上，从地表开始，间隔IOcm布设，± 层交接处布设在上个±层中，共布设7个深度层。利用origin软件，输入各测点位移数据，拟 合出第一层不同埋深下的地层沉降槽曲线，如图2所示。从拟合曲线的参数表格中提取各曲 线的宽度系数和最大位移，结果如表1所示。利用式（1)计算出第一个±层中各个埋深位置 处的地层损失逆传递系数Cl(Z)的实测值，然后对Cl(Z)的实测值和隧道轴线埋深11和±层埋 深Z进行统计分析，W式(2)的函数形式为例，得到图3所示的第一个±层中地层损失逆传递 系数Ci(Z)的拟合曲线，同时得到曲线的参数ai = -l.42。同理可得到第二个±层的地层损失 逆传递系数C2( Z)的参数32 = -0.812，同时计算C1(0.3^ = 1.95,叠加得到整个上覆±层的 地层损失逆传递系数函数C(Z):
[0036]
(10.)
[0037] 通过表1中的最大位移，基于式(5)，利用origin软件反演出第一个±层中的参数 m = -1. 141，如图4所示，同理可得到第二个±层中的经验公式参数m = -0.632。进而利用式 (7)得到计算整个上覆±层最大位移的经验公式（11)。利用步骤B中得到的地层损失逆传递 函数，修正不同埋深处的地层损失，进而可计算出沉降槽宽度系数。Wz = O.5m时为例，计算 可得c(0.5) = 1.76，Smax(0.5) = 26.159mm，由式（12)计算可得i (0.5) = 11.83cm，代入式 (9)，得到该埋深下的地层位移曲线的计算公式（13)。在后续施工中，只需监测地表位移或 浅层位移，即可利用式（10)-(12)即时修正式(9)中的最大位移和宽度系数，得到更可靠的 深层地层位移的预测公式，整体流程见图5。
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【主权项】
1. 一种隧道盾构施工引起地层位移的计算方法，其特征在于:包括以下步骤： A、 施工初期地层位移的量测； 施工前期，根据工程资料，选择合适场地，对不同地质条件下的土层进行测点设计，要 求测点均匀布设在各土层厚度内；土层交界处，将测点布设在上层或下层内；安置监测仪 器，监测施工初期各测点位移； B、 地层损失逆传递函数的拟合； 同一监测断面上，地表和地中位移具有相同的时程性，当沉降基本稳定时，地表和地中 横向沉降槽曲线同时达到稳定;定义任意第k个土层的地层损失逆传递系数ck(z):(1) 式中：Vk(z)为第k个土层中埋深z下的地层损失、Ak(z)为第k个土层中埋深z下的沉降槽 横断面积，Sk,max(z)为第k个土层中埋深z下的最大位移(mm)、ik(z)为第k个土层中埋深z下 的沉降槽宽度系数(mhVkUY)为土层k中埋深z k-^的地层损失、AkUY)为土层k中埋深 Zk-l处的沉降槽横断面积、Sk,max(Zk-l+)为土层k中埋深Zk-l处的最大位移、ik(Zk-l+)为土层k中 埋深现-:处的沉降槽宽度系数， Zk-i为前k-ι个土层厚度之和为埋深处偏下土层 k的位置，Zk-Γ为埋深Zk-i处偏上土层k-ι位置； 所述的地层损失为某一深度位置所在地层沉降槽曲线与该埋深位置水平面所包围的 单位长度的沉降槽体积，当沉降槽曲线服从高斯曲线时，计算公式为 当为任意曲线时，只需计算出其稳定时沉降槽的横断面积；以下分析是基于沉降槽曲线服 从高斯分布； 所述的土层k中埋深Zk-1 处的 Vk(Zk-1+)、Ak(Zk-l+)Sk,max(Zk-1+)、ik(Zk-1+)等于土层k-Ι 中埋 Y木 Zk-1 处1 白勺 Vk-l(Zk-1 )、Ak-l(Zk-1 )、Sk-l，max(Zk-1 )、ik-l(Zk-1 ); 利用采集到的位移数据，通过origin软件进行高斯曲线拟合，从拟合结果中得到沉降 槽曲线与坐标轴所包围的面积即等价于地层损失、沉降槽宽度系数和最大位移;基于统计 分析原理，对Ck( z)和隧道轴线埋深h和土层埋深z进行统计分析，得到式(2)或式(3)所示的 函数关系，拟合的同时亦得到该土质条件下函数式中的参数a k和bk的具体取值;最后利用分 段函数叠加的方法，得到整个上覆土层的地层损失逆传递系数函数c(z);C、 经验公式的修正； 利用步骤B中得到的地层损失逆传递函数c(z)，修正不同埋深处的地层损失，建立地表 沉降槽参数和不同埋深处地中沉降槽参数的关系，如公式(5)所示;通过实测位移值，基于 式(6)反演出各土层的参数nk，得到具体的适用于各土层的最大位移计算公式;利用叠加原 理得到整个上覆土层不同埋深处的最大位移计算公式(7);结合式(5)得到沉降槽宽度系数 的计算公式(8)，最后基于高斯分布曲线，得到沉降槽曲线的预测公式(9)，则在后续施工 时，只需监测地表或浅层位移就可实现整个上覆土层中地层位移的预测；Smax(0)、i(0)分别为地表沉降槽曲线的最大位移(mm)和沉降槽宽度系数(m);Smax(z)、i (z)分别为土层埋深z下的沉降槽曲线的最大位移(mm)和沉降槽宽度系数(m);Sz(x)为土层 埋深z处的地层位移曲线(mm) ;x为监测点距隧道轴线的水平距离(m)。
【文档编号】G06F17/50GK105956271SQ201610286880
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】王海涛, 金慧, 张景元, 闫帅, 何永, 常胜涛
【申请人】大连交通大学