本發(fā)明涉及隧道工程建設(shè)領(lǐng)域，具體涉及一種淺埋偏壓隧道地表沉降變形的預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

隧道線路設(shè)計需要綜合考慮路線走向和地形地質(zhì)等因素，在傍山及河谷地帶經(jīng)常出現(xiàn)偏壓情況，從而導(dǎo)致淺埋偏壓隧道情況日益增多。引起偏壓的原因主要有地形原因、地質(zhì)構(gòu)造原因以及施工原因，其中尤以地形原因最為普遍和常見。對于偏壓隧道，其圍巖穩(wěn)定性控制和支護結(jié)構(gòu)安全保障等方面都較為復(fù)雜，一直以來都是業(yè)內(nèi)學(xué)者研究的熱點問題。

針對隧道施工引起的地表沉降規(guī)律有很多學(xué)者進行過卓有成效的研究。peck基于有限地區(qū)實測資料提出的經(jīng)驗公式，至今仍在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，成為預(yù)測沉降槽曲線的經(jīng)典公式。但目前對偏壓隧道地層變形規(guī)律的研究成果主要集中于施工方法選取和優(yōu)化、圍巖穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)受力特性、施工監(jiān)控與控制措施等方面，大多針對某一特定工程開展探討，使得推廣和應(yīng)用受到一定限制，同時也缺乏對隧道偏壓程度進行定量描述的理論依據(jù)或參數(shù)。

鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時間的研究和實踐終于獲得了本發(fā)明一種淺埋偏壓隧道地表沉降變形的預(yù)測方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明采用的技術(shù)方案在于，提供一種淺埋偏壓隧道地表沉降變形的預(yù)測方法，包括以下步驟：

第一步：隧道偏壓程度判斷，通過最大主應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)程度反映隧道偏壓程度，定義最大主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度為偏壓系數(shù)，并計算得到地表沉降槽中心偏移距離；

第二步：分析地表沉降因素，地表沉降槽的扭曲和偏位由偏壓地形和偏壓荷載的雙重影響疊加，建立地表沉降計算模型；

第三步：計算偏壓地形影響，得到偏壓地形影響下的地層任意點沉降規(guī)律；

第四步：計算偏壓荷載影響，得到偏壓荷載影響下的地層任意點沉降規(guī)律；

第五步：將偏壓地形和偏壓荷載作用結(jié)果疊加，代入隧道相關(guān)參數(shù)，建立預(yù)測沉降曲線，用于預(yù)測淺埋偏壓隧道地表沉降規(guī)律。

較佳的，所述第一步中偏壓系數(shù)的計算公式為：

其中，α為偏壓系數(shù)，β為偏壓角，k為地層側(cè)壓系數(shù)、z為隧道埋深。

較佳的，所述第一步中地表沉降槽中心偏移距離的計算公式為：

δx＝(z0+0.5d)tanα；

其中，δx為地表沉降槽中心偏移距離，z0為隧道中心埋深，d為隧道直徑，α為偏壓系數(shù)。

較佳的，所述第二步中的地表沉降計算模型為：

s(x)＝st(x)+sq(x)；

其中，s(x)為計算點的地表沉降值，st(x)為地形影響下計算點的地表沉降值，sq(x)為偏壓荷載影響下計算點的地表沉降值。

較佳的，所述第三步中偏壓地形影響下的地層任意點沉降規(guī)律公式為：

其中，st(x)為地形影響下的計算點沉降值，v1為地層損失率；d為隧道直徑，k為沉降槽寬度參數(shù)，x為計算點到沉降槽中線的水平距離，zx為計算點等效水平地表線情況下的隧道埋深。

較佳的，所述第四步中偏壓荷載影響下的地層任意點沉降規(guī)律公式為：

其中，sq(x)為偏壓荷載影響下的地表沉降值，μ為地層壓縮模量，e為地層泊松比，β為偏壓角，γ為地層重度，x為計算點到沉降槽中線的水平距離，d為隧道直徑。

較佳的，所述第五步中獲取隧道相關(guān)參數(shù)的具體工作內(nèi)容為：

(1)測量某一斷面沉降值，建立該斷面的實際沉降曲線；

(2)取地層損失率和沉降槽寬度系數(shù)的經(jīng)驗值，其他隧道參數(shù)依據(jù)實際工程情況選取，代入地表沉降計算模型，建立該斷面的預(yù)測沉降曲線；

