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                                      地鐵隧道施工誘發地表變形預與反分析系統研究

                                      劉波
                                      中國礦業大學北京校區建筑工程系
                                      1引言
                                          地鐵建設本質上是“環境友好工程”,然而其環境負效應問題是不可避免的。在我國,地鐵施工造成地面沉陷、基坑垮塌、隧道涌水、周邊建(構)筑物損害、城市生命線工程損害事故時有發生,往往造成嚴重的經濟損失與社會影響,其中隧道施工誘發地層沉降的三維預測與控制問題是國內外眾多學者關注并急待研究的課題。隧道施工對地表影響的研究方法有:經驗公式、隨機介質理論法、彈塑性與粘彈塑性理論解析法、數值計算方法等。隧道施工動態過程引起地層移動變形包括:先期沉降、前方沉降或隆起、通過時的沉降、建筑空隙引起的沉降與滯后沉降等。應該根據地鐵隧道施工前、中、后不同時期地層變形特性加以研究,基于位移實測反分析預測方法,可不斷修正預測參數,使預測趨于合理。近年我們開發了地鐵盾構隧道沉降預測(STS)P系統,實現修正Peck法、隨機介質預測法等地層橫向和縱向變形預測的正演與反演計算;結合FLAC3,進行二次開發,基本實現了考慮施工過程影響的三維分析,并已成功應用于廣州地鐵工程中。
                                      2隨機介質理論預測與參數反分析研究
                                          地鐵建設屬于近地表開挖活動,其L覆巖土介質性能符合隨機介質屬性。如圖l,在開挖面臨近的任意水平面:(二<H)上,引人主要影響半徑I一(二)和主要影響范圍角月的概念川,開挖沿Y軸為無限長。隧道施工中,由于隧道周邊巖土體向開挖空間移動導致隧道斷面收縮而引起地表沉降,地鐵隧道都需采取有效支護措施以減小地層變形,若隧道開挖初始斷面為n,隧道建成后開挖斷面由n收縮為。則實際地表下沉值等于開挖范圍幾引起的下沉與開挖范圍。引起的下沉之差
                                       
                                          對圓形隧道,設隧道中心距地表為H,開挖初始半徑a,假定建成后斷面均勻收縮為半徑b,斷面收縮△月=a一b。即n為圓心距地表為H半徑為a的圓面積,為半徑為b的圓面積,將圓形隧道積分區間代人式(1),則其橫向地表沉降Wr(二,H)預測公式為:
                                       
                                          沿Y軸(圖1中垂直于紙面方向)為半無限長,設積分變量刀,譽,甲,積分得縱向地表沉降砒(y,H)(沿隧道軸向中心線x=O盾構施工引起的地表沉降)表達式為:
                                       
                                          影響范圍角的正切tan召采用Konhte的定義,即tan口二H/。,其中。二〔tan(45。一2)」,幣為土體平均內摩擦角。(3)=z/隨機介質方法計算橫向沉降需要H,a,tan,△,其中H,a對于具體隧道工程是確定的,因此只需要確定:tan,△A。tan盡為開挖主要影響角的正切值,它和ePck法的沉降槽寬度系數i一樣取決于開挖所處的地層條件。設單孔隧道施工地表穩定后,實測點的地表下沉為W。
                                          而W,為按理論方法計算所得到的地表下沉結果。定義目標函數FH!l:.1”(x),使F一周(W一班)2,式中,m為沉降測點數x=}tan,A}(或Pcek:x二{i})反分析方法目的在于尋找一組參數x’,是一個最優化問題,可給定一組初始參數尹值,應用最優化算法中的方向加速法(oPwel法),迅速自動搜索到一組參數x`,使得目標函數滿足預先給定的要求。其數值計算步驟如下:
                                          (1)從前面的最好數值位置二獷’(可以是前一次迭代最后所確定的點或用其他方法所得優化點)和一組線性獨立的探索方向(濘{共k),寧滬,可取坐標軸的方向)出發。首先尋找過點x獷平行于引’的直線上最好點設為x再找過點x{平行于硯,的直線上的最好點設為x,繼續這個過程直到所有n個方向都已試探過,最后所得點為x獷。
                                          (2)尋找特殊點x片,這個點使目標函數的數值同前一點相比改進最大,即x紛點,給出二個移動的最大改進量△,其中△=f(二滬)一f。
                                          (3)計算f(Zx,)一二,)=k,;(4)記f,=f(x),那么u不是探索中的優化方向,則應重新開始探索,從最后一點出發并用同樣的方向,即x+沿方向擴,i==式和《十,=i=1,2,n,重復步驟(1)。如果上述不等式都不滿足,那么“探索直到找到極小點。將這個點定義為x獷十,而k+1階段的新探索方向為粼+,=1,2,m一1;十”一+1Z=2,12,n一1;十`)h=。然后從步驟①重復整程,直到x{認,一x{+,<。,n,其中。為預先給定的允許誤差。
                                      3地鐵盾構隧道沉降預測(STSP)系統及實例分析
                                          采用面向對象的玫lphi,visualC++高級編程語言,將修正Peck法、隨機介質理論預測法、空柱力學簡化分析法等計算公式編制了程序包;并基于FLAC子D進行了二次開發,系統計算界面如圖2所示。STSP實現了修正Peck法、隨機介質預測法等地層橫向和縱向變形的正演與反演計算;基本實現了考慮施工過程影響的三維分析,并成功應用于廣州2號線的赤一鷺區間盾構隧道地層移動預計、在盾構從新南方購物中心基礎下近距離穿越工程地層變形預測等研究中獲得了成功應用。
                                          廣州地一號線楊一體區間隧道采用暗挖法施工,埋深8.5m一19m,開挖直徑為6.4m一6.sm。隧道穿越地層為第四紀雜填土、中細砂層、白奎系砂巖等。該區段長1203m,現有天河村民房區段(埋深18m,1類圍巖)的某個橫斷面的地表沉降實測數據如表1。STSP系統計算得到反分析結果為:隧道半徑收縮從二24.91~,開挖影響角正切tan月二0.527。隨機介質法反分析結果如圖3,可以看出隨機介質法反分析能可靠地擬合實測沉降;并能很好地預測出地表縱向下沉、地表水平位移、水平變形、傾斜、曲率等
                                       
                                       
                                          英國倫敦Heaht~試驗隧道,斷面近似圓形,開挖面積59時,半徑為4.34m,隧道中心距地表深度為21.om。對其C線橫斷面地表位移實測結果,采用STSP獲得ePck法結果如圖4(a):土體總損失叭=0.757時,沉降槽寬度系數i=7.502m。采用隨機介質法反分析,得到結果如圖4(b):△A=28.145~,tan月=1.197。顯然,由隨機介質法反分析求得的參數,可計算出ePck法所需參數叭=0.764時,i=7.018m;與ePck法反分析求解出的參數也很接近,表明兩種方法內在聯系的一致性,也證實了理論與程序系統的可靠性
                                       
                                          參考文獻:中國知網
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