CN111058855B - 一种盾构下穿的结构物的形变控制方法及评估*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构下穿的结构物的形变控制方法及评估***。该方法包括：建立盾构下穿掘进的数值分析模型，基于数值分析结果输出的能够用于评价结构物安全的初步安全评估和第一施工参数；基于数值分析结果在施工现场布置用于采集能够表征结构物形变的参数的监测点，并建立监控中心，所述监控中心根据监测点反馈的监控数据输出能够用于评价结构物安全的实际安全评估，在所述实际安全评估中的至少一个安全参数处于危险阈值内的情况下，结合初步安全评估和实际安全评估调整所述第一施工参数，以使得所述结构物在盾构下穿施工过程中处于可控和/或安全状态。

Description

一种盾构下穿的结构物的形变控制方法及评估***

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及一种盾构下穿的结构物的形变控制方法及评估***。

背景技术

作为城市地下空间的重要组成部分，城市地铁已经在我国获得了大规模的发展。除地下铁道外，各大城市都在相继建设各种城市公路隧道、铁路隧道、市政隧道、人防隧道和电力电缆隧道等地下隧道来解决日益严重的城市空间拥挤问题。但是，在城市建设隧道的过程中，由于地质条件和施工工艺的限制，盾构机掘进扔不可避免地会对周围环境产生扰动，从而危及邻近结构物(如地表的结构物、桩基、地下管线、基坑以及相邻的已建管道)的安全和正常使用。隧道周边的结构物的损害问题日益突出。

北京地铁是我国城市交通的象征之一，自1965年开始修建地铁起至今已经发展近55年，其发展规模大、发展速度快、修建技术水平取得革命性突破。北京地铁12号线是北三环线，是北京北部的加密线，其中三元桥站位于机场高速东侧。其中，西坝河站-三元桥站的设计走向为：沿北三环东路向东南敷设，左线以一组R-1200m反向曲线增大线间距至35m，从三元西桥两侧绕行通过，至机场高速路前左线以R-400m曲线、右线以R-400m曲线调整线路走向并缩小线间距至17.2m，下穿三元桥匝道桥后转向首都机场高速路东侧敷设，到达西坝河站。北京作为全国的政治文化中心、地铁开发建设的主要城市，盾构施工的安全效益显得尤为敏感和突出，因此，加强北京地铁盾构法施工风险管控和安全控制技术研究具有十分重要的意义，而且非常紧迫。

目前盾构施工管理基本建立了盾构施工危险源辨识、盾构施工***进行风险评价以及盾构风险的***科学控制；从业主到施工单位至下而上建立起在盾构施工过程中集中、垂直的风险管理体制和覆盖各盾构工程风险的全面风险管理体系，建立有效平衡风险与回报管理能力的企业内控和运行机制；从技术层面，依托现有盾构风险管控平台，可基本实现对盾构施工全过程的信息收集、处理及管控。但对于单条线路及某一标段而言，只能从信息平台读取其基本信息，且对于各类穿越风险源区只有平面位置关系，缺乏其空间关系、时间关系的补充。平台的功能主要依托现有监测数据的传输，尤其以沉降监控为例，需要大量的监测人员，且无法实现对穿越过程的预判预警，对于施工穿越过程的信息储备滞后

在盾构施工过程中，由于土体损失、周围孔隙水压变化及衬砌变形等，土体的原始应力重新分配，原有的土体平衡状态遭到破坏，导致地表发生下沉变形、倾斜变形、曲率变形、水平移动变形及非连续变形等。地表产生的移动和变形较大时，往往会引起地上或地下邻近结构物的开裂、沉降和倾斜等安全问题。例如，