(3)將實際沉降曲線與預(yù)測沉降曲線對比擬合，得到地層損失率和沉降槽寬度系數(shù)的擬合參數(shù)。

較佳的，所述第五步中的斷面沉降值的測試方法為：選定監(jiān)測斷面，在監(jiān)測斷面設(shè)置10～15個地表沉降監(jiān)測點，各監(jiān)測點之間間距2～5m，沿隧道中線對稱布置，所述監(jiān)測點采用直徑20～30mm，長200～300mm半圓頭鋼筋制成，所述監(jiān)測點四周用水泥砂漿填實。

與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明針對淺埋偏壓隧道提出了偏壓系數(shù)的概念及其計算方法，并在此基礎(chǔ)上建立等效分析計算模型，實現(xiàn)對淺埋偏壓隧道地表沉降規(guī)律進行定量計算和預(yù)測分析。

本發(fā)明得到淺埋偏壓隧道的偏壓程度可以用偏壓系數(shù)進行表征，該系數(shù)反映了偏壓作用下最大主應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)角度，偏壓系數(shù)與偏壓角、地層側(cè)壓系數(shù)以及隧道埋深有關(guān)。在偏壓系數(shù)基礎(chǔ)上，利用等效疊加原理對地表沉降規(guī)律進行預(yù)測，可以為偏壓隧道設(shè)計、施工、影響評價和安全防護提供科學(xué)與有效的依據(jù)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明各實施例中的技術(shù)方案,下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。

圖1是偏壓情況下的應(yīng)力莫爾圓；

圖2是偏壓系數(shù)隨偏壓角變化規(guī)律圖；

圖3是偏壓系數(shù)隨隧道埋深的變化規(guī)律圖

圖4是淺埋偏壓隧道沉降槽中心位置圖；

圖5是淺埋偏壓隧道地形圖

圖6是偏壓地形影響圖；

圖7是偏壓荷載影響圖；

圖8是偏壓荷載影響下地表附加變形圖；

圖9是淺埋偏壓隧道地表變形規(guī)律圖；

圖10是偏壓淺埋隧道斷面一不同施工階段的實測沉降曲線；

圖11是偏壓淺埋隧道斷面一預(yù)測沉降曲線與實際沉降曲線；

圖12是偏壓淺埋隧道斷面二不同施工階段的實測沉降曲線；

圖13是偏壓淺埋隧斷面二預(yù)測沉降曲線與實際沉降曲線。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點作更詳細的說明。

實施例1

一種淺埋偏壓隧道地表沉降變形的預(yù)測方法，包括以下步驟：

第一步：隧道偏壓程度判斷，通過最大主應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)程度反映隧道偏壓程度，定義最大主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度為偏壓系數(shù)，并計算得到地表沉降槽中心偏移距離；

第二步：分析地表沉降因素，地表沉降槽的扭曲和偏位由偏壓地形和偏壓荷載的雙重影響疊加，建立地表沉降計算模型；

第三步：計算偏壓地形影響，得到偏壓地形影響下的地層任意點沉降規(guī)律；

第四步：計算偏壓荷載影響，得到偏壓荷載影響下的地層任意點沉降規(guī)律；

第五步：將偏壓地形和偏壓荷載作用結(jié)果疊加，代入隧道相關(guān)參數(shù)，建立預(yù)測沉降曲線，用于預(yù)測淺埋偏壓隧道地表沉降規(guī)律。

本發(fā)明針對淺埋偏壓隧道提出了偏壓系數(shù)的概念及其計算方法，并在此基礎(chǔ)上建立等效分析計算模型，實現(xiàn)對淺埋偏壓隧道地表沉降規(guī)律進行定量計算和預(yù)測分析，可以為偏壓隧道設(shè)計、施工、影響評價和安全防護提供科學(xué)與有效的依據(jù)。

