一种隧道掘进用监测平台及监测方法技术

本发明专利技术涉及了一种隧道掘进用监测平台及监测方法，所述隧道掘进用监测平台包括：数据处理单元，其特征在于，基于激光点云数据，对所述盾构机动力学模型的至少一个施工段进行实时修正并确定实时修正程度，通过将该施工段信息代入所述历史模型数据集中进行匹配计算的方式，确定所述历史模型数据集中与该施工段相对应的第二敏感度参数、第二可控度参数以及沉降监测范围阈值，从而通过所述稳定性判断以及所述沉降监测范围阈值实现对施工过程的沉降监测。基于该监测平台，提出了一种隧道掘进用监测方法。监测方法。监测方法。

【技术实现步骤摘要】
一种隧道掘进用监测平台及监测方法
[0001]分案说明
[0002]本分案申请的原始基础是申请号为201910845657.0，申请日为2019年09月06日，专利技术名称为“一种基于激光三维建模的沉降监测用系统”的专利申请。


[0003]本专利技术涉及盾构施工风险监测
，尤其涉及一种隧道掘进用监测平台及监测方法。

技术介绍

[0004]盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。
[0005]盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。盾构的施工法是掘进机在掘进的同时构建或铺设隧道之盾(指支撑性管片)，它区别于敞开式施工法。国际上，广义盾构机也可以用于岩石地层，只是区别于敞开式(非盾构法)的隧道掘进机。而在我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构机。用盾构法的机械进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响地面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。
[0006]盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。
[0007]盾构法进行挖掘隧道施工时至少有以下几个步骤：
[0008]1、在置放盾构机的地方打一个垂直井，再用混凝土墙进行加固。
[0009]2、将盾构机安装到井底，并装配相应的千斤顶。
[0010]3、用千斤顶之力驱动井底部的盾构机往水平方向前进，形成隧道。
[0011]4、将开挖好的隧道边墙用事先制作好的混凝土衬砌加固，地压较高时可以采用浇铸的钢制衬砌加固来代替混凝土衬砌。
[0012]盾构法挖掘隧道相较于传统隧道掘进方法至少有以下几方面优点：
[0013]1、安全开挖和衬砌，掘进速度快。
[0014]2、盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。
[0015]3、不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施。
[0016]4、穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪
音和扰动。
[0017]5、在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。
[0018]其中，盾构掘进中会不可避免的出现地层变形，而地层变形的五个阶段通常分为，变形的第1阶段：发生在盾构到达该断面之前，主要表现为地下水位降低产生固结沉降。第2阶段：盾构通过该断面前，若盾构控制土压(泥水压)不足或过大，则开挖面正前方土体弹塑性变形引起地层沉降或隆起。第3阶段：发生在盾构通过该断面时，由于超挖、纠偏、盾构外周与周围土体的摩擦等原因而发生地层沉降或隆起。第4阶段：盾构通过该断面后产生的弹塑性变形；若衬砌背后与洞体的空隙填充不及时，造成地层应力释放，则土体的弹塑性变形引起地层沉降；若衬砌背后的填充注浆压力过高，则附加土压引发地层隆起。
[0019]尽管盾构机在不断的发展，但是无论盾构隧道施工技术如何改进，由于施工技术、工艺质量及周边环境和岩土介质的特点，其施工引起的地表沉降是不可能完全消除的。盾构推进对周围环境的影响主要表现在盾构推进引起的地表沉降。地表沉降过大时，会影响到盾构隧道和地表建筑的正常使用和安全运营，特别是在建筑物、道路、地下管线密集的城市修建地铁，隧道施工引起的地表沉降更应引起人们的高度重视。而地表沉降的原因主要有以下几方面：
[0020]1、隧道的挖掘土量常常由于超挖或盾构与衬砌间的间隙等原因比按照隧道断面计算出的土量大得多，使得隧道与衬砌之间产生空气。从而在软黏土中空隙会被周围土壤及时填充，引起地层运动，产生施工沉降。土的应力因此而发生变化，随之形成：应变
‑
变形
‑
位移
‑
地面沉降。
