【技术实现步骤摘要】
本申请涉及隧道工程，具体涉及一种变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法。
技术介绍
1、城市地铁具有运量大、速度快、节省土地等优势，已成为城市公共交通的首要选择。在城市地铁隧道建设中经常会遇到分修的双洞与合修的单洞之间的相互转换、区间与车站的连接等变截面问题，因此会形成短距离内具有不同截面形式的地铁结构。此外，在地铁隧道不断兴建的同时，城市地下空间也变得越来越狭窄，不同隧道之间的规划节点冲突也变得不可避免，新建隧道从下方穿越既有隧道施工的情况愈发普遍。变截面隧道施工工艺繁多、施工力学行为复杂，极易造成围岩变形过大，导致既有隧道结构损坏，地面发生明显沉降、引起地表房屋倒塌。因此，准确预测变截面隧道下穿既有结构施工引起的地表沉降，是确保既有结构与隧道施工安全的重要基础。
2、然而，现有的研究中，在分析隧道开挖引起的地表沉降时，考虑的均为常规等截面隧道，且忽视了既有结构的影响，对于力学行为复杂的变截面隧道，往往采用数值模拟与现场监测的方法，分析施工过程中隧道衬砌与围岩应力、变形的变化情况，以此作为参考来对变截面隧道的开挖支护方案进行优化。然而现有的分析方法由于没有考虑变截面隧道断面突变以及既有结构的影响，计算结果易出现较大误差，因此，在分析具有变截面结构或下穿既有结构的新建隧道施工引起的地表沉降时，需提出一种实用、准确的分析方法，对隧道开挖引起的地层变形进行预测。
技术实现思路
1、有鉴于此，本申请提供一种变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，以提高对变截面隧道下穿
2、本专利技术实施例提供一种变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，包括：确定隧道的第一截面段、第二截面段，以及过渡连接所述第一截面段、第二截面段的渐变段；根据所述第一截面段、第二截面段的开挖面在所述隧道建设时的初始参数以及建成后的收敛参数，确定所述渐变段的开挖面初始参数和收敛参数；基于所述第一截面段、第二截面段、以及渐变段的开挖面初始参数和收敛参数，分别确定所述隧道第一截面段、第二截面段、以及渐变段对目标位置引起的沉降量；根据所述隧道第一截面段、第二截面段、以及渐变段对所述目标位置引起的沉降量，确定所述目标位置的沉降量。
3、在一种具体的实施方案中，所述确定隧道的第一截面段、第二截面段，以及过渡连接所述第一截面段、第二截面段的渐变段，包括：确定所述隧道第一截面和第二截面之间过渡连接的渐变段的范围；确定所述隧道的第一截面段、第二截面段，其中，所述第一截面段连接于所述渐变段的一端并具有所述第一截面，所述第二截面段连接于所述渐变段的另一端并具有所述第二截面。
4、在一种具体的实施方案中，所述初始参数包括所述隧道开挖面在建设时的初始边界，所述收敛参数包括所述隧道开挖面在建成后的收敛边界；若所述隧道从既有结构下部穿过施工，所述隧道开挖位置对所述目标位置引起的沉降量w(x,z)为：
5、
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7、其中，所述目标位置在整体坐标系x轴、y轴、z轴上的坐标分别为x、y、z，所述整体坐标系的原点位于地表、y轴沿所述隧道延伸方向、z轴沿垂向设置，ξ、ζ、η分别为所述隧道开挖位置单元体在所述整体坐标系x轴、y轴、z轴上的坐标，dξ、dζ、dη分别为所述隧道开挖位置单元体在沿所述整体坐标系x轴、y轴、z轴设置的局部坐标系上的尺寸，β为所述隧道上部地层主要影响角，z0为所述既有结构埋深，h0为所述隧道顶部距离地表的深度，ω为所述隧道开挖位置的开挖面初始边界，ω为所述隧道开挖位置的开挖面收敛边界，ω-ω为所述隧道开挖位置的开挖面土体损失。
8、在一种具体的实施方案中，所述根据所述第一截面段、第二截面段的开挖面在所述隧道建设时的初始参数以及建成后的收敛参数，确定所述渐变段的开挖面初始参数和收敛参数，包括：根据所述第一截面段的开挖面在所述隧道建设时的初始边界ωa、以及建成后的收敛边界ωa，所述第二截面段的开挖面在所述隧道建设时的初始边界ωb、以及建成后的收敛边界ωb，得到所述渐变段的开挖面初始边界ωa-b、收敛边界ωa-b分别为：
9、
10、
11、其中，所述渐变段的范围为2m，m>0，ζa-b为所述渐变段在沿所述整体坐标系y轴上的坐标值，ζa-b的坐标值取值范围为-m<ζa-b<m。
12、在一种具体的实施方案中，所述基于所述第一截面段、第二截面段、以及渐变段的开挖面初始参数和收敛参数，分别确定所述隧道第一截面段、第二截面段、以及渐变段对目标位置引起的沉降量，包括：根据所述第一截面段的开挖面初始边界ωa和收敛边界ωa，得到所述隧道第一截面段因土体开挖对所述目标位置引起的地表沉降量wa(x,y)为：
13、
14、根据所述第二截面段的开挖面初始边界ωb和收敛边界ωb，得到所述隧道第二截面段因土体开挖对所述目标位置引起的地表沉降量wb(x,y)为：
15、
16、根据所述渐变段的开挖面初始边界ωa-b和收敛边界ωa-b，得到所述隧道渐变段因土体开挖对所述目标位置引起的地表沉降量wa-b(x,y)为：
17、
18、在一种具体的实施方案中，所述根据所述隧道第一截面段、第二截面段、以及渐变段对所述目标位置引起的沉降量，确定所述目标位置的沉降量，包括：根据所述隧道第一截面段对所述目标位置引起的沉降量wa(x,y)、第二截面段对所述目标位置引起的沉降量wb(x,y)、以及渐变段对所述目标位置引起的沉降量wa-b(x,y)，得到所述目标位置的沉降量w(x,y)为：
19、w(x,y)＝wa(x,y)+wa-b(x,y)+wb(x,y)。
