隧道施工造成地表沉降槽空间形态五维演化的预估方法技术

本发明专利技术公开一种隧道施工造成地表沉降槽空间形态五维演化的预估方法，首先对待研究区域Peck公式的适用情况进行判断；获得盾构刀盘面积A，以及隧道纵向每环开挖造成的体积损失率η，以及隧道横向单位长度的地层损失率V

【技术实现步骤摘要】
隧道施工造成地表沉降槽空间形态五维演化的预估方法


[0001]本专利技术属于盾构隧道施工风险控制领域，具体涉及一种隧道施工造成地表沉降槽空间形 态五维演化的预估方法。

技术介绍

[0002]随着我国经济的高速发展和城市规模的不断扩大，城市修建地铁的数量逐渐增多，因修 建地铁引起的地表沉降灾害问题日益突出，不仅会造成地下管线等城市生命线的错位与破损， 也会使地面建筑物发生严重破坏，已成为全社会关注的热点问题，其发生机理和有效控制亦 是全球相关领域科学研究的难点问题。
[0003]Peck在大量实测数据的基础上提出地表沉降槽曲线大致服从正态分布的规律，用Peck 公式表达为在使用公式进行预测时一般从以往的工程的资料中取得 K值和V
l
值，然后带入处理后的公式进行地表沉降槽最终形 态的预测。
[0004]关于传统Peck公式进行地表沉降的预测存在以下问题：
[0005](1)仅能考虑沉降完成后地表沉降槽的最终形态，未能考虑施工过程中地表沉降槽的 演化过程，而对于地上建筑物的保护，由于混凝土长期刚度、混凝土徐变等因素，建筑物的 损坏不仅仅取决于最终不均匀沉降差，不均匀沉降的发展过程对建筑物的损伤是也至关重要 的；
[0006](2)传统Peck公式仅为一个统计意义上的经验公式，缺乏物理力学意义，对盾构开挖 引起土层扰动而致使的地表下沉力学机理没有得到表达；
[0007](3)未能考虑盾构推进过程中，地表移动过程的发展，对于地表的动态移动规律和机 理未有描述。

