一种全阶段地表沉降预测及控制方法

1.本发明涉及地下工程技术领域，尤其涉及一种全阶段地表沉降预测及控制方法。


背景技术：

2.在横向管幕(棚)作用下车站主体施工过程中，下部导洞开挖造成上部土体松动土压力增大，土层产生相应的变形，由于管幕(棚)结构相对于土层刚度较大，管幕(棚)上方土体与管幕(棚)间土体沉降不一致，管幕(棚)可为其周围土体提供稳定支撑，而管间土体逐步塌落，形成塌落拱。
3.此外，由于管幕(棚)为拱脚提供支撑，土拱受到上部松动土压力后可将压力传递给管幕(棚)结构，继而引起管幕(棚)结发生较大的挠曲变形。目前国内外学者对管幕(棚)顶进过程、管幕(棚)受力挠度变化等做了一些研究，但是其往往只考虑了施工过程某一阶段的影响因素，忽略了管间土拱塌落部分，难以为工程应用提供指导。
4.而cn112597618a公开了一种隧道工程管幕支护施工地表沉降预测方法，该方案提出基于地层损失引起的地表沉降、开挖面应力释放引起的地表沉降、管壁与地层摩擦力引起的地表沉降确定单管顶进施工引起的地表沉降，但忽略了土拱损失及管幕(棚)挠度变形引起的地表沉降，无法精确预测地表沉降。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种全阶段地表沉降预测及控制方法，综合考虑土拱损失、管幕(棚)挠度变化以及管幕(棚)顶进地层变形，能够对车站主体施工阶段和管幕(棚)顶进施工阶段的地表沉降进行预测计算。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.本发明的实施例提供了一种全阶段地表沉降预测及控制方法，包括：
8.根据土拱效应，确定土拱下层塌落范围，计算管幕变形引起的地层体积损失量；基于弹性地基梁理论，计算管幕挠度变形引起的沉降量；得到两个土体塌落损失；
9.计算管幕顶进地层变形引起的沉降量，其为地层损失引起的地表沉降量、顶进面开挖压力释放引起的地表沉降量以及管壁与地层摩擦引起的地表沉降量之和；
10.基于两个土体塌落损失，利用peck公式，并结合管幕顶进地层变形引起的沉降量，计算地表沉降曲线进行预测。
11.作为进一步的实现方式，对于横断面，土拱下层塌落计算时确定的管幕间距为管间净距加上开挖部分长度；对于纵断面，未开挖处不考虑土拱效应，在计算时管幕全长进行折减。
12.作为进一步的实现方式，管幕变形挠度曲线为抛物线形，土拱塌落部分体积损失量为：
13.14.管幕挠度变形引起的土体损失量为：
[0015][0016]
其中，ln为一层开挖完成后管幕实际净跨，f为管间土拱拱高，dn为计算塌落拱体积时取管间净距；f2为管幕变形挠度曲线中间挠度最大值，lm为管幕长度，dm为管幕直径。
[0017]
作为进一步的实现方式，车站施工阶段土体损失造成的最大地表沉降量为：
[0018][0019][0020]
其中，v
loss
为车站施工阶段土体损失，b0为钢管间距；x为地表任意点到车站或者隧道中心线距离，s
max
为地表沉降最大值；i为地表沉降曲线反弯点到车站或隧道中心线的水平距离。
[0021]
作为进一步的实现方式，地层损失引起的地表沉降量为：
[0022][0023]
其中，β为地层影响范围角，i为沉降槽宽度，h为顶管埋深，r为顶管半径，为土层内摩擦角。
[0024]
作为进一步的实现方式，开挖面应力释放引起的地表沉降量为：
[0025][0026]
其中，c为作用点到地面的距离，r1为所求地面点至集中力作用点的距离，r2为所求地面点至z轴上左边为(0,0,-c)点的距离，g为土体的剪切变形模量，μ为土体的泊松比，m为所求地面点至集中力作用点的距离。
[0027]
作为进一步的实现方式，管壁与地层摩擦引起的地表沉降量为：
[0028][0029]
其中，n为所求地面点至集中力作用点的距离。
[0030]
作为进一步的实现方式，钢管与地层保持紧密接触，管幕钢管受到的土压力等于钢管表面位置的初始地应力。
[0031]
作为进一步的实现方式，考虑管幕变形过程为：
[0032]
中夹土破除后，仅管幕两端土体对管幕存在约束作用，将管幕结构简化为两端铰支约束的大跨简支梁结构；
[0033]
将管幕两端入土部分均看做为受扰动区域，利用对称性计算管幕各部分挠度曲线微分方程。
[0034]
作为进一步的实现方式，根据管幕各部分挠度曲线微分方程，结合边界条件确定管幕挠度曲线方程组。
[0035]
本发明的有益效果如下：
[0036]
