一种地铁隧道保护区工程活动分级方法与流程

1.本发明属于隧道工程安全技术领域，尤其涉及一种地铁隧道保护区工程活动分级方法。


背景技术：

2.近年来，随着地下工程技术水平的日益提升，在隧道保护区内进行工程建设的情况屡屡增多，新建工程与既有隧道之间的相互影响成为工程建设过程中的主要问题。由于不同类型的工程建设对既有隧道的影响因素复杂多变，距离实现对既有隧道状态的分级评估与精准防护仍存在一定困难。因此，为了能够系统且高效地对地铁隧道保护区内工程建设安全的影响进行评价，有必要提出一套针对地铁隧道保护区内工程安全量化等级划分方法，为地铁隧道保护区内的工程设计及安全保护措施实施提供合理的依据，使工作人员能够简单方便地根据工程设计情况来判断安全等级。
3.cn106910002a《地铁隧道结构安全评估的方法》基于隧道结构安全评估受力和变形特点，选取隧道各病害为评价指标，根据现有安全等级划分方法、相关规范以及隧道受力和变形控制标准，建立隧道结构安全评价指标体系。但该方法仅适用于对地铁隧道服役期间结构安全的评价，不适用于评估拟建工程对既有地铁隧道的影响。
4.cn104102525b《一种穿越城市轨道交通工程的风险分级控制方法》针对与轨道交通线路及其设施存在交叉、邻接关系并影响其安全的建设工程，通过对既有轨道交通的具体施工方式及范围划分影响等级范围，并根据设计和施工的相关资料和因素建立风险等级。但该方法仅根据既有轨道交通的施工方式及范围进行影响等级划分，并没有考虑更多种类的工程活动，概括不全面。
5.cn109063955a《一种穿越地铁工程的作业影响等级划分及处置方法》综合考虑新建外部工程的作业影响区与既有地铁的影响识别区，划分作业影响等级并制定对应的工程风险处置方法。但该方法仅将隧道洞径、地下车站结构高度、桩基直径等新建工程中单一结构尺寸作为等级划分标准，分级标准过于笼统。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提供的一种地铁隧道保护区工程活动分级方法，主要解决现有分级方法存在的分级因素涵盖不全，分级标准过于笼统的技术问题。
7.本发明的技术方案为：一种地铁隧道保护区工程活动分级方法，包括以下步骤：
8.s1、根据每一类别工程活动对邻近地铁隧道的安全影响程度，建立地铁隧道安全保护区划分标准；
9.s2、获取既有地铁隧道和外部作业工程的相关结构参数、建设工程区地质参数和既有地铁隧道的健康状态等级；
10.s3、代入该工程活动类型的保护区分级边界计算公式；
11.s4、分析隧道位置与各等级保护区的关系，初步确定工程安全管理等级；
12.s5、基于既有地铁隧道的健康状态等级，确定最终工程安全管理等级：
13.若既有地铁隧道健康状态等级为1级，则工程安全管理等级不变；
14.若既有地铁隧道健康状态等级为2级，则提升工程安全管理等级，原3级提高为 2级，原2级提至1级；
15.若既有地铁隧道健康状态等级为3级，则工程安全管理等级最终确定为1级。
16.进一步地，所述工程建设包括单侧基坑工程、新建平行下穿隧道工程或新建垂直上穿隧道工程、上方堆载工程或上方卸载工程。
17.进一步地，所述单侧基坑工程，其分级方法具体为：
18.当则该单侧基坑工程安全管理等级为1级，
19.当则该单侧基坑工程安全管理等级为2级，
20.当则该单侧基坑工程安全管理等级为3级，
21.以上式子中，b为相邻基坑边界与既有地铁隧道中心线的距离，d为既有地铁隧道外径，h为既有地铁隧道埋深，h1为基坑开挖深度，h2为地下连续墙底部埋深，α1为基坑底部围岩破裂角，α2为地下连续墙底部围岩破裂角，通过公式计算，为基坑底部或地下连续墙底部围岩内摩擦角。
22.进一步地，所述新建平行下穿隧道工程，其分级方法具体为：
23.针对新建隧道上方可形成坍落拱的工况，设新建隧道拱顶为原点，隧道断面为xoy平面，y轴正向为竖直向上，x轴为水平向右，既有地铁隧道断面中心点为(x0,y0)且y0＞0，则
24.当且新建平行下穿隧道工程安全管理等级为1级；
25.当且或，且新建平行下穿隧道工程安全管理等级为2级；
26.当(x0,y0)在上述范围外，新建平行下穿隧道工程安全管理等级为3级；
