一种地铁隧道岩土体等效计算参数反演方法
【专利摘要】本发明涉及一种地铁隧道岩土体等效计算参数反演方法。采集地表沉降监测数据，经回归分析后作为反演计算的目标；建立标准有限元模型；提取土层的原始勘察参数并进行加权计算处理；在设定优化参数范围的条件下，在各参数取值空间内采用拉丁超立方取样方法获取样本组，将各样本组带入标准模型进行计算，并对得到的结果拟合生成响应面。在响应面上，取得对应实际沉降值的土体参数，视为等效参数。包括：等效弹性模量、等效粘聚力、等效内摩擦角、等效泊松比。本发明专利有效的利用常规的监测数据和勘察数据反演土层的等效计算参数，对地铁暗挖区间的复杂土层条件有一定的适应能力，本发明具有计算范围广、精确度高、计算量小、计算速度快、操作方便。
【专利说明】一种地铁隧道岩土体等效计算参数反演方法
【技术领域】
[0001]本发明专利属于土木工程【技术领域】，用于为地铁隧道开挖过程中数值建模计算土 体变形使用的土体等效计算参数的反演。
【背景技术】
[0002]随着轨道交通建设的发展，其暗挖施工引起的地表沉降一直为工程界所关注，而 目前工程师对地表沉降的预测大多建立在实践经验的基础上，而缺乏系统性和传承性。通 过理论或数值模拟（无论是有限元、有限差分还是离散元），仅能反映出沉降分布范围和分 布规律，对数量上的难以预测，参数调整离散度较大，最终还是归结于经验判断。由于岩土 工程的复杂性（土体分布不均、城市道路路面结构的影响、地下水的不确定性、环境条件复 杂、施工方法各异、施工队伍参差不齐），通过理论分析、精确预测地表沉降值难度较大。因 此，数值计算成为预测地铁施工引起地表沉降的普遍方法。但目前由于场地的复杂性和模 型建设的人为性，使得实用性不高，无法向工程技术人员推广，主要表现在以下几个方面： [0003] (1)对计算模型进行了若干假设；
[0004]在建立模型过程中，对模型的本构关系、边界条件、网格划分等均做了诸多假设， 这就导致了其在一定程度上与原型背离，导致计算结果的差异性。
[0005] (2)勘察报告中无法提出数值计算需要的参数；
[0006] 在一般的地铁建设勘察报告中，可以给出的数值模拟计算所需要的参数包括容 重、黏聚力、内摩擦角等，但对沉降计算结果影响较大的弹性模量或体积模量，勘察报告中 无法给出，且报告中给出的多为室内试验数据,无法真实反映现场的复杂条件和地铁施工 的应力转化状态。这就给数值计算模型参数的选取带来了困难。
[0007] (3)计算模型参数与实际岩土体状态相差较远。
[0008] 模型中选取合理的计算参数对计算结果的影响较大，但目前的计算分析中，多根 据监测结果反复调整计算参数，导致最终参数的选取背离岩土体的实际状态。
[0009] (4)模型标准化欠缺
[0010] 由于影响模型计算结果的因素较多，包括：计算边界的选取、网格的划分、土层的 划分、本构关系的选择、物理力学参数的选取等。所以参数调整的因素较多。这就给计算参 数的确定带来了诸多困难。因此在参数反演之前，必须对所建立的模型进行标准化处理。
【发明内容】
[0011] 本发明专利的目的在于提供一种利用地铁隧道沉降监测结果数据、常规的勘察报 告提供的土体物理力学参数数据，反演地铁开挖有限元计算模型中岩土体等效计算参数的 方法，得到与实际相符的土体变形和地表沉降。
[0012] 本发明通过以下技术方案实现：
[0013] 1)实测数据的提取与回归分析，包括：
[0014] 1. 1)设定监测点，并获取各个监测点距隧道中线的距离X，以及监测点的沉降值 y ；
[0015]为了能g满足沉降槽生成的需要和区域性预测的需要，监测数据的获取需提取距 隧道中线不同距离的沉降值，详见图1。其中Xi表示监测点距隧道中线的距离，71表示监测 点的沉降值。 _6] 1. 2)对实测数据（X，y)进行回归分析，回归公式为
【权利要求】
1. 一种地铁隧道岩土体等效计算参数反演方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 实测数据的提取与回归分析，包括： 1. 1)设定监测点，并获取各个监测点距隧道中线的距离X，以及监测点的沉降值y ; 1.2) 对实测数据（x，y)进行回归分析，回归公式为
