一種隧道施工作業(yè)面附近沉降預警預測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種隧道施工作業(yè)面附近沉降預警預測方法，包括以下步驟：實時采集并建立基于施工參數(shù)-地層參數(shù)-地表沉降參數(shù)的數(shù)據(jù)庫；獲得相同或相似的地層參數(shù)、施工參數(shù)對應的若干地表沉降參數(shù)；利用包括多項式最小二乘擬合算法和代數(shù)插值法對若干地表沉降參數(shù)進行擬合與回歸分析，得到縱向地表沉降預測曲線；根據(jù)縱向地表沉降預測曲線，結合輸入的土體參數(shù)和隧道半徑，利用PECK公式獲得橫向地表沉降預測曲線；判斷縱向地表沉降預測曲線和橫向地表沉降預測曲線代表的值是否超過預警值，若是，報警。本發(fā)明可以實現(xiàn)對地鐵隧道施工引起的地表沉降進行及時預警、及時處置，從而以規(guī)避不合理的施工工藝造成的人員與經濟損失。
【專利說明】一種隧道施工作業(yè)面附近沉降預警預測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種地表沉降預警預測方法，屬于軌道交通安全施工【技術領域】，尤其是指一種隧道施工作業(yè)面附近沉降預警預測方法。
【背景技術】
[0002]目前，城市軌道交通工程建設采用的施工方法主要包括有明挖法、礦山法與盾構法。其中，盾構法是利用盾構機設備在地下通過刀盤、千斤頂、螺旋機等關鍵設備進行切土與出土，以實現(xiàn)掘進的施工方法；礦山法指的是用開挖地下坑道的作業(yè)方式修建隧道的施工方法，其基本原理是，隧道開挖后受爆破影響，造成巖體破裂形成松弛狀態(tài)，隨時都有可能坍落。基于這種松弛荷載理論依據(jù)，其施工方法是按分部順序采取分割式一塊一塊的開挖，并要求邊挖邊撐以求安全。不同的地質結構需要不同的支撐結構，造成支撐復雜，支護材料耗用多的問題。同時，在施工過程中，由于施工參數(shù)不合理而造成地面沉降、建(構)物破壞、管線斷裂等，進而造成極大的人員與經濟損失。而現(xiàn)有技術中，至今未有一種科學合理的隧道開挖地表沉降預警預測方法能夠實現(xiàn)對地鐵隧道安全的及時預警與預測。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的，就是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種能夠實現(xiàn)對地鐵隧道安全的及時預警與預測隧道開挖地表沉降預警的預測方法。
[0004]為了達到上述目的，采用如下技術方案:
[0005]一種隧道施工作業(yè)面附近沉降預警預測方法，包括以下步驟:
[0006]a)、實時采集施工參數(shù)、地層參數(shù)和地表沉降參數(shù),建立基于施工參數(shù)-地層參數(shù)-地表沉降參數(shù)的供數(shù)據(jù)輸入和檢索查詢的數(shù)據(jù)庫；
[0007]b)、根據(jù)數(shù)據(jù)庫查詢獲得與實時采集施工參數(shù)及地層參數(shù)相同或相似的地層參數(shù)、施工參數(shù)對應的若干地表沉降參數(shù)；
[0008]C)、利用包括多項式最小二乘擬合算法和代數(shù)插值法對查詢得到的若干地表沉降參數(shù)進行擬合與回歸分析，得到刀盤前后的縱向地表沉降預測曲線；
[0009]d)、根據(jù)縱向地表沉降預測曲線，結合輸入的土體參數(shù)和隧道半徑，利用PECK公式獲得橫向地表沉降預測曲線；
[0010]e)、將縱向地表沉降預測曲線和橫向地表沉降預測曲線分別與預警值對比，判斷縱向地表沉降預測曲線和橫向地表沉降預測曲線代表的值是否超過預警值，若是，則報警。
[0011]進一步地，所述步驟a)中具體包括以下步驟:
[0012]al)、采集盾構法和礦山法的施工參數(shù)將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，其中盾構法的施工參數(shù)數(shù)據(jù)包括掘進速度、千斤頂總推力、貫入度、土倉平均壓力、刀盤轉速、刀盤扭矩、螺旋輸送機扭矩、螺旋輸送機轉速、注漿速率、注漿壓力和推進位置；礦山法的施工參數(shù)數(shù)據(jù)包括超前注漿量、爆破與開挖時間差、土方開挖量、開挖與支護時間差、以及二襯與開挖時間差；[0013]a2)、采集地層參數(shù)將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，其中地層參數(shù)包括覆土厚度，盾構半徑，內摩擦角，土巖層組成及風化程度；
[0014]a3)、采集地表沉降參數(shù)將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，其中地表沉降參數(shù)包括測點里程和地表沉降累計沉降值；
[0015]a4)、建立施工參數(shù)、地層參數(shù)和地表沉降參數(shù)的對應關系。
