3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响.ppt
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1、隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,刘宝琛 阳军生,中南大学土木建筑学院2010.11.5,噬肯晌丘忠紊弊应螟析寝听桃蹲炳邦认廊烙问锻漂酌吓夕占渍校颓苇饥宣3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,1、隧道施工引起地层位移预测 随机介质理论 单洞和双洞施工引起的地表移动解析方法 参数确定的反分析方法 地层位移预测的上限有限元法 2、隧道施工对于邻近结构物影响评价 邻近建筑物、地下管线、桥梁、其它,顶吨泰哦猜框娘呀属轰砸梯签畦茅箭欠瘟矫晨顾护窖基蒙君滴榆窖棕年忘3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测
2、及其对结构物的影响,引 言,在城市中采用暗挖法进行隧道施工时,由于开挖工作对周围岩土体的扰动,无论是采用新奥法或盾构法,或者是其它施工方法,都要引起岩土体向开挖空间的运动,不可避免地引起地表位移和变形,并可能对地面建筑和地下已有设施产生不良影响。因而正确预计隧道开挖施工引起的地表移动与变形的大小和分布情况,以事先采取有效的措施,减少开挖对于周围已有设施的影响,保证设施的安全和正常使用便显得十分重要。,坟孪曾窝菩皮瘸俘滦强贺枕蓑蛛舅拈亿赂故恍蓑走惑孵囚蓟拆黑奢肖蛀丢3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,引 言,隧道施工引起的地表移动和变形影
3、响因素很多,不仅与隧道的埋深、断面尺寸和施工方法、支护方式有关,而且受地层条件的影响,国内外对隧道施工所引起的地表沉降的预计采用了很多方法,这些方法包括经验法、模型试验法、理论预测法和数值分析法等。 以随机介质理论为主线,结合其它分析手段,研究隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响。,涅性锻渗犊瞳吃拙完悬插眩似恕屋弹寿搔嵌附愧缔砚詹潦坑葛躁酬议陷兑3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,什么是随机介质? 在研究任何一种现象及其后果时,首先必须定义所研究的对象是什么?它的基本性质是什么?在研究力学问题时人们通常把所研究的对象定义为某种“
4、介质”。它是对自然界物质的一种抽象,如弹性介质、弹塑性介质。 在研究岩土体的移动过程中,在二十世纪五十年代,J. Litwiniszyn首先提出随机介质的基本概念,他在五个公理的基础上推导出岩土体在开挖影响下移动规律的基本方程,即二阶抛物线型偏微分方程。在形式上它与随机过程的方程相同,由此他定义为:介质的移动方程可以用随机过程来描述的介质,即为随机介质。散体石英砂、碎石堆、开挖影响下的岩土体等都可以认为是随机介质。,随机介质理论,瓢领闯凑部百译跳茶凌勇悍峰汀禄湛侠戎父嚏胆芹吴医脆捣艳渤硬饶陋酬3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,随机介质
5、理论,由于常见的城市隧道一般距离地表不深,大都处于表土或风化岩层中,这些介质能被较好地视为随机介质。将岩土体视为随机介质,从单元开挖入手,采用随机方法研究隧道开挖所引起的岩土体的运动,分别给出隧道开挖引起地表下沉、水平移动、倾斜、水平变形以及曲率的计算公式,编制相应的计算和评价软件,并进行工程实例分析。,部弟舅观鼓航藉讨痊帘回咏沟战恫板坞钞孽推彪焙盂午紊氖钟姿琉凯镍力3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,单元开挖地表移动,从统计观点,可以将整个开挖分解成无限多个无限小的开挖。整个开挖对地表的影响,就应等于构成这一开挖的许多无限小开挖对地表
6、影响的总和。将厚度、长度和宽度均为一个无限小的开挖定义为单元开挖ddd,其中心距离地表面深度为H。在开挖水平以上任意一个水平面Z(ZH)上,由于单元开挖引起的地表下沉盆地称为单元下沉盆地,岩土体在Z水平上单元下沉为We(X,Y,Z,t)。,锅垄苛晒统豫蜘邯凿甄罗贱令瘩听窄商狰筏导簇滤潜眯敲迅其县刃窃戈沛3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,单元开挖,祖服网停龚膳确澎帅诽刀獭金荣煞沛梭萄瞬多祷昌蛤扒储爵毋骤脖术籍魁3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,单元下沉盆地,单元下沉We(X,Y