27.以上式子中，d为既有隧道外径，b为新建隧道坍落拱半跨度，h为坍落拱高度，b为新建隧道半跨度，h为新建隧道高度，为隧道围岩内摩擦角。
28.进一步地，当新建隧道上方无法形成坍落拱时，所述新建平行下穿隧道工程，其分级方法具体为：
29.设新建隧道拱顶为原点，隧道断面为xoy平面，y轴正向为竖直向上，x轴为水平向右，既有地铁隧道断面中心点为(x0,y0)且y0＞0，则
30.当时，新建平行下穿隧道工程安全管理等级为1 级；
31.当时，新建平行下穿隧道工程安全管理等级为2级；
32.当(x0,y0)在上述范围外，新建平行下穿隧道工程安全管理等级为3级；
33.以上式子中，d为既有隧道外径，b为新建隧道半跨度，h为新建隧道高度，为新建隧道底部围岩内摩擦角。
34.进一步地，所述新建垂直上穿隧道工程，其分级方法具体为：
35.当s≥20mm时，新建垂直上穿隧道工程安全管理等级为1级；
36.当10mm≤s＜20mm时，新建垂直上穿隧道工程安全管理等级为2级；
37.当0＜s＜10mm时，新建垂直上穿隧道工程安全管理等级为3级；
38.式中，s为新建隧道施工引起的既有隧道上方土体变形量；
39.进一步地，所述s，可根据下式进行估算：
[0040][0041]
式中，d为新建隧道外径，单位：m，l为新建隧道与既有隧道净距，单位：m， v
l
为地层损失率，α为与地层性质相关的常数，对于强风化花岗岩地层可取0.084。
[0042]
进一步地，所述上方堆载工程，其分级方法具体为：
[0043]
当时，该上方堆载工程安全管理等级为1级；
[0044]
当时，该上方堆载工程安全管理等级为2级；
[0045]
当时，该上方堆载工程安全管理等级为3级；
[0046]
式中，h为隧道顶点的埋深，b为隧道断面所在平面内均布荷载长度，p为均布荷载大小，为地基围岩压力扩散角，一般取22
°
。
[0047]
进一步地，所述上方卸载工程，分级方法具体为：
[0048]
当时，该上方卸载工程安全管理等级为1级；
[0049]
当时，该上方卸载工程安全管理等级为2级；
[0050]
当时，该上方卸载工程安全管理等级为3级；
[0051]
式中，β为隧道顶点与基坑两端连线的夹角，p为隧道断面所在平面内的卸载大小；
[0052]
进一步地，所述建设工程区地质参数包括各土层厚度、内摩擦角、弹性模量；所述相关结构参数包括既有隧道结构尺寸、管片衬砌弹性模量、新建工程结构尺寸、材料参数、新建隧道开挖地层损失率控制值v
l
。
[0053]
本发明的有益效果：本发明适用于拟建外部工程活动对既有地铁隧道的影响安全等级划分，包括单侧基坑工程、新建平行下穿或垂直上穿隧道工程、上方堆载或卸载工程，充分考虑拟建工程不同结构参数、与既有地铁隧道的位置关系等对既有地铁隧道变形或受力的影响，划分各类工程安全管理等级，从而更加系统地对工程建设安全状态进行合理的判断，实施过程简便，评价较为全面。
附图说明
[0054]
图1为单侧基坑工程分级标准示意图。
[0055]
图2为平行下穿隧道工程分级标准示意图。
[0056]
图3为无坍落拱情况平行下穿隧道工程分级标准示意图。
[0057]
图4为垂直上穿隧道工程分级标准示意图。
[0058]
图5为上方加载工程分级情况示意图。
[0059]
图6为上方卸载工程分级情况示意图。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0061]
一种地铁隧道保护区工程活动分级方法，具体步骤为：
[0062]
1、参照图1，某工程拟开挖基坑，开挖深度达17m，位于运营中的地铁隧道线路一侧，该隧道直径为6.2m，隧道中心埋深为12m。该基坑距离轨道中心位置为11.5m，靠近地铁隧道一侧的地下连续墙深度达33.65m。根据勘察资料显示基坑施工区域共有9个工程地质层。
[0063]
工程安全量化分级的具体实施步骤如下：
[0064]
s1、所述工程为地铁隧道保护区单侧基坑工程，确定分级方法为：
[0065]
当则该单侧基坑工程安全管理等级为1级，
[0066]
当则该单侧基坑工程安全管理等级为2级，
