[發明專利]一種隧道地表沉降計算方法

在審

• 申請號: 202210266941.4
• 申請日: 2022-03-17
• 公開（公告）號: CN114722578A
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 趙曉勇;王飛;李鵬飛;劉建紅;李康寧;張建友;賈子琦
• 申請（專利權）人: 中鐵第一勘察設計院集團有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06Q10/04;G06Q50/08
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司 61114
• 代理人: 李罡

本發明公開了一種隧道地表沉降計算方法。現有隧道地表沉降量的計算精度不高，且計算復雜，影響隧道開挖的施工進度。本發明將隧道斷面變形分解為斷面均勻收斂、豎向位移、水平位移以及非規則橢圓化4個部分，由此建立的參數化隧道斷面統一收斂模型，可準確表述隧道斷面產生的變形，并將其引入三維鏡像法，建立了能考慮斷面非規則變形的地表沉降計算方法。本發明所采用方法中各計算參數的含義更加明確，應用更加簡便，可為復雜地層條件下隧道開挖引起的地表沉降量預測提供參考；計算結果可靠性高，與工程實測結果偏差較小。

技術領域

本發明屬于淺埋隧道地表沉降預測技術領域，具體涉及一種隧道地表沉降計算方法。

背景技術

隧道開挖施工時，由于地層損失以及施工擾動對地層產生的影響，不可避免地會引起地層的變形與位移。隧道施工所誘發的地層變形，主要表現為地表的沉降，而不均勻的地表沉降是導致地表建筑物傾斜及開裂的主要原因。因此，合理準確地預測隧道開挖引起的地表沉降，并以此對施工提供相應的控制標準是目前地下空間工程領域研究的重點。

研究隧道開挖引起的地表沉降一般有經驗方法、數值模擬方法和解析方法。經驗方法由于受制于某些特有的限制條件，包括它們對地層特性、隧道幾何形狀和施工順序的適用性，使其只能針對某些特定工程使用，缺乏普遍適用性。數值模擬方法可以考慮一些因素的耦合效應，比如地基條件、開挖斷面形狀等，但是在復雜應力狀態下，本構模型的精度將會受到限制。基于嚴格數學推導的分析方法可以定量地考慮地質參數和幾何參數的影響，是預測隧道施工引起地表沉降的實用方法。

鏡像法在預測隧道開挖引起的地表沉降問題中得到了廣泛應用。1987年，Sagaseta首次提出鏡像法的概念，Sagaseta將彈性力學與流體力學中的虛擬鏡像技術相結合，推導得到了隧道開挖引起地表沉降的計算公式。Verruijt、Booker等在Sagaseta的研究基礎上，結合隧道斷面的橢圓化變形解，得到了地層在任意泊松比條件下隧道開挖引起地表沉降的解析解。我國學者姜忻良、盧海林采用數值積分的方法得到了非均勻邊界條件下隧道開挖引起地表沉降的三維解析式。吳昌勝在鏡像法的理論基礎上，考慮了土體自重、開挖卸荷效應及浮力的影響，提出了隧道開挖引起地表沉降的統一計算公式。以上研究結果在實際工程和研究中都得到了驗證和應用。

采用鏡像法預測隧道開挖引起的地表沉降時，只需要根據隧道斷面的收斂變形模式確定積分區域，帶入公式中計算即可，工程應用簡單方便。隧道開挖施工過程中隧道斷面變形模式對地表位移的影響重大。在早期的研究工作中，隧道的收斂變形模式可以概括為4種：Sagaseta等人認為隧道開挖后產生的地層損失沿開挖邊界均勻分布；K.M.Lee等人認為隧道開挖后會因為地層損失而產生均勻收縮，同時在重力作用下，隧道會產生下沉，因此提出了開挖后斷面和初始斷面兩圓相切的隧道收斂模型，即單間隙模式；N.Loganathan等人認為，雖然在重力的作用下，隧道會產生向下的位移，但初始斷面和開挖后的斷面兩圓可能不相切，由此對單間隙模式進行了改進，提出了雙間隙模式；張治國等綜合考慮了斷面的收斂、橢圓化變形以及向下的位移，提出了不均勻收斂模式。

現有的隧道斷面收斂模式主要由以下三個基本變形模式疊加而成：(1)地層損失引起的均勻收斂變形；(2)隧道斷面在豎直方向的移動；(3)隧道斷面垂直或水平的橢圓化變形。而在實際工程中，僅僅應用上述三種基本變形模式并不能準確表述出隧道斷面在一些特殊地層條件下產生的變形，如地處邊坡以及偏壓荷載下的隧道，以及存在鄰近既有隧道的影響等，由于地層的不均勻性和非均布荷載的影響，隧道周圍的土體可能會對隧道產生非均勻的作用力，使隧道產生不規則的位移和變形，這就使得隧道地表沉降量的計算精度不高，嚴重影響隧道開挖的施工進度。Lu等通過采用傅里葉級數描述的斷面的不規則變形，但在應用過程中，各計算參數所表達的物理意義并不明確，雖然可以描述多種隧道斷面收斂變形模式，但應用起來比較復雜。

發明內容

為了彌補現有技術的不足，本發明提供一種隧道地表沉降計算方法，可準確表述隧道斷面產生的變形，提高隧道地表沉降量的計算精度，計算方式更加簡單。