一种基于地层损失的盾构施工沉降映射与预测方法

本发明涉及盾构法隧道施工沉降预测控制，尤其是一种基于地层损失的盾构施工沉降映射与预测方法。

背景技术：

1、随着城市轨道交通、市域铁路与市政地下空间建设规模的不断扩大，盾构隧道在软弱地层、近接既有铁路及重要建筑物环境下施工的风险愈发突出。尤其在大型城市轨道工程中，盾构隧道在部分区段需与既有铁路长距离并行，最小水平距离不足10 m，且上覆地层多由淤泥质土、粉质黏土和粉砂组成，天然沉降敏感性较高。盾构掘进过程中的地层扰动极易影响既有铁路路基及轨道结构的稳定性，因此，对施工扰动的准确表达与对沉降发展的可靠预测成为保障工程安全的重要基础。

2、现有预测手段在实时性及作用机理反映方面均难以满足此类高要求场景，特别是在需要实施高等级施工保护措施时，沉降预测滞后可能带来显著的安全风险与经济成本。当前盾构地表沉降分析方法主要可分为以下两类：（1）基于经验公式与地层损失率的沉降分析方法。该方法普遍采用peck理论（1969提出）及其衍生模型。该类方法存在以下局限：1）地层损失率无法直接测量，只能通过地表沉降槽反演得到，具有显著滞后性；2）实际沉降槽形态与经典理论假定存在差异，易受地层不均匀性与施工扰动变化的影响；3）经验公式难以与实时施工参数形成动态耦合，限制了对施工过程的实时控制；4）在近接既有铁路等高风险工况中，预测实时性难以满足安全要求。

3、（2）基于监测数据与参数反演的沉降控制方法。这是目前较为主流的方法，该方法通过推进速度、注浆量、排土量等施工参数与地表沉降数据之间的相关性进行分析，并通过反演方式对施工状态进行判断。然而该方法同样存在局限：1）监测数据虽具有实时性，但反演过程本质仍为事后校正，无法实现超前控制；2）反演结果显著依赖实测沉降数据，滞后性强，限制了其工程应用范围；3）尚未形成一个能够统一描述盾构扰动强度的核心参数体系；4）缺乏可动态更新的参数数据库，导致该方法在快速施工与复杂地质条件下难以推广。因此，该类方法仍主要停留在“被动响应”阶段，无法实现盾构法施工扰动的主动预测与主动调控。

4、现有技术（公告号为cn115584987a）已有基于盾构施工参数建立地层损失指标并用于施工预警或控制的相关方案，该类技术主要通过对施工参数进行实时采集、指标计算以及阈值比较，实现盾构施工状态的识别与控制。然而，该类方案的技术重点仍在于施工状态的监测、预警和调节，尚未形成一种将施工参数所反映的地层损失进一步转化为数值模型中的等效体积收缩应变、并据此开展地层沉降预测的技术路径。

5、因此，针对现有技术在沉降超前预测、物理意义统一表达及全过程模拟方面的不足，亟需提出一种能够基于地层损失机理、具有清晰物理意义并可用于全过程沉降预测的数值模拟方法，从而为盾构法施工的精细化控制与风险防控提供可靠支撑。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于地层损失的盾构施工沉降映射与预测方法，通过引入地层损失系数ie等效为体积收缩应变引入数值模型，实现地层沉降的实时预测。本发明在保持地层扰动机理真实性的基础上，具有实时预测地层沉降的能力，为地层沉降控制、施工风险评估和参数优化提供可靠的分析工具。

2、本发明的技术方案为：一种基于地层损失的盾构施工沉降映射与预测方法，包括以下步骤：

3、步骤（1）、基于典型工程的地层参数、隧道参数及盾构机施工参数，构建盾构隧道数值模型；

4、步骤（2）、引入地层损失系数ie，表征由盾构法施工中控制地层沉降的地层损失控制系数i与理想地层损失控制系数k之间的差异，其中k表征沉降处于合理控制范围内时i的理想控制水平；地层损失控制系数i根据盾构机实时施工参数按式（1）计算得到；

5、 式（1）

6、式中qmi为盾体单孔注入流量，qgj为同步注浆单孔注入流量，ω为螺旋机转速，m为螺旋机单转排出质量，ρ为地层密度，v为盾构推进速度，s0为超挖面积，s1为开挖面积，s2为盾体空隙轴向投影面积，s3盾尾空隙轴向投影面积；

7、等效地层损失系数ie通过式（7）得到，当理想地层损失控制系数k大于地层损失控制系数i时产生地层损失，即发生地层沉降。

8、 式（7）

9、式中，δv为等效体积损失量，vt为理论开挖体积；

10、步骤（3）、将地层损失系数ie等效为施加于数值模型中隧道周围土体单元的等效体积收缩应变，地层损失系数沿隧道轴向进行分段施加，并且采取变量的模拟方法，所产生的地层损失应用于隧道横向方向；