本发明基于peck公式提出了一种综合考虑管幕(棚)顶进、车站主体施工中管幕(棚)挠度变形、管间土拱效应等因素的全阶段地表沉降预测方法，能够对车站主体施工阶段和管幕(棚)顶进施工阶段的地表沉降进行预测计算，其考虑因素更为充分，地表沉降预测更加准确，应用范围更广。
附图说明
[0037]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0038]
图1是本发明根据一个或多个实施方式的流程图；
[0039]
图2是本发明根据一个或多个实施方式的管幕(棚)钢管顶进施工示意图；
[0040]
图3是本发明根据一个或多个实施方式的开挖面示意图；
[0041]
图4是本发明根据一个或多个实施方式的mindlin解示意图；
[0042]
图5是本发明根据一个或多个实施方式的数据结果对比图。
具体实施方式
[0043]
实施例一：
[0044]
本实施例提供了一种全阶段地表沉降预测及控制方法，基于土拱塌落损失，综合考虑土拱损失、管幕(棚)挠度变化以及管幕(棚)顶进地层变形，可对车站主体施工阶段和管幕(棚)顶进施工阶段的地表沉降进行预测计算；包括：
[0045]
根据土拱效应，确定土拱下层塌落范围，计算管幕变形引起的地层体积损失量；基于弹性地基梁理论，计算管幕挠度变形引起的沉降量；得到两个土体塌落损失；
[0046]
计算管幕顶进地层变形引起的沉降量，其为地层损失引起的地表沉降量、顶进面开挖压力释放引起的地表沉降量以及管壁与地层摩擦引起的地表沉降量之和；
[0047]
基于两个土体塌落损失，利用peck公式，并结合管幕顶进地层变形引起的沉降量，计算地表沉降曲线进行预测。
[0048]
具体的，如图1所示，包括以下步骤：
[0049]
步骤1、根据土拱效应，确定土拱下层塌落范围。
[0050]
塌落范围中考虑因素一(横断面)，塌落计算时应该为管间净距+开挖部分长度。
[0051]
塌落范围中考虑因素二(纵断面)，未开挖处不考虑土拱塌落，因此在计算时，管幕全长要进行折减。
[0052]
步骤2、管幕(棚)顶进过程沉降量在地层损失、顶进面开挖压力释放和管壁与底层摩擦力三方面引起的沉降进行计算。
[0053]
步骤3、管幕(棚)变形分析，基于弹性地基梁理论，考虑施工扰动影响。
[0054]
步骤4、在计算完成两个土体塌落损失后，利用peck公式，并加上管幕(棚)顶进过程沉降量，计算地表沉降曲线进行预测。
[0055]
进一步的，步骤1中，确定土拱下层塌落范围过程为：
[0056]
对于车站主体施工地表沉降预测：
[0057]
由于peck公式中参数较少且物理信息明确，成为预测地表沉降最便捷有效的方
法，表达式为：
[0058][0059][0060]
式中，x为地表任意点到车站或者隧道中心线距离；s
max
为地表沉降最大值；i为地表沉降曲线反弯点到车站或隧道中心线的水平距离，即“沉降槽半宽度”；v
l
为隧道开挖直径；v
loss
为地层损失系数。
[0061]
沉降槽宽度与地层开挖深度成线性关系为：
[0062]iz
＝kz(z
0-z)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0063]
式中，kz为深度z处沉降槽宽度系数，其值与上层土体内摩擦角相关。
[0064]
由于底层参数的不同，对沉降槽宽度会产生不同的影响，对kz进行归一化处理，得到公式：
[0065]iz
＝kz(z
0-az)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0066]
式中，a为考虑不同地层土质的参数，一般介于0与1.0之间。
[0067]
考虑土拱效应，对于横断面来说，土拱下层塌落计算时确定的管幕(棚)间距应为管间净距+一部分长度。
[0068]
对于纵断面来说，未开挖处不考虑土拱效应，因此在计算时管幕(棚)全长要进行折减。
[0069]
假设管幕(棚)变形挠度曲线为抛物线形，土拱塌落部分体积损失量为：
[0070][0071]
式中，ln为一层开挖完成后管幕(棚)实际净跨，f为管间土拱拱高，dn为计算塌落拱体积时取管间净距。
[0072]
管幕(棚)挠度变形引起的土体损失量为：
[0073][0074]
式中，f2为管幕(棚)变形挠度曲线中间挠度最大值，lm为管幕(棚)长度，dm为管幕(棚)直径。
[0075]
车站施工阶段土体损失造成的最大地表沉降量为：
[0076][0077][0078]