得到常数项
-τ并得到曲线公式 ，其中最大沉降值 沉降槽宽度 α ^ bf ' 1 = 1/(?05; 2) 建立标准有限元计算模型，包括： 2. 1)建立几何模型：有限元模型的隧道上部土体厚度按实际埋深选取，模型的隧道下 部距离取距隧道底边缘2D的长度；模型的纵深取为单位长度1 ;模型的隧道两侧土体边界 距隧道边缘的距离为4D ;其中D表示隧道的直径；模型底边界为固定边界；模型在两个水 平方向上分别约束该水平方向位移；模型顶面为自由面，不做任何约束，岩土本构关系采用 理想弹塑性本构模型与摩尔-库伦强度准则； 2. 2)确定标准有限元计算模型输入参数：提取几何模型范围内各层土体的厚度h、天 然重度Y、粘聚力c、内摩擦角f、压缩模量E、泊松比V，并计算加权平均参数，包括：加权 平均重度Y wx、加权平均粘聚力cwx、加权平均内摩擦角供jnR、加权平均压缩模量E wx 和加权平均泊松比v wx ;以这些加权平均参数作为在几何模型中土体的初始输入参数； 3) 设定目标计算量、优化参数及其取值空间，包括： 3. 1)设定目标计算量y0fi :y0fi为步骤2)中回归曲线上的最大沉降值，即y0fi= smax ; 3.2) 设定优化参数及其取值空间：包括粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比，各参数 的取值范围以步骤2. 2)中计算的加权平均粘聚力、加权平均内摩擦角、加权平均泊松比为 基准分别减少和增加20%，即粘聚力取值范围为（80%加权平均粘聚力，120%加权平均粘 聚力）；内摩擦角取值范围为（80%加权平均内摩擦角，120%加权平均内摩擦角）；泊松比 取值范围为（80%加权平均泊松比，120%加权平均泊松比）；弹性模量取值范围为（300% 加权平均压缩模量，500 %加权平均压缩模量）； 4) 优化参数敏感性分析，包括： 4. 1)在步骤3. 2)确定的各个优化参数的取值空间内，由采用拉丁超立方抽样方法进 行扫描取样（q、釣、爲、。），......，（C,,、、￡"、Vn),并将生成的每组样本带入步 骤2. 1)和步骤2. 2)建立的标准有限元模型中进行计算，从各计算结果中分别提取（Cl，yi+ 算 1)， ......，(Cn，y 计算 n);(魏，y 计算I ),......，(ft, y II ) ; (Ep y 计算 i)， ......，(En，y 计算 n) ; ( v i，yif#i)，......，（vn，yn)形成各参数与计算沉降y的离散关系，其中y为步 骤2.1)和步骤2. 2)建立的标准有限元模型计算的、隧道轴线正上方地表沉降值； 4.2) 对步骤4. 1)得到的各参数与计算沉降yi+#的离散关系，利用最小二乘法进行线 性回归，从而分别得到参数粘聚力c、内摩擦角夢、弹性模量E、泊松比v与计算沉降y i+#的 关系曲线，进而得到参数粘聚力c、内摩擦角f、弹性模量E、泊松比v与计算沉降yi+#的 关系曲面，即y?f=f (e，f，￡，1/ ); 5)确定等效参数，用于有限元模拟计算，包括： 5. 1)在步骤4. 2)得到的曲面上取yi+#i使yi+#i = y ，得到对应的粘聚力ck、内摩 擦角约、弹性模量Ek、泊松比vk，其中 y_为步骤3.1)设定的计算目标； 5.2)以步骤5.1)得到粘聚力ck、内摩擦角Λ、弹性模量Ek、泊松比vk为等效粘聚力、 等效内摩擦角、等效弹性模量、等效泊松比；以步骤2. 2)得到的加权平均重度γ wx为等效 重度，从而得到地铁隧道岩土体的等效计算参数，用于有限元模拟计算。
【文档编号】G06F19/00GK104252576SQ201410407670
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年8月19日 优先权日:2014年8月19日
【发明者】张晋勋, 金淮, 张建全, 刘永勤, 张建旭, 邱德隆, 罗华丽, 张波, 梅图术, 马骉, 周明科, 孟涛 申请人:北京城建集团有限责任公司, 北京城建勘测设计研究院有限责任公司