20、在一种具体的实施方案中，所述隧道断面由多段圆弧构成，所述目标位置因第i段圆弧位置土体开挖引起的沉降量为：
21、
22、所述目标位置的沉降量w(x)为：
23、
24、其中，n为构成所述隧道断面的圆弧数量，n≥1，i为自然数，以第i段圆弧圆心为极点的极坐标系下，第i段圆弧的半径为r，第i段圆弧对应的角度为θ，第i段圆弧在所述隧道建设时的半径为ri2，起始角为θi1，在所述隧道建成后的半径为ri1，终止角为θi2。
25、在一种具体的实施方案中，所述隧道断面由8段圆弧依次构成，第2段圆弧和第8段圆弧半径相同并对称位于第1段圆弧两侧，第3段圆弧和第7段圆弧半径相同并对称位于第1段圆弧两侧，第4段圆弧和第6段圆弧半径相同并对称位于第1段圆弧两侧，在所述隧道从建设时至建成后，8段圆弧各自的收缩半径为δr，其中：
26、第1段圆弧在所述隧道建设时的半径和起始角分别为r1-δr、θ2，建成后的半径和终止角分别为r1、θ1+θ2，所述目标位置因第1段圆弧位置土体开挖引起的沉降量w1(x)为：
27、
28、第2段圆弧在所述隧道建设时的半径和起始角分别为r2-δr、0，建成后的半本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，所述确定隧道的第一截面段、第二截面段，以及过渡连接所述第一截面段、第二截面段的渐变段，包括：
3.如权利要求1所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，所述初始参数包括所述隧道开挖面在建设时的初始边界，所述收敛参数包括所述隧道开挖面在建成后的收敛边界；若所述隧道从既有结构下部穿过施工，所述隧道开挖位置对所述目标位置引起的沉降量W(x,z)为：
4.如权利要求3所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，所述根据所述第一截面段、第二截面段的开挖面在所述隧道建设时的初始参数以及建成后的收敛参数，确定所述渐变段的开挖面初始参数和收敛参数，包括：
5.如权利要求4所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，所述基于所述第一截面段、第二截面段、以及渐变段的开挖面初始参数和收敛参数，分别确定所述隧道第一截面段、第二截面段、以及渐变段对目标位置
6.如权利要求5所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，所述根据所述隧道第一截面段、第二截面段、以及渐变段对所述目标位置引起的沉降量，确定所述目标位置的沉降量，包括：
7.如权利要求6所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，所述隧道断面由多段圆弧构成，所述目标位置因第i段圆弧位置土体开挖引起的沉降量为：
8.如权利要求7所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，所述隧道断面由8段圆弧依次构成，第2段圆弧和第8段圆弧半径相同并对称位于第1段圆弧两侧，第3段圆弧和第7段圆弧半径相同并对称位于第1段圆弧两侧，第4段圆弧和第6段圆弧半径相同并对称位于第1段圆弧两侧，在所述隧道从建设时至建成后，8段圆弧各自的收缩半径为ΔR，其中：
9.如权利要求7所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，若所述隧道包括并行的第一隧道和第二隧道，且所述第一隧道、第二隧道的间距小于预设值，所述第一隧道、第二隧道因土体开挖对所述目标位置引起的地表沉降量W(x)为：
10.如权利要求4所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，所述隧道断面为椭圆形，所述隧道开挖面由所述初始边界收缩至所述收敛边界的收缩半径ΔR为：
...【技术特征摘要】
1.一种变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，所述确定隧道的第一截面段、第二截面段，以及过渡连接所述第一截面段、第二截面段的渐变段，包括：
3.如权利要求1所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，所述初始参数包括所述隧道开挖面在建设时的初始边界，所述收敛参数包括所述隧道开挖面在建成后的收敛边界；若所述隧道从既有结构下部穿过施工，所述隧道开挖位置对所述目标位置引起的沉降量w(x,z)为：
4.如权利要求3所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，所述根据所述第一截面段、第二截面段的开挖面在所述隧道建设时的初始参数以及建成后的收敛参数，确定所述渐变段的开挖面初始参数和收敛参数，包括：
5.如权利要求4所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预测方法，其特征在于，所述基于所述第一截面段、第二截面段、以及渐变段的开挖面初始参数和收敛参数，分别确定所述隧道第一截面段、第二截面段、以及渐变段对目标位置引起的沉降量，包括：
6.如权利要求5所述的变截面隧道下穿既有结构施工地表沉降预...
【专利技术属性】
技术研发人员：苗胜军，尚向凡，马毓廷，梁明纯，刘春康，杨鹏锦，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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