一、盾构施工对地面结构物的影响主要表现为：

(1)地表沉降会使结构物产生整体下沉；

(2)不均匀沉降将导致地表倾斜，从而结构物容易产生结构破坏形成裂缝；

(3)土体变形会使地表形成曲面而产生曲率，地表曲率会造成结构物中部沉降大，端部沉降小，结构物中央部分悬空，端部受剪；

(4)结构物对地表拉伸变形比较敏感，当基础侧面受外向水平推力时，薄弱部位容易产生裂缝，同时门窗洞口产生变形、屋顶鼓起、纵墙或围墙产生褶曲。

二、盾构施工对地下管线的影响

(1)造成管道的横向弯曲和纵向弯曲，且横向弯曲的程度远大于纵向弯曲。

(2)容易使管道产生扭曲，甚至于开裂。

(3)过大的拉伸和压缩会造成管道接头渗漏甚至于脱开。

(4)较大的轴向剪力或弯矩会使得管道产生横向裂缝。

因此，对于预防结构物因建设隧道而损坏的这一课题成为了该领域的许多专家、工程师的研究核心内容。

例如，公开号为CN102996136B的中国专利公开的一种盾构近距离下穿复合地基结构物的变形控制方法。其包括：确定对下穿的结构物的建构特征，该建构特征包括结构物保护登记和基础形式，根据建构特征，对结构物的既有结构物地基和基础进行以加固为主的预保护设施；对盾构下穿期间各施工顺序和方法进行三维有限元模拟分析，找出结构物的结构物薄弱区域及确定初步盾构推进方案；对结构物进行施工监测，包括建筑的垂直沉降监测和裂缝观测，周边地表沉降剖面监测，并调整初步盾构推进方案得到改进方案；盾构下穿结构物期间使用改进推进方案进行推进施工；进行盾构下穿后的二次注浆及支托结构施工，该支托结构施工是在盾构下穿上方结构物之后，从结构物下方对应的管片对管片外部土体施工支托结构。

例如，公开号为CN102733816B的中国专利公开的一种盾构近距离穿越结构物时的变形控制方法。首先，采用数值分析方法分析不同支护压力比和不同注浆效果条件下盾构掘进对地层及结构物的影响，提出最佳的支护应力比和对浆液性能的要求；其次，加强盾构开挖面稳定控制，可通过渣土改良的方式将压力舱内的渣土改良成流塑状态，减小压力控制的波动，还通过计量渣土的实际出渣质量和理论出渣质量的对比，控制超挖；最后，应加强对壁后注浆液性能控制，采用高密度、具有触变性浆液，不发生浆液的流失达到即使填充盾尾空隙。在盾构掘进过程中，还应加强安全监控，即使调整盾构掘进参数，确保临近建筑的安全。

例如，公开号为CN103334763B的中国专利公开的一种盾构穿越硬质岩层对临近桩基影响的控制方法。该方法包括：步骤一，建立盾构掘进有限元数值分析模型，分析在硬质地层中盾构推力和扭矩对临近桩基的影响，并对影响程度做出评价；步骤二，在桩基临近盾构掘进侧竖向开槽，开槽深度为从桩基顶部至盾构掘进的隧道下方2～3m，在槽中放入测斜管并伸出地面，槽中填充软体材料，槽顶加盖保护；步骤三，盾构低速掘进，利用侧斜管对桩基水平位移监控并根据监测数据进行反馈调整盾构掘进参数。

例如，公开号为CN102312673B的中国专利公开的一种复杂工况下盾构近距离穿越已运营地铁隧道施工方法。其具体步骤为：1、穿越工况数学模型分析；2、设置施工参数；3、建立盾构穿越期间的实施监测以及隧道及周边环境的监测；4、盾构施工：施工参数控制，同步注浆，双液注浆。该专利提供的方法能够使得盾构成功穿越已运营地铁隧道，确保地铁列车的运行安全。

例如，公开号为CN107092802A的中国专利公开的一种基于HAZOP—离准度的盾构推进地表形变风险分析方法。其包括：确定盾构隧道施工中风险因子的标准取值及其范围；获取风险因子参数的实际监测值，对盾构隧道施工情况进行分析，获取风险因子参数的偏差、基础离准度、总离准度以及后果分析；将风险因子参数的偏差、基础离准度、总离准度以及后果分析进行汇总，得到风险原因，该发明建立的基于HAZOP—离准度的盾构施工地表形变的风险分析方法，操作简单，对于盾构推进阶段地表形变的风险预防起到指导作用。