[0016]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0017]本發(fā)明基于工程實測數(shù)據(jù)，建立一種隧道施工作業(yè)面附近沉降預警預測方法，可以實現(xiàn)對地鐵隧道引起的地表沉降進行及時預警、及時處置，從而以規(guī)避不合理的施工工藝造成的人員與經濟損失，除患于未然。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)流程示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面將結合附圖以及具體實施方法來詳細說明本發(fā)明，在本發(fā)明的示意性實施及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明所述的隧道施工作業(yè)面附近沉降預警預測方法，其包括以下步驟:
[0021]步驟a:實時采集施工參數(shù)、地層參數(shù)和地表沉降參數(shù),建立基于施工參數(shù)-地層參數(shù)-地表沉降參數(shù)的數(shù)據(jù)輸入、檢索查詢的數(shù)據(jù)庫。
[0022]步驟b:根據(jù)數(shù)據(jù)庫查詢獲得與實時采集施工參數(shù)及地層參數(shù)相同或相似的地層參數(shù)、施工參數(shù)對應的若干地表沉降參數(shù)。
[0023]步驟c:利用包括多項式最小二乘擬合算法和代數(shù)插值法對查詢得到的若干地表沉降參數(shù)進行擬合與回歸分析，得到刀盤前后的縱向地表沉降預測曲線。
[0024]步驟d:根據(jù)縱向地表沉降預測曲線，結合輸入的土體參數(shù)和隧道半徑，利用PECK公式獲得橫向地表沉降預測曲線。
[0025]步驟e:將縱向地表沉降預測曲線和橫向地表沉降預測曲線分別與預警值對比，判斷縱向地表沉降預測曲線和橫向地表沉降預測曲線代表的值是否超過預警值，若是，則報警。
[0026]在步驟a中具體包括以下步驟:
[0027]步驟al:采集盾構法和礦山法的施工參數(shù)將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，其中盾構法的施工參數(shù)數(shù)據(jù)包括掘進速度(單位mm/min),千斤頂總推力(單位KN),貫入度(單位mm/r), 土倉平均壓力(單位bar),刀盤轉速(單位rpm),刀盤扭矩(單位KNm),螺旋輸送機扭矩(單位KN.m),螺旋輸送機轉速(單位rpm),注衆(zhòng)速率(單位m3/min),注衆(zhòng)壓力(單位bar),推進位置(單位環(huán))等；礦山法的施工參數(shù)數(shù)據(jù)包括超前注漿量(單位m3)、爆破與開挖時間差(單位min)、土方開挖量(單位m3)開挖與支護時間差(單位min)、二襯與開挖時間差(單位min)等。
[0028]步驟a2:采集地層參數(shù)將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，其中地層參數(shù)包括覆土厚度(單位m)，盾構半徑(單位m)，內摩擦角(單位度)，洞身地層選擇(土 /巖層組成及風化程度)等。
[0029]步驟a3:采集地表沉降參數(shù)將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，其中地表沉降參數(shù)包括測點里程、地表沉降累計沉降值(單位mm)等。
[0030]步驟a4:建立施工參數(shù)、地層參數(shù)和地表沉降參數(shù)的對應關系。
[0031]在本發(fā)明中，施工參數(shù)、地層參數(shù)和地表沉降參數(shù)等數(shù)據(jù)的采集都是利用現(xiàn)有工具儀器采集。在現(xiàn)場施工中，一邊施工，一邊采集施工參數(shù)、地層參數(shù)和地表沉降參數(shù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。將采集到的數(shù)據(jù)輸入到預先設置好的系統(tǒng)中，系統(tǒng)中設有數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中存儲這些數(shù)據(jù)。然后根據(jù)各個參數(shù)的對應關系，建立施工參數(shù)、地層參數(shù)和地表沉降參數(shù)的對應關系。例如花崗巖地層需要的施工參數(shù),在此施工參數(shù)下花崗巖地層的地表沉降參數(shù)的呈現(xiàn)值。各種參數(shù)都有其對應的關系。各個不同的施工參數(shù)與相應的地層參數(shù)、地表沉降參數(shù)的對應關系同時存儲到數(shù)據(jù)庫中。
[0032]在步驟b中，利用數(shù)據(jù)庫查詢相同或相似地層情況和施工參數(shù)情況下的若干地表沉降值。具體地，步驟b包括以下步驟:
[0033]步驟bl:查詢相似地層、相似施工參數(shù)對應的地表沉降值，得到相似情況下的監(jiān)測日期從而得到監(jiān)測值。
