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地铁隧道施工诱发地表变形预与反分析系统研究

刘波
中国矿业大学北京校区建筑工程系
1引言
    地铁建设本质上是“环境友好工程”,然而其环境负效应问题是不可避免的。在我国,地铁施工造成地面沉陷、基坑垮塌、隧道涌水、周边建(构)筑物损害、城市生命线工程损害事故时有发生,往往造成严重的经济损失与社会影响,其中隧道施工诱发地层沉降的三维预测与控制问题是国内外众多学者关注并急待研究的课题。隧道施工对地表影响的研究方法有:经验公式、随机介质理论法、弹塑性与粘弹塑性理论解析法、数值计算方法等。隧道施工动态过程引起地层移动变形包括:先期沉降、前方沉降或隆起、通过时的沉降、建筑空隙引起的沉降与滞后沉降等。应该根据地铁隧道施工前、中、后不同时期地层变形特性加以研究,基于位移实测反分析预测方法,可不断修正预测参数,使预测趋于合理。近年我们开发了地铁盾构隧道沉降预测(STS)P系统,实现修正Peck法、随机介质预测法等地层横向和纵向变形预测的正演与反演计算;结合FLAC3,进行二次开发,基本实现了考虑施工过程影响的三维分析,并已成功应用于广州地铁工程中。
2随机介质理论预测与参数反分析研究
    地铁建设属于近地表开挖活动,其L覆岩土介质性能符合随机介质属性。如图l,在开挖面临近的任意水平面:(二<H)上,引人主要影响半径I一(二)和主要影响范围角月的概念川,开挖沿Y轴为无限长。隧道施工中,由于隧道周边岩土体向开挖空间移动导致隧道断面收缩而引起地表沉降,地铁隧道都需采取有效支护措施以减小地层变形,若隧道开挖初始断面为n,隧道建成后开挖断面由n收缩为。则实际地表下沉值等于开挖范围几引起的下沉与开挖范围。引起的下沉之差
 
    对圆形隧道,设隧道中心距地表为H,开挖初始半径a,假定建成后断面均匀收缩为半径b,断面收缩△月=a一b。即n为圆心距地表为H半径为a的圆面积,为半径为b的圆面积,将圆形隧道积分区间代人式(1),则其横向地表沉降Wr(二,H)预测公式为:
 
    沿Y轴(图1中垂直于纸面方向)为半无限长,设积分变量刀,誉,甲,积分得纵向地表沉降砒(y,H)(沿隧道轴向中心线x=O盾构施工引起的地表沉降)表达式为:
 
    影响范围角的正切tan召采用Konhte的定义,即tan口二H/。,其中。二〔tan(45。一2)」,币为土体平均内摩擦角。(3)=z/随机介质方法计算横向沉降需要H,a,tan,△,其中H,a对于具体隧道工程是确定的,因此只需要确定:tan,△A。tan尽为开挖主要影响角的正切值,它和ePck法的沉降槽宽度系数i一样取决于开挖所处的地层条件。设单孔隧道施工地表稳定后,实测点的地表下沉为W。
    而W,为按理论方法计算所得到的地表下沉结果。定义目标函数FH!l:.1”(x),使F一周(W一班)2,式中,m为沉降测点数x=}tan,A}(或Pcek:x二{i})反分析方法目的在于寻找一组参数x’,是一个最优化问题,可给定一组初始参数尹值,应用最优化算法中的方向加速法(oPwel法),迅速自动搜索到一组参数x`,使得目标函数满足预先给定的要求。其数值计算步骤如下:
    (1)从前面的最好数值位置二犷’(可以是前一次迭代最后所确定的点或用其他方法所得优化点)和一组线性独立的探索方向(泞{共k),宁沪,可取坐标轴的方向)出发。首先寻找过点x犷平行于引’的直线上最好点设为x再找过点x{平行于砚,的直线上的最好点设为x,继续这个过程直到所有n个方向都已试探过,最后所得点为x犷。
    (2)寻找特殊点x片,这个点使目标函数的数值同前一点相比改进最大,即x纷点,给出二个移动的最大改进量△,其中△=f(二沪)一f。
    (3)计算f(Zx,)一二,)=k,;(4)记f,=f(x),那么u不是探索中的优化方向,则应重新开始探索,从最后一点出发并用同样的方向,即x+沿方向扩,i==式和《十,=i=1,2,n,重复步骤(1)。如果上述不等式都不满足,那么“探索直到找到极小点。将这个点定义为x犷十,而k+1阶段的新探索方向为粼+,=1,2,m一1;十”一+1Z=2,12,n一1;十`)h=。然后从步骤①重复整程,直到x{认,一x{+,<。,n,其中。为预先给定的允许误差。
3地铁盾构隧道沉降预测(STSP)系统及实例分析
    采用面向对象的玫lphi,visualC++高级编程语言,将修正Peck法、随机介质理论预测法、空柱力学简化分析法等计算公式编制了程序包;并基于FLAC子D进行了二次开发,系统计算界面如图2所示。STSP实现了修正Peck法、随机介质预测法等地层横向和纵向变形的正演与反演计算;基本实现了考虑施工过程影响的三维分析,并成功应用于广州2号线的赤一鹭区间盾构隧道地层移动预计、在盾构从新南方购物中心基础下近距离穿越工程地层变形预测等研究中获得了成功应用。
    广州地一号线杨一体区间隧道采用暗挖法施工,埋深8.5m一19m,开挖直径为6.4m一6.sm。隧道穿越地层为第四纪杂填土、中细砂层、白奎系砂岩等。该区段长1203m,现有天河村民房区段(埋深18m,1类围岩)的某个横断面的地表沉降实测数据如表1。STSP系统计算得到反分析结果为:隧道半径收缩从二24.91~,开挖影响角正切tan月二0.527。随机介质法反分析结果如图3,可以看出随机介质法反分析能可靠地拟合实测沉降;并能很好地预测出地表纵向下沉、地表水平位移、水平变形、倾斜、曲率等
 
 
    英国伦敦Heaht~试验隧道,断面近似圆形,开挖面积59时,半径为4.34m,隧道中心距地表深度为21.om。对其C线横断面地表位移实测结果,采用STSP获得ePck法结果如图4(a):土体总损失叭=0.757时,沉降槽宽度系数i=7.502m。采用随机介质法反分析,得到结果如图4(b):△A=28.145~,tan月=1.197。显然,由随机介质法反分析求得的参数,可计算出ePck法所需参数叭=0.764时,i=7.018m;与ePck法反分析求解出的参数也很接近,表明两种方法内在联系的一致性,也证实了理论与程序系统的可靠性
 
    参考文献:中国知网
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