例如，公开号为CN102900441B的中国专利公开的一种基于围岩完全变形控制的中国隧道修建方法。该方法的实施步骤为：(1)地质判定：隧道工程地质勘察与围岩物理力学特性综合评价，确定隧道围岩分级与物理力学参数；(2)标准制定：对隧道围岩变形进行预测，制定围岩变形控制标准和满足安全性、经济性的初步设计方案；(3)对策拟定：针对变形全过程制定详细的变形控制对策，并在施工图设计中将围岩变形控制目标分解到每个施工工序；(4)过程测定：在施工全过程进行监控量测和信息反馈，对关键施工部位和关键施工工序进行重点监测，判断工程的安全性并及时做出反应；(5)状态评估：及时对支护结构状态进行评估，对隧道围岩结构的长期稳定性进行评价，必要时各处合理的补强方案。

在现有技术中，监测点的布置主要根据盾构规模和水文地质条件等确定观测线长度，并且监测点沿隧道轴线(纵剖面)监测点和垂直隧道轴线(横剖面)布置的。例如，沿隧道开挖掘进方向布设的监测点之间的长度一般不大于盾构机的长度，一般两测点间相隔3～5m。监测横剖面的间距一般为20～30m，在监测横剖面，按照测点间距(2～5m)递增从区间中心线两侧布设测点，布设范围是盾构外径的2～3倍。但是，在不同的工程条件下，结构物存在的被破坏的类型和风险均是不同的，依据经验布置监测点往往不能够监测到最危险的部位，因此现有的技术手段在结构物风险识别上还存在如下的不足：结构物薄弱部位的监测效果不佳或者结构物已经存在了破坏但是没有被监控到(例如墙角裂纹)。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种盾构下穿的结构物的形变控制方法，包括：

建立盾构下穿掘进的数值分析模型，基于数值分析结果输出的能够用于评价结构物安全的初步安全评估和施工参数。数值分析结果能够显示出结构物(以及邻近土体)在盾构下穿过程中的应力、应变和位移情况，从应力云图、应变云图和位移云图均能够得知结构物的危险点，基于应力云图、应变云图和位移云图能够输出用于评价结构物在盾构下穿过程中的初步安全评估。其次，数值分析在其物理模型建立好之后，仅仅通过调整其边界条件(例如，刀盘转速、推进速度、注浆压力等等施工参数以及地层参数)，便能分析不同施工参数以及不同地层参数对结构物在盾构下穿过程中的安全影响，并且，结合正交实验原理还可以针对特定工程对象确定影响结构物安全状态的敏感因素。因此，根据数值分析结果可以初步拟定施工参数，尤其是对敏感因素的早期识别。

基于数值分析结果在施工现场布置用于采集能够表征结构物形变的参数的监测点，并建立监控中心。在本发明中，监测点的布置的依据是来自于数值分析结果，由于数值分析是根据实际工况建立的，因此监测点的布置不是基于经验判断而得出的。按照这种方式，本发明还具有如下优势：1、监测点能够基于应力云图、应变云图和位移云图反映的结构物的危险点采集结构物最容易出现破坏的部位的力学参数，有利于对盾构下穿过程中对薄弱环节的实施监控；2、监测点可以基于应力云图、应变云图和位移云图反映的结构物的危险点的类型不同而采用不同类型的数据采集装置，例如，针对应力较大的部位或者应力集中较大的部位，监测点可以采用应变传感器，又如，针对位移较大的部位，监测点可以采用位移传感器，这主要使得真实采集的数据能够依据数值分析结果有针对地对其容易发生破坏的类型进行有效地监控；3、监测点反馈的监控数据能够由监控中心进行处理后，输出用于评价结构物安全的实际安全评估，该实际安全评估能够和初步安全评估相互补充和相互印证，主要用于能够依据监测结果和数值模拟结果优化或调整施工参数，以使得所述结构物在盾构下穿施工过程中处于可控和/或安全状态。

根据一种优选的实施方式，所述数值分析结果至少能够用于确定布置的监测点的类型和/或监测点的相对位置关系，其中，所述监测点的类型至少包括用于监测结构物位移的位移监测点，所述位移监测点的布置位置至少是基于数值分析结果中的位移云图和/或应变云图确定的；和/或彼此相邻的所述监测点的监测间距按照与所述位移云图中的位移值和/或应变云图中的应变值呈负相关的方式布置。