實施例2

本實施例在上述實施例的基礎(chǔ)上，所述第一步中偏壓情況下的最大主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)過程如圖1所示，圖中橫坐標為主應(yīng)力，縱坐標為剪應(yīng)力，k為地層側(cè)壓系數(shù)，z為隧道埋深，γ為隧道圍巖重度，β為偏壓角，kγtanβ為偏壓引起的地層水平向剪應(yīng)力，α為最大主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度。實線圓為偏壓情況的應(yīng)力圓，虛線圓為無偏壓情況的應(yīng)力圓，實線圓和虛線圓表示相同埋深情況下地層中某點的應(yīng)力狀況。由圖1可知，無偏壓情況時，地層水平向無剪應(yīng)力，最大主應(yīng)力方向與重力方向一致；偏壓情況下，地層水平方向存在剪應(yīng)力，從而導(dǎo)致最大主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，根據(jù)應(yīng)力圓的幾何關(guān)系可得：

由此可知最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)角度為：

其中，定義偏轉(zhuǎn)角度α為偏壓系數(shù)，β為偏壓角，k為地層側(cè)壓系數(shù)、z為隧道埋深。由上式可知，偏壓系數(shù)與偏壓角、地層側(cè)壓系數(shù)、隧道埋深有關(guān)。

取隧道埋深z＝10m，地層側(cè)壓系數(shù)k＝0.5，偏壓系數(shù)α隨偏壓角β變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知偏壓系數(shù)隨偏壓角的增大而增加，當偏壓角在0-45°區(qū)間時，偏壓系數(shù)近似線性增加，當偏壓角超過45°時，偏壓系數(shù)快速增加。

取隧道偏壓角β＝30°，地層側(cè)壓系數(shù)k＝0.5，偏壓系數(shù)α隨隧道埋深z的變化規(guī)律如圖3所示。圖3可知，隨著隧道埋深的增加，偏壓影響呈負指數(shù)關(guān)系迅速減弱，在偏壓角30°的情況下，當埋深超過30m時，偏壓對地表變形的影響很小。

由于地表沉降具有趨于大主應(yīng)力方向的特性，由此可以得到淺埋偏壓隧道沉降槽中心位置的確定方法如圖4所示，由圖4可以得到地表沉降槽中心偏移距離為：

δx＝(z0+0.5d)tanα；(3)

其中，δx為地表沉降槽中心偏移距離，z0為隧道中心埋深，d為隧道直徑，α為偏壓系數(shù)。

本發(fā)明通過最大主應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)程度反映隧道偏壓程度，定義最大主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度為偏壓系數(shù)，并計算得到地表沉降槽中心偏移距離，對偏壓程度進行了定量分析。

實施例3

本實施例在上述實施例的基礎(chǔ)上，在所述第二步中偏壓隧道地形如圖5所示的，分析得到地表沉降槽的扭曲和偏位主要是由于偏壓地形和偏壓荷載對沉降槽的雙重影響，建立地表沉降計算模型為：

s(x)＝st(x)+sq(x)(4)

其中，s(x)為計算點的地表沉降值，st(x)為地形影響下計算點的地表沉降值，sq(x)為偏壓荷載影響下計算點的地表沉降值，式(4)表示各點的地表沉降規(guī)律。

如圖6所示為偏壓地形對沉降槽的影響，如圖7所示為偏壓荷載對沉降槽的影響，圖中z0為隧道中心埋深，x為計算點到沉降槽中線的水平距離，zx為該點等效水平地表線情況下的隧道埋深，d為隧道直徑。圖5的地表沉降情況為圖6和圖7兩種作用的等效疊加組合。

實施例4

本實施例在上述實施例的基礎(chǔ)上，所述第三步中根據(jù)peck公式，地表某點沉降值為：

式中：st(x)為地形影響下的計算點沉降值；x為計算點到沉降槽中線的水平距離；smax,x為水平等效地表線情況下的地表最大沉降值；ix為水平等效地表線情況下的沉降槽寬度。其中：

ix＝kzx(7)

式中：v1為地層損失率；d為隧道直徑；k為沉降槽寬度參數(shù)；zx為該點等效水平地表線情況下的隧道埋深。由此得到偏壓地形影響下的地表沉降關(guān)系為：

其中，st(x)為地形影響下的計算點沉降值，v1為地層損失率；d為隧道直徑，k為沉降槽寬度參數(shù)，x為計算點到沉降槽中線的水平距離，zx為計算點等效水平地表線情況下的隧道埋深。該公式用于表示偏壓地形影響下的地層任意點沉降規(guī)律。