式中，v
loss
为车站施工阶段土体损失，b0为钢管间距。
[0079]
进一步的，管幕(棚)钢管顶进施工中位置坐标如图2所示；步骤2中，依据管幕(棚)顶进过程中地表沉降计算方法，计算管幕(棚)顶进过程沉降量过程为：
[0080]
对于管幕(棚)顶进施工地表沉降预测：
[0081]
参考江勇涛的计算方法，管幕(棚)顶进施工地表沉降主要由地层损失引起的地表沉降、顶进面开挖应力释放引起的地表沉降和管壁与地层摩擦力引起的地表沉降三部分构成。
[0082]
其一，如图4所示，地层损失引起的地表沉降是由于管幕(棚)顶进过程中，受开挖钻头切削影响，开挖面前方及周围土体向管内移动，产生地层损失，从而引发地表沉降。
[0083]
地层损失引起的地表沉降量为：
[0084][0085]
式中，β为地层影响范围角，i为沉降槽半宽度，h为顶管埋深，r为顶管半径，为土层内摩擦角，多土层时取加权平均数，η为地层损失率，其值与施工工艺和地质条件有关，r为开挖面上任意点距开挖面圆心的距离；θ为开挖面圆心至开挖面上任意点连线与z轴的夹角。
[0086]
结合图2、图4的圆柱坐标系，(a，b，c)为某一点坐标。
[0087]
其二，如图5所示，顶进面开挖应力释放引起的地表沉降是由管幕(棚)钢管顶进施工过程中，开挖面应力得到释放，开挖面法向应力将减小为零。与未受开挖扰动的地层相比，相当于对开挖面施加了与初始水平地应力等大反向的附加应力作用引起。
[0088]
开挖面应力释放引起的地表沉降：
[0089][0090]
式中，c为作用点到地面的距离，r1为所求地面点至集中力作用点的距离，r2为所求地面点至z轴上左边为(0,0,-c)点的距离，g为土体的剪切变形模量，μ为土体的泊松比，m为所求地面点至集中力作用点的距离。
[0091]
其三，管壁与地层摩擦力引起的地表沉降。
[0092]
采用螺旋出土套管顶进工艺进行钢管顶进施工，边顶进、边切削，钢管与地层保持紧密接触，管幕(棚)钢管受到的土压力等于钢管表面位置的初始地应力。
[0093]
由管幕(棚)钢管与地层摩擦力引起的地表沉降：
[0094][0095]
式中，n为所求地面点至集中力作用点的距离。
[0096]
最终管幕(棚)顶进过程中，地表沉降量为：
[0097]
s3＝ω
l
+ωs+ωfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0098]
步骤3中，考虑管幕(棚)变形过程为：
[0099]
中夹土破除后，仅仅管幕(棚)两端土体对管幕(棚)存在约束作用，约束作用相对较弱，将管幕(棚)结构简化为两端铰支约束的大跨简支梁结构。
[0100]
考虑到管幕(棚)两端深入土体部分较短，将管幕(棚)两端入土部分均看做为受扰动区域，该区域荷载释放系数η0取为0.5，利用对称性计算管幕(棚)各部分挠度曲线微分方
程为：
[0101]
ab段：
[0102]
bc段：
[0103]
式中，b0为管幕或管棚间距，k为地基反力系数，kc为导洞施作完成后，喷混等结构对管幕或管棚结构的反力系数。
[0104]
ab段、bc段的挠度曲线分别定义为ω1(x)、ω2(x)，各管幕(棚)区段挠度曲线方程为：
[0105][0106][0107]
式中，β、λ是钢管幕或管棚和地基相互作用的一个综合性质参数，泛称特征参数。
[0108][0109][0110]
式中，b0为管幕或管棚间距，k为地基反力系数，kc为导洞施作完成后，喷混等结构对管幕或管棚结构的反力系数。
[0111]
中夹土破除完成后，管幕或管棚两端约束作用较弱，将其看做两端铰接的简支梁结构，其边界条件如下：
[0112][0113][0114][0115]
整理上式，并结合边界条件可得以下方程组：
[0116][0117]
实施例二：
[0118]
本实施例基于具体数据对实施例一所述的方法进行验证：
[0119]
本实施例中，结构拱顶平均厚度为7.0m，土层加权重度为17kn/m3，土层加权平均
内摩擦角为20
°
，粘聚力为10kpa，管幕(棚)结构全长为33m，钢管直径为402mm，壁厚为18mm，钢管间距为450mm，中间为锁扣连接，竖向位移基床系数为30mpa/m，车站跨度为26.7m，小导洞高度为5.5m。
[0120]