根据一种优选的实施方式，在所述监测点的反馈数据随时间的变化大于或等于基于数值分析结果设定的变形率阈值的情况下，所述监测点的监测频率基于所述反馈数据随时间的变化率而设定；或在所述监测点的反馈数据随时间的变化小于基于数值分析结果设定的阈值的情况下，所述监测点的监测频率基于所述数值分析结果而设定。

根据一种优选的实施方式，在盾构机与所述结构物的间距小于基于数值分析结果设定的间距阈值的情况下，所述监测点的监测频率增大；和/或，所述监测点的布置数量增大且相邻的监测点的监测间距减小。

根据一种优选的实施方式，结合不同的下穿地段，基于数值分析结果和沉降控制量识别风险下穿地段，在盾构下穿至所述风险下穿地段时，所述监测点的监测方式按照如下方式构建拓扑监测网：增大所述监测点的监测频率；和/或增加所述监测点的布置数量；和/或加大所述监测点的布置密度；和/或改变所述监测点的布置方式。

根据一种优选的实施方式，所述变形率阈值至少可以按照如下方式设定：基于数值分析结果获取结构物在模拟盾构下穿过程中的下沉曲线，能够根据盾构刀盘的行进路径以及下沉曲线的规律将所述下沉曲线分为前期下沉曲线、中期下沉曲线和后期下沉曲线，其中，基于所述前期下沉曲线设定前期变形率阈值；基于述中期下沉曲线设定中期变形率阈值；基于后期下沉曲线设定后期变形率阈值；其中，所述前期下沉曲线对应所述盾构刀盘未通过所述结构物的阶段，所述中期下沉曲线对应有所述盾构刀盘正通过所述结构物的阶段，所述后期下沉曲线对应所述盾构刀盘已通过所述结构物的阶段。

根据一种优选的实施方式，根据所述数值分析模型初步分析待建隧道周边的地层的物理特性对结构物的变形影响，并且结合控制沉降量初步拟定机械配置方案和/或支护加固方案，其中，所述地层的物理特性是指所述地层的本构模型，其至少包括内摩擦角、泊松比和/或弹性模量。

根据一种优选的实施方式，所述施工参数至少包括土仓压力、盾构推力、单盘扭矩和/或掘进速度；其中，所述数值分析模型能够用于分析所述土仓压力、所述盾构推力、所述单盘扭矩和/或所述掘进速度与所述结构物形变的关联性，以使得所述控制方法能够基于所述数值分析结果从所述土仓压力、所述盾构推力、单盘扭矩和/或掘进速度选择出影响所述结构物形变的敏感因素。

根据一种优选的实施方式，一种盾构下穿的结构物的形变评估***，包括：数值分析平台，用于建立盾构下穿掘进的数值分析模型，所述评估***还包括基于数值分析结果而布置于施工现场的用于采集能够表征结构物形变参数的监测点和监控中心，所述监控中心根据所述监测点反馈的监控数据输出能够用于评价结构物安全的实际安全评估；所述数值分析模型的数值分析结果能够用于评价结构物安全的初步安全评估和第一施工参数；在所述实际安全评估中的至少一个安全参数处于危险阈值内的情况下，所述初步安全评估和所述实际安全评估用于调整所述第一施工参数，调整后的施工参数能够使得所述结构物在盾构下穿施工过程中处于可控和/或安全状态。

根据一种优选的实施方式，所述数值分析结果至少能够用于确定布置的监测点的类型和/或监测点的相对位置关系，其中，所述监测点的类型至少包括用于监测结构物位移的位移监测点，所述位移监测点至少是基于数值分析结果中的位移云图和/或应变云图确定的；和/或彼此相邻的所述监测点的间距按照与所述位移云图中的位移值和/或应变云图中的应变值呈负相关的方式布置。

本发明提供一种盾构下穿的结构物的形变控制方法，至少具有根据下优势：

(1)基于数值分析结果布置的监测点反馈的监控数据能够由监控中心进行处理后，输出用于评价结构物安全的实际安全评估，该实际安全评估能够和初步安全评估相互补充和相互印证，主要用于能够依据监测结果和数值模拟结果优化或调整施工参数，以使得所述结构物在盾构下穿施工过程中处于可控和/或安全状态。