實施例5

本實施例在上述實施例的基礎(chǔ)上，所述第四步中根據(jù)圖7所示荷載作用下地表變形規(guī)律，得到地表某點荷載作用下的沉降關(guān)系公式：

式中：sq(x)為偏壓荷載影響下的地表沉降值，x為計算點到沉降槽中線的水平距離，η為任意點到沉降槽中線的水平距離，η1、η2是隧道影響范圍地表區(qū)間，即x∈[η1,η2]；q(η)為等效偏壓荷載。其中：

q(η)＝-γh＝-γηtanβ(10)

式中，β為偏壓角，γ為地層重度，h為等效水平地表線至實際地表線的距離。得到：

其中，隧道影響范圍通常為隧道洞徑的3-5倍左右，因此η1、η2可分別取-5d和5d。由此即可得到偏壓荷載影響下的地層任意點沉降規(guī)律：

其中，sq(x)為偏壓荷載影響下的地表沉降值，μ為地層壓縮模量，e為地層泊松比，β為偏壓角，γ為地層重度，x為計算點到沉降槽中線的水平距離，d為隧道直徑。該公式用于表示偏壓荷載影響下的地層任意點沉降規(guī)律。

根據(jù)上式可得偏壓荷載影響下地表附加變形如圖8所示，圖中計算范圍為隧道中心線左右各5d，由于存在荷載邊界效應(yīng)，實際有效范圍取隧道中心線左右各3d。由圖8可知，在有效范圍內(nèi)等效荷載對地表沉降槽附加影響近似線性分布規(guī)律，其中深埋側(cè)地層變形將進一步加劇，而淺埋側(cè)有所抵消。

實施例6

本實施例在上述實施例的基礎(chǔ)上，所述第五步中以ⅵ級圍巖參數(shù)進行計算，取隧道跨徑d＝10m，埋深z＝10m，最終得到地表變形規(guī)律如圖9所示。

由圖9可知淺埋偏壓隧道地表沉降規(guī)律：偏壓地形使得深埋側(cè)上覆圍巖厚度大于淺埋側(cè)，其作用使得深埋側(cè)地表沉降較??；偏壓作用一方面使隧道圍巖內(nèi)部最大主應(yīng)力方向發(fā)生傾斜，導(dǎo)致沉降中心相應(yīng)偏移，另一方面又使得深埋側(cè)地層荷載較大，在后續(xù)荷載調(diào)節(jié)和重分布過程中導(dǎo)致地表沉降增大。以上兩種因素的疊加作用結(jié)果即為觀測到的實際地表沉降，偏壓地形使地表沉降槽中心位置向深埋側(cè)偏移，偏壓荷載使深埋側(cè)沉降增大，淺埋側(cè)沉降減小，最終導(dǎo)致深埋側(cè)沉降值和影響范圍均大于淺埋側(cè)。

實施例7

本實施例在上述實施例的基礎(chǔ)上，所述第五步中獲取隧道相關(guān)參數(shù)的具體工作內(nèi)容為：

(1)測量某一斷面沉降值，建立該斷面的實際沉降曲線；

(2)取地層損失率和沉降槽寬度系數(shù)的經(jīng)驗值，其他隧道參數(shù)依據(jù)實際工程情況選取，代入地表沉降計算模型，建立該斷面的預(yù)測沉降曲線；

(3)將實際沉降曲線與預(yù)測沉降曲線對比擬合，得到地層損失率和沉降槽寬度系數(shù)的擬合參數(shù)。

通過該方法可以得到實際隧道參數(shù)，將參數(shù)代入地表沉降計算模型可以對后續(xù)斷面沉降結(jié)果進行很好的預(yù)測。

實施例8

本實施例在上述實施例的基礎(chǔ)上，所述第五步中的斷面沉降值的測試方法為：選定監(jiān)測斷面，在監(jiān)測斷面設(shè)置10～15個地表沉降監(jiān)測點，各監(jiān)測點之間間距2～5m，沿隧道中線對稱布置，所述監(jiān)測點采用直徑20～30mm，長200～300mm半圓頭鋼筋制成，所述監(jiān)測點四周用水泥砂漿填實