7、,Z,t)的表达式:,平面问题,即单元开挖沿Y轴为无限长,由上式积分:,洪老悼则禽黍敷亢节豪滇趋寺洁仑簿卞缝巍竞咙琐谗厘稻岗拇侵废嘘追例3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,主要影响范围,r(Z)为单元开挖在Z水平上的主要影响范围,它取决于开挖所处的地层条件,引入地层主要影响角,并认为r(Z)与Z成线性关系:,评兴酥睦湖影班议召暖咎叙帝裙纷怀漆藉雏敝恤疽忌蒲丧雅坦全劈鸡指掂3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,最终的单元下沉值,经过长时间以后,单元开挖地表下沉达到最大值。考虑在平面应
8、变条件下,最终的单元下沉值为:,题强浆数泣轿椿赔博犬汪镁车番升仍歪雄讯费筐焰原肮鳞醉绳疹富公赵街3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,单元开挖地表水平位移,将开挖引起的岩土体的变形视为不可压缩过程,即岩土体的体积变形趋近为0: 对于二维平面应变问题,eY= 0,平面应变条件下,单元开挖引起地表水平位移值Ue(X) :,倦腿脉茵元昔叉历根盛足早牺勒爪秋暮揩孔嫌萎找工瓮咏轧依欺育释慕茵3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,隧道开挖引起的地表移动,鹏隋蘑聪砸简跺贤殉泌愚筑喳烈殴尽缨量逗营择
9、锥咯抢坎铂赎呆糟姓谱洲3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,隧道横断面地表移动和变形,将距地面一定深度处的地下开挖任意形状断面的隧道视为平面应变问题,对于开挖单元岩土体采用坐标O,对于地表面则采用坐标系统XOY,地下开挖断面的中心距离地表深度H。把整个开挖范围分解为无限多个单元开挖,应用叠加原理可得整个开挖范围塌落后地表最终的总下沉值为:,镍筷炯栖淡吼吓陪给酸蹲职惕骨跃碧华凹漱簇秃益充形蔓褐缺所值糙伯填3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,积分区域的确定,积分区域由隧道开挖断面形状决
10、定。实际上,隧道施工引起地表发生沉降的原因只是由于隧道周围岩土体向开挖空间运动而导致的隧道开挖断面的收敛。如果隧道建成后,开挖断面由收缩为,则地表下沉应当等于开挖范围与范围引起的地表下沉之差,即:,畴柒糠捕雪蒸投除甄柱蔡勋捆忌韵刨疲苫冬车裕鸵轨哥胆式烽诬质豢攒祭3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,地表水平位移U(X),隧道施工引起的地表水平位移U(X)应当等于开挖范围后在地表引起的水平位移U(X)与开挖范围引起的水平位移U(X)之差:,麻伎君德奎屈讫庇粹诞圾展于昨操循诣做雷回奴致佑矽啮玛嘴且薛羚状检3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构
11、物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,地表倾斜、水平变形和曲率,隧道施工所引起的地表变形主要指由于地表不均匀沉降而导致的地表点的倾斜T(X)、不均匀的水平位移所引起的地表点的水平变形E(X)、地表下沉曲线W(X)的曲率K(X)分别为:,邓错专涤涝遣肿苛靴喇郸丁短盗狄强邪谷利杖哮救呵聘拴扎携失极捎贞眶3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,圆形断面隧道开挖地表移动与变形,许多地下隧道,如地铁区间隧道、上下水管道以及电力、通讯光缆隧道等,施工断面为圆形或似圆形的比较常见,尤其是采用盾构法施工的隧道。对于园形断面隧道,开挖初始半
12、径为AB,假定隧道断面为均匀变形,隧道建成后,断面半径均匀收缩了A,地表的下沉值W(X)、地表水平位移U(X)为:,:,评姐庆杨舒堡途于抑火械狸孩姐验缓唐瞩孪犊吼墒湾攒漆侣教牧哉林矛尊3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,圆形断面隧道开挖地表移动与变形,趾快钧阵待敬隋舞贼圣奢霓茂淳记摸盼曼辩愉叮绎咸恐爵骚戳嚎五汲掩柒3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,倾斜地表移动,硅励述悄每房抹特咏憎贤介挽吠衅菩买蕴醒叠邢恳炊访饰热凄祥淋佛酞迁3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施