(2)能够基于数值分析结果在不同位置布置不同的监测点，用于能够有针对性的该位置实施监测，有利于对结构物的形变监控，从而能够对施工参数进行调节；并且能够根据数值分析的反应的应力/位移水平，布置不同监测密度/不同监测数量的监测点，实施对重点部位的重点监测。

附图说明

图1是本发明提供的一种盾构下穿的结构物的形变控制方法的流程示意图；和

图2是本发明提供一种盾构下穿的监测点布置方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图1、2进行详细说明。

实施例1

数值分析模型是一种基于有限元法模拟而建立的广泛地应用于水利工程、土建工程、机械工程、桥梁工程和冶金工程等等工程领域的数学模型。其主要是一种求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术，由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能够适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。例如，在盾构下穿掘进中，数值分析方法可以模拟盾构机300不同掘进速度对临近土体扰动的影响。数值分析可以采用现有的数值分析平台，例如ANSYS、ABAQUS、FLAC-3D、LS-Dyna和MIDAS/GTS等有限元分析平台等。

本实施例提供一种盾构下穿的结构物200的形变控制方法，如附图1所示，包括：

S1：建立盾构下穿掘进的数值分析模型。数值分析模型的步骤主要包括物理模型的建立、边界条件的建立和网格划分。物理模型包括隧道岩土几何模型、结构物200物理模型、盾构机300物理模型以及结构物200和隧道的空间关系。边界条件的建立包括岩土的力学模型、盾构机300的力学模型、结构物200的力学模型、盾构节的掘进参数以及定义盾构机300与岩土之间的作用关系。网格划分即将隧道岩土物理模型、结构物200物理模型、盾构机300物理模型进行离散处理。

S2：在本发明中，数值分析结果能够用于初步评估结构物200的安全，并且能够分析施工参数对结构物200的安全性的影响。

S3：基于数值分析结果在施工现场布置用于采集能够表征结构物200形变的参数的监控点100，并建立监控中心。数值分析结果主要包括岩土的应力云图、应变云图、位移云图以及结构物200的应力云图、应变云图和位移云图。岩土的应力云图、应变云图以及位移云图主要反映出盾构下穿过程中周围土体的扰动情况。结构物200的应力云图、应变云图和位移云图主要反映出盾构下穿过程中结构物200的倾斜率和是否会出现强度失效等问题。监控点100和监控中心可以是有线通信的方式，例如光纤通信。监控点100和监控中心还可以是无线通信的方式，例如蓝牙通信、4G通信、NB-loT通信、EnOcean通信等方式。监控点100实则上可以是位移传感器、应变传感器、电子水准仪、房屋倾斜仪等监测设备中的至少有一种。例如，可以根据位移云图在位移的最大部位处布置一定数量的位移监控点100，而在其他部位处布置小于该数量的位移监控点100。

S4：监控中心根据监控点100反馈的监控数据输出能够用于评价结构物200安全的实际安全评估。监控点100反馈的监控数据主要包括了位移和应力。实际安全评估主要是对位移水平和应力水平进行分析而得出。位移水平用于分析地表沉降，地表的沉降量与结构物200的形变直接地相关。应力水平用于可以用于分析结构物200的受力情况，也可以用于分析地层的应力情况。

S5：在施工工程中，如果实际安全评估中的至少一个安全参数处于危险阈值时，可以结合初步安全评估和实际安全评估进行施工参数的调整，以使得结构物200在盾构下穿时能够处于可控和/或安全状态。初步安全评估可以包括了各个施工参数对结构物200形变的影响分析。实际安全评估是通过施工参数和反馈的监测数据进行的实际工程评估。例如，当位移超过危险阈值时，可以调整施工参数中的敏感性参数进行调整。敏感性参数主要来自于初步安全评估中。可控状态是指结构物200的形变处于能够通过支护等施工方式改善的状态，而安全状态是指结构物200的形变处于工程设定的安全阈值以内。