技术实现思路

[0008]本专利技术针对传统Peck公式在施工阶段无法预测地表沉降的缺点，提出一种隧道施工造 成地表沉降槽空间形态五维演化的预估方法，实现对地表沉降随包含时间因素和盾构步长因 素共同作用下的评估。
[0009]本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种隧道施工造成地表沉降槽空间形态五维演化 的预估方法，包括以下步骤：
[0010]步骤A、对待研究区域Peck公式的适用情况进行判断：
[0011]收集待研究区域监测点的历史沉降数据，对传统Peck公式进行变形及最小二乘分析， 构建回归方程并得到回归方程的线性相关系数R；若适合用Peck公式预测地表沉降，则进 行下一步操作；
[0012]步骤B、获得盾构刀盘面积A，以及隧道纵向每环开挖造成的体积损失率η，以及隧道 横向单位长度的地层损失率V
i
数据；
[0013]步骤C、对传统Peck公式进行修正，得到五维空间中Peck公式，以达到精确预测时间 和步长对地表沉降影响的效果：
[0014][0015]其中：V
i
单位长度土体地层损失量；S
max
为地表最大下沉值；i为地表沉降槽宽度；η为 体积损失率；S为地表沉降值；s为隧道已开挖长度；x为地表点据隧道中心线垂直距离即 横向距离；y为地表点据计算原点(附图1和图2中的o点)沿隧道走向距离即纵向距离； c为比例系数，与岩层性质及盾构机埋深有关，t表示时间；A为盾构机刀盘面积；L为步长； τ表示单位开挖作用的时刻；
[0016]步骤D、将步骤B中得到的数据带入五维空间Peck公式，即得到地表随时间和盾构推 进的动态变化规律。
[0017]进一步的，所述步骤C中，对Peck公式进行修正的具体方式如下：
[0018](1)记S
∞
为盾构隧道施工地表最终沉降量：
[0019]引入假设1：地表点的下沉速度正比于该点的最终下沉量与该瞬时下沉量之差，即：
[0020][0021]引入边界条件t＝0时，S(t)＝0，解得S(t)＝S
∞
(1
‑
e
‑
c
t)；
[0022](2)引入假设2：传统Peck公式所得为地表最终沉降量，即：
[0023][0024]进而得：
[0025][0026](3)验证：当t＝0时，S(x，0)＝0，满足实际情况；
[0027]当t
→
∞时，满足实际情况；
[0028](4)设t＝τ时，S处突然采出宽度为dy，面积为w(y)的岩石，设此一微小开采引起的 岩石下沉dS为：
[0029][0030]当开采宽度达到L时，
[0031][0032]确定推进过程中开挖的微小岩石面积：
[0033][0034]其中，A为盾构机刀盘面积，D为盾构机刀盘直径，则有：
[0035][0036]进而得到五维空间中Peck公式设计成沿x轴和沿y轴的分段函数。
[0037]进一步的，所述步骤A中，判断方式如下：
[0038]1)收集待研究地区监测点的历史沉降数据，所述沉降数据包括监测点到隧道中心线的距 离X
i
，监测点沉降数值S(x)；
[0039]2)对传统Peck公式进行变形以及最小二乘分析：
[0040][0041]将lnS(x)和设为回归变量进行分析，设lnS
max
为回归后的常数项，设为回归后的 线性系数；
[0042]3)得到回归方程：
[0043][0044][0045][0046]并将第1)步中搜集的历史沉降数据lnS(X
i
)，以及监测点据隧道中心线的距离X
i
带入回 归方程中，计算出S
xx
、S
xy
、S
yy
；
[0047]4)令：
[0048][0049][0050]将回归方程数据和第1)步中的监测点数据带入，计算
[0051]5)通过计算的S
xx
、S
xy
、S
yy
结果带入下式：；
[0052][0053]其中，R为线性回归方程的线性相关系数。
[0054]进一步的，所述步骤A中，若|R|<0.3，即判定为该地区的沉降不适合用Peck公式进 行预测；若|R|>0.8，即判定为此地区适合用Peck公式预测地表沉降。
[0055]进一步的，所述步骤B中，获得所述数据的方式如下：
[0056]4)盾构机刀盘面积A，在施工单位项目文件中确定准确值；
[0057]5)根据步骤A中值，其中：
[0058][0058][0059]基于此得出单位长度地层损失率V
i
；
[0060]6)计算隧道纵向每环开挖造成的体积损失率η：
[0061][0062]总结多组不同推进环数的体积损失率η，取其平均值。
[0063]与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：
[0064]本方案以地表沉降的五维空间效应为纲，对传统Peck公式进行修正，引入时间因素和 步长因素，建立五维空间中的Peck公式，使其能在五维空间中更加精确的描述地表沉降槽 随着施工扰动和时间过程下的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.隧道施工造成地表沉降槽空间形态五维演化的预估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A、对待研究区域Peck公式的适用情况进行判断：收集待研究区域监测点的历史沉降数据，对传统Peck公式进行变形及最小二乘分析，构建回归方程并得到回归方程的线性相关系数R；若适合用Peck公式预测地表沉降，则进行下一步操作；步骤B、获得盾构刀盘面积A，以及隧道纵向每环开挖造成的体积损失率η，以及隧道横向单位长度的地层损失率V
i
数据；步骤C、对传统Peck公式进行修正，得到五维空间中Peck公式，以达到精确预测时间和步长对地表沉降影响的效果：其中：V
i
单位长度土体地层损失量；S
max
为地表最大下沉值；i为地表沉降槽宽度；η为隧道纵向每环开挖造成的体积损失率；S为地表沉降值；s为隧道已开挖长度；x为地表点据隧道中心线垂直距离即横向距离；y为地表点据计算原点沿隧道走向距离即纵向距离；c为比例系数，t表示时间；A为盾构机刀盘面积；L为步长；τ表示单位开挖作用的时刻；步骤D、将步骤B中得到的数据带入五维空间Peck公式，即得到地表随时间和盾构推进的动态变化规律。2.根据权利要求1所述的隧道施工造成地表沉降槽空间形态五维演化的预估方法，其特征在于：所述步骤C中，对Peck公式进行修正的具体方式如下：(1)记S
∞
为盾构隧道施工地表最终沉降量：引入假设1：地表点的下沉速度正比于该点的最终下沉量与该瞬时下沉量之差，即：引入边界条件t＝0时，S(t)＝0，解得S(t)＝S
∞∞
(1
‑
e
‑
ct
)；(2)引入假设2：传统Peck公式所得为地表最终沉降量，即：进而得：(3)验证：当t＝0时，S(x，0)＝0，满足实际情况；当t
→
∞时，满足实际情况；(4)设t＝τ时，S处突然采出宽度为dy，面积为w(y)的岩石，设此一微小开采引起的岩石下沉dS为：
当开采宽度达到L时，确定推进过程中开挖的微小岩石面积：其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭斌，张鹏辉，罗伟庭，于英年，姚欣鹏，于广明，谭芝文，岳强，杜佳明，张立，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：