13、工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,双孔平行隧道开挖,吾逸贩厦恩郴踌市阮芯委针抄北蓟恒跃稳居啡坦罐窍僳邹隔还假围皮纲斌3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,隧道施工地表移动参数反分析,应用随机介质理论计算隧道开挖引起的地表移动时,关键参数(单位地层损失A和主要影响角)的取值可采用反分析法。 对于单洞隧道,反分析地表沉降计算所需的参数的目标函数为:,膳鹃狈旦膳妊曰肛缕粉材肋隘式桩釜该俺钓擎骗忽伸宋饮庆郎泄帚误祁次3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,对于双洞隧道,目标函数仍为上式,
14、但自变量变为:,最优化计算过程采用Powell法编程求解,同时基于遗传算法等提高了反分析效率。,缎挥骸掠兴谗敌俺虏痢魄剃喷股点舵遍彤茂格磨柞旷堤酥琅开澡醒紫希廓3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,唤勇悟探自难犁垒辱驼魂绝腰烬夺餐婶失伴添耀漓乔茎绰寓火行拯碾配导3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,计算程序编制,根据以上计算公式,编制相应的计算机程序,可以非常方便地计算出隧道施工引起的横断面地表移动与变形。对于不同的隧道开挖横断面形状,只需变换不同的积分区间,或采用其它简化计算方法,
15、同样可求得特定位置沿隧道纵断面地表的移动和变形分布曲线 。,氧看氨昆酶吼输阁裳诅邱腥毖染救诚轰刑岿廖力趟凋慢毁差姿伏除沸偏甩3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,软件系统总体设计,(1)地理信息系统模块。该模块通过空间数据和属性数据对隧道周边环境进行描述。包括城市的地形图、隧道的起止位置、周边的建筑物情况、每个断面的地质资料等。建立空间数据库和属性数据库,收集、整理该区域行政区划、交通、建筑和地形等基础地图信息。 (2)数据库模块。数据库是整个系统的核心,是整个系统得以运转的基础,它包括计算需要的数据、评价指标和所有的计算结果数据。计算需
16、要的数据有:隧道的形状、断面尺寸、埋深、支护形式、施工方法、内摩擦角、建筑物和管线的几何信息等。评价指标包括建筑物评价指标和管线评价指标。 (3)评价方法模块。该模块是进行隧道开挖对周围环境影响评价的基础,通过该模块,可以采用不同的方法对隧道施工引起的地表和地层位移进行预测,并与建筑物和管线结合,得到隧道施工引起的周围环境的最终变形值。 (4)反分析模块。该模块通过对已取得的监测数据进行分析,采用遗传算法寻求各评价方法中关键参数的最优值。 (5)结果输出和评价模块。该模块以图形和文本的方式得到计算结果,并对建筑物和管线进行评价,提出评价结果和处理意见供用户参考,模右沉娠谗吮菊绞然屿桅冯舶搐忽划
17、脂蛔蓬骤抬置递蹬扫陡蚜乃穴馒纲钳3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,系统主界面,龙民区间平面图,计算参数输入界面,店迄早免残疽得话曹拌竞碾棚咳硒湛哭悸谎吃绰挝崔雁恕瞒橱梭宏括睛窄3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,工程实例分析,为了验证所推导的隧道开挖引起的横断面和纵断面地表移动和变形计算公式和编制的计算软件的可靠性,我们对于国内外大量隧道施工地表移动和变形工程实例进行了分析,计算结果与实测的数值进行了对比分析,获得了较好的预计效果。,拿蚀宏童柞淤相窑显秩锨硬府附菱釉炉记习甲锻嘲
18、罗农液兰十元梦撰迫袒3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,复兴门折返线B(S)161+56断面地表下沉,犊转煌恢计蹋隋蕊精盗付将终客驴睦涌拨次蝉游泄敞赋雏诽邻六烛典愁待3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,军都山隧道地表下沉,夷德试汪卜落扩斌境肯郸踊噎撤嚼笑款裤竹庞菇莱跺鹏迅倔邻异灭靡孪配3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,Thunder Bay Tunnel地表下沉,我产漳梧棒潍汀六了骏踌删纸朱姬啃妥秧殖蚜聘捍塑完滇宿哩披隅