因此，在本发明中，监控点100的布置的依据是来自于数值分析结果，由于数值分析是根据实际工况建立的，因此监控点100的布置不是基于经验判断而得出的。按照这种方式，本发明还具有如下优势：1、监控点100能够基于应力云图、应变云图和位移云图反映的结构物200的危险点采集结构物200最容易出现破坏的部位的力学参数，有利于对盾构下穿过程中对薄弱环节的实施监控；2、监控点100可以基于应力云图、应变云图和位移云图反映的结构物200的危险点的类型不同而采用不同类型的数据采集装置，例如，针对应力较大的部位或者应力集中较大的部位，监控点100可以采用应变传感器，又如，针对位移较大的部位，监控点100可以采用位移传感器，这主要使得真实采集的数据能够依据数值分析结果有针对地对其容易发生破坏的类型进行有效地监控；3、监控点100反馈的监控数据能够由监控中心进行处理后，输出用于评价结构物200安全的实际安全评估，该实际安全评估能够和初步安全评估相互补充和相互印证，主要用于能够依据监测结果和数值模拟结果优化或调整施工参数，以使得所述结构物200在盾构下穿施工过程中处于可控和/或安全状态。

优选地，数值分析结果至少能够用于确定布置的监控点100的类型和/或监控点100的相对位置关系。例如，监控点100的类型至少包括用于监测结构物200位移的位移监控点100。位移监控点100可以是位移传感器和/或电子水准仪。位移监控点100可以用于监测结构物200的水平位移和/或竖向位移。又如，监控点100的类型还可以包括用于监测结构物200应力的应变传感器，其能够监测结构物200在盾构下穿过程中的应力变化情况。位移监控点100的布置位置至少是基于数值分析结果中的位移云图和/或应变云图确定的。位移云图是数值模型中各个点的位移值组成的三维图(也可以在数值平台中以选取截面的形式，选择某一截面中各点的位移值形成的二维图)。同理。应变云图是是数值模型中各个点的应变值组成的三维图(也可以在数值平台中以选取截面的形式，选择某一截面中各点的应变值形成的二维图)。因此，工程人员可以通过在数值计算平台中读取位移值的最大点、较大点和突变点等危险点作为位移监控点100的布置中心，进行位移监控点100的布置。彼此相邻的监控点100的监测间距按照与位移云图中的位移值和/或应变云图中的应变值呈负相关的方式布置。例如，对于位移值的最大点的部位，该最大点可以布置一个位移监控点100，并且其他位移监控点100可以与该最大点处的位移监控点100“一”字型排列，并且越靠近该最大点处的相邻的位移监控点100的监测间距越小，而离该最大点处的越远的相邻的位移监控点100的监测间距越大。又如，对于位移值的最大点的部位，该最大点可以布置一个位移监控点100，并且以该位移监控点100为圆心布置多层位移监控点100，靠近越靠近该最大点处的内层的相邻的位移监控点100的监测间距(监测弧度)越小，而离该最大点处的越远的外层的相邻的位移监控点100的监测间距(监测弧度)越大。在现有技术中，用于监测位移变化的监控点100是布置于沿隧道轴线和垂直隧道轴线的。但是现有技术中的这种方式是基于经验判断而得的，每一种工程之间至少会具有如下区别：结构物200与待建隧道的空间关系不同、待建隧道周边的土体不同、结构物200的类型不同。因此，采用常规的以经验为主的布置监控点100的方式，不能够真实反映出针对特定工程的危险部位的位移，从而会增加工程的风险。按照这种方式，本发明至少可以具有如下优势：1、能够基于数值分析结果在不同位置布置不同的监控点100，用于能够有针对性的该位置实施监测，有利于对结构物200的形变监控，从而能够对施工参数进行调节；2、能够根据数值分析的反应的应力/位移水平，布置不同监测密度/不同监测数量的监控点100，实施对重点部位的重点监测。