11、（4）按照盾构法施工时序进行分阶段施工模拟，并通过计算得到地层沉降随地层损失系数的时空演化结果。

12、步骤（2）中，通过对真实施工工程中连续多环的i值进行计算，可获得地层损失控制系数i的取值区间；取i区间的中值作为k的初始值，将通过k计算的等效地层损失系数ie施加于步骤（1）的数值模型中得到的地层沉降值与实测数据进行误差比较，采用二分法对理想地层损失控制系数k进行修正，直到获得误差满足要求的理想地层损失控制系数k。

13、步骤（3）中的变量模拟方法为：沿隧道轴向将地层损失定义为随里程变化的曲线函数，并按盾构推进步距将所述曲线划分为若干离散区段，每个离散区段对应的地层损失系数加载至对应施工步的土体单元区域，以实现地层损失的轴向演化模拟。

14、步骤（1）中构建隧道数值模型时，采用hardening soil土体本构模型，输入土体物理学参数，设定各土层厚度及空间分布，使土体模型的土层类型包含黏质粉土、淤泥质黏土、黏土、粉质黏土及淤泥。

15、步骤（1）中，隧道结构设计包括：隧道左半部采用分段建模方式：设定隧道内径截面半径及对应圆心角、设定隧道外径截面半径及对应圆心角以及设定管片厚度；隧道属性定义包括：设定隧道负表面、板单元、结构单元、地层损失系数以及表面荷载；设定隧道轴向长度并分段切片：设定未切片区作为初始应力平衡段，剩余切片区按照定长进行切片形成衬砌环及开挖面。

16、隧道属性定义地层损失系数时，将各施工步对应的地层损失系数ie等效为plaxis3d中的等效体积收缩应变cref，并进一步根据盾构机参数计算轴向增量收缩量cinc,axial，共同输入至plaxis 3d中。

17、数值模拟网格划分采用差异化网格参数：对隧道开挖范围内土体与面单元设定粗糙因子 0.5，以加密关键区域网格；对周边土体区域设定粗糙因子 1.0，以兼顾计算效率。

18、步骤（4）中，施工过程包括初始阶段、第一阶段、第二阶段以及后续阶段；初始阶段：结合用户指定侧压力系数、土体重度及几何模型，自动生成与自重平衡且无初始位移的原位应力场，此阶段土体单元处于激活状态，面单元与管片等结构单元为未激活状态；第一阶段：计算类型设为塑性，同时卸除初始平衡段内的土体单元，激活对应面单元、该施工步对应区段的体积收缩应变以及掌子面与同步注浆荷载；第二阶段：先卸除上一阶段的面单元并安装衬砌结构单元；同时卸除下一推进步对应区段的土体单元，并激活新的面单元、该推进步对应区段的体积收缩应变以及掌子面/同步注浆荷载；后续阶段：均按上述方式重复执行：每推进一个施工步，即按该步对应的轴向区段重新赋予对应的ie、cref及cinc,axial，并将其加载至该步对应的土体单元区域，同时完成前一施工步结构转换及下一施工步开挖激活。

19、本发明基于“盾构法施工引起的质量与体积损失（地层损失）控制地层沉降”的理论，提出一种基于地层损失的盾构沉降映射与预测方法。通过引入地层损失系数ie表征地层损失控制系数i与理想地层损失控制系数k的差异（k为沉降合理控制范围内i的理想水平），并将ie等效为施加于隧道周围土体单元的体积收缩应变，实现施工扰动的统一量化与地层沉降的精细模拟和实时预测。该方法可获得沉降随地层损失系数变化的时空演化结果，适用于不同地质与工况条件，具有如下特点：

20、（1）本发明以“地层损失控制沉降”为基本理论，将盾构施工过程中由施工空隙形成、同步注浆补偿不足及补偿滞后所引起的地层损失统一纳入同一分析框架，并通过地层损失控制系数进行表征，从而将原本分散、难以统一描述的多因素施工扰动转化为可计算、可量化的统一参数体系，解决了现有技术中地层沉降影响因素难以统一表达的问题；

21、（2）本发明将等效地层损失系数ie进一步等效为施加于隧道周围土体单元的体积收缩应变，使施工参数所反映的地层损失效应能够以规定应变加载的形式引入数值模型。通过将经验性地层损失概念转化为具有明确力学意义的等效作用量，实现了地层扰动在数值计算中的统一表达与直接求解，避免了现有经验公式方法主要依赖经验拟合、适用条件受限且难以反映复杂施工过程的不足；

22、（3）本发明以ie表征地层损失控制系数i与理想地层损失控制系数k的差异；在此基础上，结合隧道轴向变量模拟方法定义曲线变化的地层损失系数，并按盾构推进过程进行分步加载，从而获得沉降随地层损失系数变化的时空演化结果。相较于现有监测反演方法通常在沉降发生后依据监测结果进行反推分析的被动方式，本发明可根据施工参数变化主动预测沉降发展趋势，从而有效克服经验公式滞后性强和监测反演缺乏主动性的缺陷。