實驗例9

在上述實施例的基礎(chǔ)上，本實施例的具體工作內(nèi)容為：

在隧道淺埋段選定監(jiān)測斷面一，埋深為14m，在斷面設(shè)置11個地表沉降點，各測點之間間距2m，沿隧道中線對稱布置。沉降測點采用ф20mm，長200mm半圓頭鋼筋制成，四周用水泥砂漿填實。通過對施工全過程的連續(xù)監(jiān)測，得到不同施工階段下的地表沉降如圖10所示，其中階段6為隧道完成后的實際沉降曲線。

由圖10監(jiān)測結(jié)果可知偏壓影響下地表沉降規(guī)律：1)淺埋偏壓隧道地表沉降槽與普通隧道沉降槽相比，不再具對稱性，深埋側(cè)影響程度和范圍都較淺埋側(cè)大，最大沉降點往深埋側(cè)方向偏移。2)沉降槽最低點隨著后續(xù)施工步序的推進，發(fā)生緩慢偏移，傾向于向隧道中線靠近，這種偏移規(guī)律和程度主要取決于隧道施工法和順序。3)淺埋偏壓隧道地表沉降規(guī)律總體形態(tài)滿足傳統(tǒng)peck公式的分布規(guī)律，但受偏壓影響，曲線形態(tài)發(fā)生了扭曲和偏位。

根據(jù)工程地質(zhì)資料概況，取ⅵ級圍巖參數(shù)進行計算，地層側(cè)壓系數(shù)取0.5，監(jiān)測斷面埋深為10m，由式(1)計算得到斷面一的偏壓系數(shù)分別為：α1＝0.076。進一步由式(2)可得沉降槽中心偏移距離為δx1＝1.04m。根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)定沉降槽寬度系數(shù)k和地層損失率v1。由式(4)、(8)、(12)得到預(yù)測沉降結(jié)果，將之與斷面一的實測結(jié)果進行對比，得到結(jié)果如圖11所示，圖中實測結(jié)果為斷面一的實際沉降曲線，擬合結(jié)果為預(yù)測沉降曲線。通過圖11的分析結(jié)果，將實際沉降曲線與預(yù)測沉降曲線對比擬合，可得實際地層損失率v1＝0.7％，沉降槽寬度系數(shù)k＝0.7。

對預(yù)測沉降曲線進行驗證，在隧道淺埋段選定監(jiān)測斷面二，埋深為20m，在斷面設(shè)置11個地表沉降點，各測點之間間距2m，沿隧道中線對稱布置。沉降測點采用ф20mm，長200mm半圓頭鋼筋制成，四周用水泥砂漿填實。通過對施工全過程的連續(xù)監(jiān)測，得到不同施工階段下的地表沉降如圖12所示，其中階段6為隧道完成后的實際沉降曲線。

根據(jù)工程地質(zhì)資料概況，?、墖鷰r參數(shù)進行計算，地層側(cè)壓系數(shù)取0.5，監(jiān)測斷面埋深為20m，由式(1)計算得到和斷面二的偏壓系數(shù)分別為：α2＝0.055。進一步由式(2)可得沉降槽中心偏移距離為δx2＝1.14m。將地層損失率v1＝0.7％，沉降槽寬度系數(shù)k＝0.7代入式(4)、(8)、(12)，得到最終沉降結(jié)果，將之與斷面二的實測結(jié)果進行對比，得到結(jié)果如圖13所示，圖中實測結(jié)果為斷面二的實際沉降曲線，擬合結(jié)果為預(yù)測沉降曲線。

由圖14可知，斷面二預(yù)測沉降曲線與實際沉降曲線吻合度高，可見在獲取隧道某一斷面沉降曲線的基礎(chǔ)上，能夠?qū)罄m(xù)斷面沉降結(jié)果進行很好的預(yù)測。隨著工程案例的豐富，不同地區(qū)和不同工法的隧道施工產(chǎn)生的地表變形參數(shù)也將逐漸完善和豐富，本預(yù)測方法將得到更好的應(yīng)用和發(fā)揮。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，對本發(fā)明而言僅僅是說明性的，而非限制性的。本專業(yè)技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進行許多改變，修改，甚至等效，但都將落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。