求得土层中塌落拱的拱高及松动土压力，通过建立管幕(棚)挠曲线方程对上述参数进行求解，解得管幕(棚)挠度最大变形为39.5mm，管幕(棚)顶进过程中假设沉降量为3mm，由此可得出地表沉降总量，如图5所示，将其与现场实测数据和数值模拟结果进行对比。可以看出本文提出的地表沉降计算公式与现场监测数据吻合度较高，即地表沉降量值与规律趋势与现场数据及数值模拟结果相差不大，在一定程度上说明了该方法的合理性与准确性，同时也具有较强的推广性、应用性。
[0121]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种全阶段地表沉降预测及控制方法，其特征在于，包括：根据土拱效应，确定土拱下层塌落范围，计算管幕变形引起的地层体积损失量；基于弹性地基梁理论，计算管幕挠度变形引起的沉降量；得到两个土体塌落损失；计算管幕顶进地层变形引起的沉降量，其为地层损失引起的地表沉降量、顶进面开挖压力释放引起的地表沉降量以及管壁与地层摩擦引起的地表沉降量之和；基于两个土体塌落损失，利用peck公式，并结合管幕顶进地层变形引起的沉降量，计算地表沉降曲线进行预测。2.根据权利要求1所述的一种全阶段地表沉降预测及控制方法，其特征在于，对于横断面，土拱下层塌落计算时确定的管幕间距为管间净距加上开挖部分长度；对于纵断面，未开挖处不考虑土拱效应，在计算时管幕全长进行折减。3.根据权利要求1或2所述的一种全阶段地表沉降预测及控制方法，其特征在于，管幕变形挠度曲线为抛物线形，土拱塌落部分体积损失量为：管幕挠度变形引起的土体损失量为：其中，l
n
为一层开挖完成后管幕实际净跨，f为管间土拱拱高，d
n
为计算塌落拱体积时取管间净距；f2为管幕变形挠度曲线中间挠度最大值，l
m
为管幕长度，d
m
为管幕直径。4.根据权利要求3所述的一种全阶段地表沉降预测及控制方法，其特征在于，车站施工阶段土体损失造成的最大地表沉降量为：阶段土体损失造成的最大地表沉降量为：其中，v
loss
为车站施工阶段土体损失，b0为钢管间距；x为地表任意点到车站或者隧道中心线距离，s
max
为地表沉降最大值；i为地表沉降曲线反弯点到车站或隧道中心线的水平距离。5.根据权利要求1所述的一种全阶段地表沉降预测及控制方法，其特征在于，地层损失引起的地表沉降量为：其中，β为地层影响范围角，i为沉降槽宽度，h为顶管埋深，r为顶管半径，为土层内摩擦角。6.根据权利要求1或5所述的一种全阶段地表沉降预测及控制方法，其特征在于，开挖面应力释放引起的地表沉降量为：
其中，c为作用点到地面的距离，r1为所求地面点至集中力作用点的距离，r2为所求地面点至z轴上左边为(0,0,-c)点的距离，g为土体的剪切变形模量，μ为土体的泊松比，m为所求地面点至集中力作用点的距离。7.根据权利要求1或5所述的一种全阶段地表沉降预测及控制方法，其特征在于，管壁与地层摩擦引起的地表沉降量为：其中，n为所求地面点至集中力作用点的距离。8.根据权利要求7所述的一种全阶段地表沉降预测及控制方法，其特征在于，钢管与地层保持紧密接触，管幕钢管受到的土压力等于钢管表面位置的初始地应力。9.根据权利要求1所述的一种全阶段地表沉降预测及控制方法，其特征在于，考虑管幕变形过程为：中夹土破除后，仅管幕两端土体对管幕存在约束作用，将管幕结构简化为两端铰支约束的大跨简支梁结构；将管幕两端入土部分均看做为受扰动区域，利用对称性计算管幕各部分挠度曲线微分方程。10.根据权利要求9所述的一种全阶段地表沉降预测及控制方法，其特征在于，根据管幕各部分挠度曲线微分方程，结合边界条件确定管幕挠度曲线方程组。

技术总结
本发明公开了一种全阶段地表沉降预测及控制方法，涉及地下工程技术领域，包括：根据土拱效应，确定土拱下层塌落范围，计算管幕变形引起的地层体积损失量；基于弹性地基梁理论，计算管幕挠度变形引起的沉降量；得到两个土体塌落损失；计算管幕顶进地层变形引起的沉降量，其为地层损失引起的地表沉降量、顶进面开挖压力释放引起的地表沉降量以及管壁与地层摩擦引起的地表沉降量之和；基于两个土体塌落损失，利用PecK公式，并结合管幕顶进地层变形引起的沉降量，计算地表沉降曲线进行预测。本发明综合考虑土拱损失、管幕(棚)挠度变化以及管幕(棚)顶进地层变形，能够对车站主体施工阶段和管幕(棚)顶进施工阶段的地表沉降进行预测计算。测计算。测计算。


技术研发人员：吴圣智 张学宇 温正明 刘朝阳 蔺子琛 何志伟 魏元津 梁尔斌
受保护的技术使用者：中铁十四局集团隧道工程有限公司 山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/14