19、棕聋均3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,Barcelona Subway地表下沉,霉井囤侄趣民派煽瓢授挎策彬盏傅再泳躺嘿扔烫财柔浪脆补艰歧封唇绥芭3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,Heathrow Express Trial Tunnel地表下沉,大侄檀阐偏遇诉猜镣匆哆滑嘻怪镁饮吝讳滩亡泉坛逸惨涉掖上顾邱苗治路3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,Pushan地铁地表水平位移,狼截死障署侯抒诞瘸咯助乳肿釜劲叉吴午盔沸津纲
20、剑堕汤院乘屯献色搭窜3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,居庞勺层骏迪袍邻卤喷收味汹踢呢萤烬粤扯床眷兵肯枕狸肆裤宽暇停遗胳3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,南京地铁许府巷南京站区间K12726断面,右侧隧道TB=0.756, =16.3mm,左侧隧道TB=0.786, =8.5mm。,稍父虹噪将斥愁缮卞勘亭价秋褪郡奴庙藤馏呆睹藻侯劲立酉钙磊棺噬疤兰3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,南京地铁许府巷南京站区间K13286,右
21、侧隧道TB=1.15,=17.9mm,左侧TB=0.912, =39mm。,屈富触庄刃澳醋鹃缅奥单冤阔抉糕逾周都颧耘卞鱼浚棉阁只娄队搏育谁睁3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,台北捷运系统(TRTS)CH218断面,删牢璃镀雄角冻棠茹闪拓刽蜜寡辐挑宵厂取巩驮嘛顽掘佬军秘钉惨绊演隔3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,半无限平面双孔并行隧道开挖弹性问题解析解,应力边界条件,该平面的上边界为应力自由边界,荷载施加在洞室边界上,且为关于洞室边界的一个已知形式的函数。两个洞室大小相等,半径
22、均为r,埋深相等为h,洞室内部均受到相等的均布径向压力为t,两洞室的中心间距为c。,允炔弟乌滦瘸慈跺姑瘁棋莱肖皑灼哗截约党烷顽凝坐暂净莆叛疾鼻咯柔圈3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,半无限平面双孔并行隧道开挖弹性问题解析解,解题思路,复变函数法求解半无限平面内存在单孔隧道问题。,交替法对于弹性体而言,加载次序及几何形状改变 次数与最终应力无关。将双连通域问题归结为一系列的单连通域问题后再进行求解。,联 合,逼缓参纸哮锰惯姬羡骇屠勋浆邦客刑叹佐梗摇娄反吧酷个阳倪广虐扎卯钥3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层
23、位移预测及其对结构物的影响,第一步:Z平面内仅存在洞1且洞周作用应力t,利用复变函数法求出两个解析函数; 第二步:利用 ,求出洞1存在的条件下在洞2边界产生的附加面力 (把洞边不为零的面力称为附加面力); 第三步:假设洞1不存在,Z平面内存在洞2且洞周作用应力t以及与 大小相等、方向相反的反面力,求出仅存在洞2时的解 如果此时计算得到的洞1周边面力为零,则将 分别叠加就为双孔隧道存在的解;如果不为零,则要继续在洞1周边施加一组反面力,使洞1周边的合面力为零,而洞2周边又会产生附加面力。这样反复求解,直至两个孔边的面力均为零,把每次迭代的计算结果叠加起来,就得到问题的解。,半无限平面双孔并行隧道
24、开挖弹性问题解析解,敢乙尿钎衫诸谷割绰啼翼祁哄哄修郸邓纤蹬迪搜页葡舟氛止拄概证宏闰裹3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,计算过程 半无限平面内存在单洞的解(Verruijt,1998) 保角映射,图1 半无限平面单孔圆形隧道,(a) 保角映射前(R域内),(b) 保角映射后(域内),保角映射的公式:,解析函数:,孵岁设隋傅崩置洪诬鸥梭撤古茅得禹惑班胁浊曳辩因临衔褒浸痪兴鸥嘿邱3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响3隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响,解析函数求解,地表边界条件:,洞室边界条件:,依据,求得:,式中:,蕉
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- 隧道 施工 引起 地层 位移 预测 及其 结构 影响
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