[0067]
当则该单侧基坑工程安全管理等级为3级，以上式子中，b为相邻基坑边界与既有地铁隧道中心线的距离，d为既有地铁隧道外径，h为既有地铁隧道埋深，h1为基坑开挖深度，h2为地下连续墙底部埋深，α1为基坑底部围岩破裂角，α2为地下连续墙底部围岩破裂角，α1和α2可通过公式计算，为基坑底部或地下连续墙底部围岩内摩擦角；
[0068]
s2、根据基坑工区地勘报告，获取计算区段内相关土层参数，如表1所示；基坑开挖
深度为h1＝17m，靠近隧道一侧的地下连续墙深度为h2＝33.65m，基坑距地铁隧道中心的水平距离为b＝11.5m；
[0069]
表1基坑工程相关土层参数
[0070][0071]
根据隧道设计资料，获取计算区段内相关结构参数：隧道直径为d＝6.2m，隧道中心埋深为h＝12m，根据运营地铁隧道的定期检查资料，确定地铁隧道的健康状态等级为1级；
[0072]
s3、计算基坑底部围岩破裂角α1和地下连续墙底部围岩破裂角α2，基坑底部位于土层
⑤
，地下连续墙底部位于土层
⑨
，计算公式分别为：
[0073][0074][0075]
当基坑在既有地铁隧道工程一侧，相邻基坑边界与既有地铁隧道中心线的距离为 b＝11.5m，分别计算分级边界值为：
[0076][0077][0078][0079]
s4、分析可得：
[0080][0081]
初步确定该基坑工程安全管理等级为2级；
[0082]
s5、既有地铁隧道的健康状态等级为1级，确定最终该基坑工程安全管理等级为 2级。
[0083]
2、参照图2、图3，某工程拟进行周边隧道平行下穿既有隧道工程，其中既有隧道直
径为6.2m，隧道中心埋深为12m，隧道相关工程地质层参数如表2所示。新建隧道外径为6.2m，位于既有隧道正下方，与既有隧道竖向净距为10.6m。工程安全分级的具体实施步骤如下：
[0084]
s1、所述工程为地铁保护区内新建平行下穿隧道施工，确定分级方法为：
[0085]
设既有地铁隧道断面中心点为(x0,y0)且y0＞0，则
[0086]
当且新建平行下穿隧道工程安全管理等级为1级；
[0087]
当且或，且新建平行下穿隧道工程安全管理等级为2级；
[0088]
当(x0,y0)在上述范围外，新建平行下穿隧道工程安全管理等级为3级；
[0089]
以上式子中，d为既有隧道外径；
[0090]
s2、根据工程建设区的地勘报告，获取包含既有地铁隧道和新建隧道在内区域的相关土层参数，如表2所示；
[0091]
表2新建隧道工程相关土层参数
[0092][0093]
根据新建隧道和既有隧道设计资料，得到新建隧道高度h＝6.2m，半跨度b＝3.1m，隧道底部位于土层
⑩
，内摩擦角为既有隧道外径d＝6.2m，健康状态等级为1级；
[0094]
s3、设新建隧道拱顶为原点，隧道断面为xoy平面，y轴正向为竖直向上，x轴为水平向右，计算新建隧道坍落拱外缘边界曲线，如下式：
[0095]
坍落拱半跨度为：
[0096][0097]
坍落拱高度为：
[0098][0099]
其中，f为围岩坚固性系数，对于松散性岩土、土及砂质土取则坍落拱外缘边界曲线公式为：
[0100][0101]
既有地铁隧道断面中心的直角坐标为(x0,y0)＝(0,13.7)，则计算分级边界为
[0102][0103]
s4、分析可得：
[0104][0105]
初步确定该新建平行下穿隧道工程安全管理等级为1级；
[0106]
s5、既有地铁隧道的健康状态等级为1级，确定最终该新建平行下穿隧道工程安全管理等级为1级。
[0107]
3、参照图4，某工程拟进行周边隧道垂直上穿既有地铁隧道工程，其中既有地铁隧道直径为6.2m，隧道中心埋深为18m。新建隧道外径为5m，位于既有地铁隧道上方，与既有地铁隧道竖向净距为5.5m。工程安全分级的具体实施步骤如下：
[0108]
s1、所述工程为地铁保护区内新建垂直上穿隧道施工，确定分级方法为：
[0109]
当s≥20mm时，新建垂直上穿隧道工程安全管理等级为1级；
[0110]
当10mm≤s＜20mm时，新建垂直上穿隧道工程安全管理等级为2级；
[0111]