由于盾构施工属于浅层钻进施工，在施工过程中难免会遇到不良天气的影响，例如雨天。浅表地层大多属于易受含水量的影响，因此监控点100的反馈数据可能会在这个阶段发生较大的不利于结构物200安全的变化。为此，优选地，在监控点100的反馈数据随时间的变化大于或等于基于数值分析结果设定的变形率阈值的情况下，监控点100的监测频率基于反馈数据随时间的变化率而设定。数值分析模型中，是一种动态模拟的非线性模拟过程，因此各个云图是不断变化的(但是在一定掘进时间内，位移云图、应变云图和应力云图呈现的趋势是大致不变的，例如，最大位移点、最大应变点和最大应力点是大致不变的。)数值分析结果设定的变形率阈值可以按照如下方式获得：在该一定掘进时间内，最大位移点的最大位移值与最小位移值的差值与该掘进时间的比值；又或者，在该一定掘进时间内，最大位移点的最大位移值与平均位移值的差值与该掘进时间的比值。例如，监测到的位移变化率大于或等于数值分析结果中的位移变化率时，监控点100的监测频率会增大。例如，监控点100的监测频率为8次/天，如果，监测到的位移变化率大于或等于数值分析结果中的位移变化率时，监控点100的监测频率会增加为10次/天或者12次/天甚至更多。增加的监测频率取决于监控点100的反馈数据随时间的变化率，该变化率越大，则增加的监测频率越多。例如，基于数值分析结果设定的变形率阈值为1mm/d，而监控点100的反馈数据随时间的变化率为1.1mm/d，则监控点100的监测频率会增加为10次/天；如果，监控点100的反馈数据随时间的变化率为1.2mm/d，则监控点100的监测频率会增加为12次/天。按照这种方式，本发明至少还具有如下的优势：1、能够根据实际监控数据确定岩土的位移变形速率/结构物200的位移变形速率，从而在位移变形速率/结构物200的位移变形速率大于数值分析结果设定的变形率阈值的情况下，可以增大监测频率，有利于加密实施监控力度；2、数值分析结果往往是针对理想工况的分析结果，其分析结果可以设定某个能够用于实际施工中的评定指标，因此，设定的变形率阈值来自于数值分析结果，从而能够实现数值模拟分析指导实际工程的作用，便于两者的相互对应。

优选地，在盾构机300与结构物200的间距小于基于数值分析结果设定的间距阈值的情况下，监控点100的监测频率增大。盾构机300与结构物200的间距可以定义为：盾构机300的几何中心与结构物200的几何中线的线段长度，或者，盾构机300刀盘的重心与结构物200的重心的线段长度，亦或者，结构物200的地基面与在建隧道的几何距离。例如，数值分析结果设定的间距阈值为在建隧道半径的5至8倍。例如，当结构物200的地基面与在建隧道的几何距离大于5倍建隧道半径的时候，监控点100的监测频率为6次/d。当结构物200的地基面与在建隧道的几何距离小于5倍建隧道半径的时候，监控点100的监测频率为8次/d。和/或，监控点100的布置数量增大且相邻的监控点100的监测间距减小。例如，当结构物200的地基面与在建隧道的几何距离大于5倍建隧道半径的情况下，“一”字形排列的相邻的监控点100的监测间距为3～6m。但当结构物200的地基面与在建隧道的几何距离大于5倍建隧道半径的情况下，“一”字形排列的相邻的监控点100的监测间距为1～4m。盾构掘进下穿是一种与时间密切联系的工程事件。盾构机300和结构物200之间的空间关系是随着时间的推进不断变化的，其大致可以描述为：盾构机300逐渐地靠近结构物200直至与结构物200的间距最小，然后逐渐地远离结构物200。因此，结构物200的物理状态(应力水平、应变水平以及位置)是不断地发生变化。为此，该方式能够在节约工程资源的前提下有效地对结构物200的形变做出评估。

优选地，基于不同的下穿地段的数值分析结果和沉降控制量识别风险下穿地段。在本发明中，风险下穿地段可以分为：低风险下穿地段、中风险下穿地段和高风险下穿地段。例如，不同风险级别的风险下穿地段对应不同的数值分析结果中的位移值与沉降控制量的差值的级别。优选地，沉降控制量可以是20mm。低风险下穿地段对应的差值范围为10～15mm(不包括10mm)。中风险下穿地段对应的差值范围为5～10mm(不包括5mm)。高风险下穿地段对应的差值范围为0～5mm。在盾构下穿至风险下穿地段时，监控点100的监测方式可以按照如下方式之一或者多种组合构建拓扑监测网：

A、增大监控点100的监测频率。低风险下穿地段、中风险下穿地段和高风险下穿地段分别对应的监测频率依次增大。例如，在盾构机300下穿低风险下穿地段时，其监测频率为6次每天。在盾构机300下穿中风险下穿地段时，其监测频率为8次每天。在盾构机300下穿高风险下穿地段时，其监测频率为12次每天。