[0021]2、由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用，对地层产生扰动，使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力，从而引起被称为固结沉降的地层沉降。固结沉降可分为主固结沉降和此固结沉降。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密；次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。
[0022]综上所述，地面沉降程度过大一方面会造成地面建筑物及管线破裂、地面塌陷、管线泄漏甚至气体爆炸等事故，另一方面可能造成盾构机的停机，这是非常致命的。因为盾构机一停机，就容易造成土压失衡，进而造成地面下陷，甚至将盾构机埋起来，使盾构机作废，更为严重的则会造成地铁改线等严重后果。因此，如何在盾构机施工时进行有效地进行地面沉降实时监测，是盾构施工风险监测
中迫在眉睫的问题。
[0023]中国专利(公开号为CN108230442A)公开了一种盾构隧道三维仿真方法，包括：采用三维激光扫描仪获取隧道三维点云，每个点包含目标三维坐标数据(X,Y,Z)和目标反射强度信息I；根据点云数据的坐标数据构建隧道具有真实尺寸的三维结构模型，令三维结构模型任意一点的在UV坐标系下的坐标为(u,v)；计算三维结构模型上每个点的(X,Y,Z)与(u,v)的坐标转换关系。利用点云数据的反射强度信息插值生成隧道管片的二维灰度影像图，影像图中每个像素信息中包含对应三维坐标(X,Y,Z)；计算二维灰度影像图中像素在UV坐标系下的坐标；根据UV坐标实现三维结构模型与灰度影像的融合，最终生成三维结构模型内部渲染图，该渲染图是对盾构隧道内部影像的仿真。
[0024]中国专利(公开号为CN108491620A)公开了一种地铁隧道穿越桩基和路基沉降量预测的拟合度检验方法，首先建立地铁隧道100m试验段的三维有限元模型，宽度方向按照结构外左右两侧范围取2.5
‑
3.5倍隧道洞径，区间隧道结构底板下方取4.5
‑
5.5倍隧道洞
径；三维有限元模型设定的围岩为理想弹塑性材料，服从Mohr
‑
Coulomb屈服准则；三维有限元模型单元类型全部采用8节点六面体三维实体单元和4节点四面体三维实体单元；盾构隧道管片采用ABAQUS内置的Shell结构单元模拟；然后进行沉降量准确预测的拟合度检验。该专利优点是盾构掘进时将数值模拟结果与实时监测的数据进行比对，及时调整模型参数，避免因地层参数的局部变化影响模拟结果准确性。
[0025]中国专利(公开号为CN103195435B)公开了一种盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道掘进用监测平台，监测平台(4)包括：数据处理单元(2)，能够用于获取当前盾构机的运行计划；其特征在于，所述数据处理单元(2)，获取至少包括多个不同历史实时沉降BIM模型数据和与之对应的多个不同历史理论沉降GIS模型数据的历史训练数据，并通过对所述历史训练数据进行分类处理形成历史模型数据集；获取当前盾构机的运行计划和与该运行计划相对应的运行环境预报数据，构建可供用户分析查询的盾构机动力学模型，并将所述运行计划和所述运行环境预报数据代入所述历史模型数据集中进行匹配计算，得到第一敏感度参数和第一可控度参数；基于所述第一敏感度参数和所述第一可控度参数对所述盾构机动力学模型的至少一个施工段分别执行至少一次稳定性判断，并基于判断结果对所述盾构机动力学模型的至少一个施工段进行预设修正和/或确定至少一个监测段。2.根据权利要求1所述的一种隧道掘进用监测平台，其特征在于，所述数据处理单元(2)搭载于监测平台(4)上，至少包括BIM处理单元(21)和点云预处理单元(23)。3.根据权利要求2所述的一种隧道掘进用监测平台，其特征在于，所述点云预处理单元(23)被配置为：对第一激光点云数据进行数据处理，通过去噪、分类、着色处理等步骤生成带有模型特征信息的第二激光点云数据。4.根据权利要求3所述的一种隧道掘进用监测平台，其特征在于，所述BIM处理单元(21)被配置为：对所述第二激光点云数据进行三角测量计算、模型重建计算后生成所述实时沉降BIM模型。5.根据前述权利要求1～4所述的一种隧道掘进用监测平台，其特征在于，所述监测平台(4)还包括：web单元(41)、数据存储单元(42)和至少一个终端(43)，所述web单元(41)能够与所述数据存储单元(42)建立数据连接，所述沉降监测模型能够通过所述web单元(41)传输并储存于所述数据存储单元(42)中，所述终端(43)能够通过调用所述数据存储单元(42)实时观测所述沉降监测模型。6.一种隧道掘进用监测方法，其特征在于，利用隧道掘进用监测平台在通过第一次判断确定所述施工段所对应的第一敏感度参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：田世文，付春青，张功，黄雪梅，孙冬冬，刘猛，刘彤，
申请(专利权)人：北京住总集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：