当0＜s＜10mm时，新建垂直上穿隧道工程安全管理等级为3级；
[0112]
式中，s为新建隧道施工引起的既有隧道上方土体变形量；
[0113]
s2、根据工程建设区的地勘报告，新建隧道下方土层为强风化花岗岩，因此α可取为0.084；根据新建隧道和既有隧道设计资料，获取相关隧道结构参数，新建隧道外径为d＝5m，新建隧道与既有隧道净距为l＝5.5m，新建隧道开挖地层损失率控制值v
l
＝1％，既有隧道的健康状态等级为2级；
[0114]
s3、计算新建隧道施工引起既有隧道上方土体变形量：
[0115][0116]
式中，d为新建隧道外径，l为新建隧道与既有隧道净距，v
l
为地层损失率，α为与地层性质相关的常数，对于强风化花岗岩地层可取0.084。
[0117]
s4、分析可得：0＜s＜10mm
[0118]
初步确定该新建垂直上穿隧道工程安全管理等级为3级；
[0119]
s5、既有地铁隧道的健康状态为2级，确定最终该新建垂直上穿隧道工程安全管理等级为2级。
[0120]
4、参照图5，某工程拟在既有地铁地铁隧道正上方地面进行土堆堆载，其中既有地铁隧道直径为6.2m，隧道中心埋深为12m。土堆位于隧道正上方，沿隧道纵向占地长度为10m，垂直隧道方向占地长度为10m，土堆总重量为2000kn。工程安全分级的具体实施步骤如下：
[0121]
s1、所述地铁隧道保护区上方堆载工程的分级方法，确定分级方法为：
[0122]
当时，该上方堆载工程安全管理等级为1级；
[0123]
当时，该上方堆载工程安全管理等级为2级；
[0124]
当时，该上方堆载工程安全管理等级为3级；
[0125]
式中，h为隧道顶点的埋深，b为隧道断面所在平面内均布荷载长度，p为均布荷载大小，为地基围岩压力扩散角，取22
°
；
[0126]
s2、根据工程建设区的地勘报告，获取包含既有地铁隧道和加载范围在内区域的相关围岩参数，简化为均匀土层，地基围岩压力扩散角取为根据新建隧道和既有隧道设计资料，获取相关隧道结构参数，既有隧道外径为d＝6.2m，隧道顶部距地面埋深为h＝8.9m，健康状态等级为2级；
[0127]
s3、考虑上方堆载在垂直于既有隧道的平面内的分布情况，分析隧道断面所在平面，将土堆简化为单位宽度长为b＝10m的条形均布荷载p＝20kn/m，计算分级边界为：
[0128][0129][0130]
s4、分析可得：
[0131][0132]
初步确定该上方堆载工程安全管理等级为2级；
[0133]
s5、既有地铁隧道的健康状态为2级，确定最终该上方堆载工程安全管理等级1 级。
[0134]
5、参照图6，某工程拟在既有地铁地铁隧道正上方地面进行土堆开挖卸载，其中既有地铁隧道直径为6.2m，隧道顶部埋深为12m。开挖位置位于隧道正上方，沿隧道纵向占地长度为5m，垂直隧道方向占地长度为10m，开挖深度为2m，开挖土堆总重量为2000kn。工程安全分级的具体实施步骤如下：
[0135]
s1、所述地铁隧道保护区上方卸载工程的分级方法，确定分级方法为：
[0136]
计算隧道顶部与基坑两端连线的夹角与应力之间的关系，则
[0137]
当时，该上方卸载工程安全管理等级为1级；
[0138]
当时，该上方卸载工程安全管理等级为2级；
[0139]
当时，该上方卸载工程安全管理等级为3级；
[0140]
s2、根据工程建设区的地勘报告，将既有隧道隧道围岩简化为均布围岩；根据新建隧道和既有隧道设计资料，获取相关隧道结构参数，既有隧道外径为d＝6.2m，隧道顶部距开挖处地面埋深为h＝10m，健康状态等级为3级；
[0141]
s3、考虑上方卸载在垂直于既有隧道的平面内的分布情况，分析隧道断面所在平面，将卸载工程简化为单位宽度长为b＝10m的条形均布竖直向上荷载p＝40kn/m，计算隧道顶点与基坑两端连线的夹角β＝53.1
°
，计算分级边界为：
[0142]
β sinβ＝1.73
[0143][0144][0145]
s4、分析可得：
[0146][0147]
初步确定该上方卸载工程安全管理等级为1级；
[0148]
s5、既有地铁隧道的健康状态为3级，确定最终该上方卸载工程安全管理等级为 1级。