[0034]相似地層:為盾構機穿越的地層，一般穿越多種地層，如:中、微風化巖層，5H-1花崗巖殘積層，含水粉細砂、中粗砂層，若要查詢的地層包含微風化巖層、粉細砂、中粗砂層即可認為是相似地層。
[0035]相似施工參數(shù):為al步驟中的施工參數(shù)數(shù)值,其中參數(shù)的值為數(shù)值,數(shù)字差在20%范圍內可認定為相似參數(shù)。
[0036]步驟b2:根據(jù)得到的符合條件的地表沉降監(jiān)測日期，通過上報的監(jiān)測日期可查出該日期的盾構機掘進位置(刀盤位置)以及對應的盾構掘進參數(shù)、盾構掘進時對應的地層參數(shù)，從而將“地表沉降參數(shù)“盾構掘進參數(shù)“地層參數(shù)” 一一對應起來，可得到符合條件的地表沉降值。
[0037]在步驟b中，通過數(shù)據(jù)庫中存儲的基于施工參數(shù)-地層參數(shù)-地表沉降參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，可以通過數(shù)據(jù)庫中已存儲的施工參數(shù)、地層參數(shù)，將現(xiàn)在正在施工或者還沒有施工的施工參數(shù)和地層參數(shù)輸入到數(shù)據(jù)庫中。若現(xiàn)在正在施工或者還沒有施工的施工參數(shù)和地層參數(shù)與數(shù)據(jù)庫中存儲的施工參數(shù)、地層參數(shù)相同，則可以獲得數(shù)據(jù)庫中已記載的地表沉降值；若現(xiàn)在正在施工或者還沒有施工的施工參數(shù)和地層參數(shù)不同但相近，則可以獲得與查詢的施工參數(shù)和地層參數(shù)相近的數(shù)據(jù)庫中存儲的施工參數(shù)、地層參數(shù)對應的地表沉降值。這個地表沉降值有若干個。
[0038]步驟c:利用多項式的最小二乘擬合或代數(shù)插值法等數(shù)學方法對查詢得到的若干沉降值進行擬合與回歸分析。其中，多項式最小二乘擬合算法實現(xiàn)步驟為:
[0039]采用多項式的最小二乘擬合對其曲線進行擬合。在多項式擬合中，用最小二乘法得到的法方程組的系數(shù)矩陣是病態(tài)的，為了避免求病態(tài)方程組的解，通常利用正交多項式求解擬合多項式。
[0040]設給定n+1個數(shù)據(jù)點:
[0041]
【權利要求】
1.一種隧道施工作業(yè)面附近沉降預警預測方法，其特征在于，包括以下步驟: a)、實時采集施工參數(shù)、地層參數(shù)和地表沉降參數(shù),建立基于施工參數(shù)-地層參數(shù)-地表沉降參數(shù)的供數(shù)據(jù)輸入和檢索查詢的數(shù)據(jù)庫； b)、根據(jù)數(shù)據(jù)庫查詢獲得與實時采集施工參數(shù)及地層參數(shù)相同或相似的地層參數(shù)、施工參數(shù)對應的若干地表沉降參數(shù)； C)、利用包括多項式最小二乘擬合算法和代數(shù)插值法對查詢得到的若干地表沉降參數(shù)進行擬合與回歸分析，得到刀盤前后的縱向地表沉降預測曲線； d)、根據(jù)縱向地表沉降預測曲線，結合輸入的土體參數(shù)和隧道半徑，利用PECK公式獲得橫向地表沉降預測曲線； e)、將縱向地表沉降預測曲線和橫向地表沉降預測曲線分別與預警值對比，判斷縱向地表沉降預測曲線和橫向地表沉降預測曲線代表的值是否超過預警值，若是，則報警。
2.根據(jù)權利要求1所述隧道施工作業(yè)面附近沉降預警預測方法，其特征在于:所述步驟a)中具體包括以下步驟: al)、采集盾構法和礦山法的施工參數(shù)將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，其中盾構法的施工參數(shù)數(shù)據(jù)包括掘進速度、千斤頂總推力、貫入度、土倉平均壓力、刀盤轉速、刀盤扭矩、螺旋輸送機扭矩、螺旋輸送機轉速、注漿速率、注漿壓力和推進位置；礦山法的施工參數(shù)數(shù)據(jù)包括超前注漿量、爆破與開挖時間差、土方開挖量、開挖與支護時間差、以及二襯與開挖時間差； a2)、采集地層參數(shù)將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，其中地層參數(shù)包括覆土厚度，盾構半徑，內摩擦角，土巖層組成及風化程度； a3)、采集地表沉降參數(shù)將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，其中地表沉降參數(shù)包括測點里程和地表沉降累計沉降值； a4)、建立施工參數(shù)、地層參數(shù)和地表沉降參數(shù)的對應關系。
【文檔編號】E21F17/18GK103628920SQ201310549200
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月7日 優(yōu)先權日:2013年11月7日
【發(fā)明者】丁建隆, 呂培印, 袁敏正, 廖翌棋, 林志元, 李鵬飛, 楊玲芝, 王玉博, 李軍, 方恩權 申請人:廣州市地下鐵道總公司, 北京安捷工程咨詢有限公司