B、增加监控点100的布置数量。低风险下穿地段、中风险下穿地段和高风险下穿地段分别对应的监测布置数量依次增大。例如，在盾构机300下穿低风险下穿地段时，其布置数量为6个。在盾构机300下穿中风险下穿地段时，其布置数量为10个。在盾构机300下穿高风险下穿地段时，其布置数量为16个。

C、加大监控点100的布置密度。低风险下穿地段、中风险下穿地段和高风险下穿地段分别对应的监测布置密度依次增大。例如，在盾构机300下穿低风险下穿地段时，其布置密度为每4～8m一个。在盾构机300下穿中风险下穿地段时，其布置密度为每3～6m一个。在盾构机300下穿高风险下穿地段时，其布置密度为每2～4m一个。

D、改变监控点100的布置方式。主要根据数值分析结果，分析沉降分布的特定。例如，如果沉降分布是线性的，则可以排布为“一”字型。如果沉降分布是二次函数型的，则可以按照与该二次函数曲线的周向排布。

按照基于数值分析结果和沉降控制量的差值，对监控点100的监控方案进行排布，至少具有如下优势：1、对重点工段进行重点监控；2、能够提前识别风险源，并在施工工程中对风险源进行重点监控。

实施例2

本实施例可以是对实施例1的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

优选地，根据数值分析模型初步分析待建隧道周边的地层的物理特性对结构物200的变形影响。在盾构施工过程中，钻遇地层多以松土、黏土、粉土、沙土和卵砾石等一种或者几种的组合。这些地层在盾构形成隧道后会产生较大位移，多数研究已经表明：地层因素对结构物200的变形是较显著的因素之一。因此，本实施例的数值分析结果会专门针对地层的物理特性针对特定的工程进行分析。其一：每一项工程钻遇的地层都是不同的，需要分析各个地层参数对位移的影响。其二：由于隧道是狭长型的，因此，每一项工程中各个下穿地段的地层的也可能是不同的，也需要分析各个下穿地段的地层参数对位移的影响。在本实施例中需要结合控制沉降量初步拟定机械配置方案和/或支护加固方案。机械配置方案主要包括刀盘的选型、盾构单凭和面板的选型、注浆泵的选型、注浆泵的管路设置等。支护加固方案包括喷锚支护、钢木支撑、混凝土衬砌和注浆支护等。

因此，本发明能够通过分析数值分析结果和沉降控制值，针对不同的工程选择不同的机械配置方案和支护加固方案，也可以针对同一工程的不同的工程下穿地段选择不同的机械配置方案和支护加固方案，从而能够提前规避地层因素导致的地表位移带来的结构物200形变的技术问题或者降低地层因素导致的地表位移带来的结构物200形变的风险。

在本实施例中，地层的物理特性是指地层的本构模型，其至少包括内摩擦角、泊松比和/或弹性模量。内摩擦角、泊松比和/或弹性模量可以是对地层进行采样后送测进行确定，然后输入数值分析模型中。

实施例3

本实施例可以是对实施例1、2的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

变形率阈值至少可以按照如下方式设定：基于数值分析结果获取结构物200在模拟盾构下穿过程中的下沉曲线。在数值分析结果中，可以获取研究结构物200的重心的位移曲线。然后能够根据盾构刀盘的行进路径以及下沉曲线的规律将下沉曲线分为前期下沉曲线、中期下沉曲线和后期下沉曲线。前期下沉曲线对应盾构刀盘未通过结构物200的阶段。中期下沉曲线包括了盾构刀盘正通过结构物200的阶段，也可以包括部分盾构刀盘未通过结构物200的阶段(主要通过下沉曲线的计算位移变化率确定，按照数学中的拐点确定)和/或已通过结构物200的阶段(主要通过计算下沉曲线的位移变化率确定，按照数学中的拐点确定)。后期下沉曲线对应盾构刀盘已通过结构物200的阶段。基于前期下沉曲线设定前期变形率阈值。基于述中期下沉曲线设定中期变形率阈值。基于后期下沉曲线设定后期变形率阈值。在盾构实际掘进过程中，在其各个掘进阶段，结构物200的沉降速率是不同的。并且，在盾构穿越结构物200的过程中，结构物200的沉降速率是最快的。因此，前期变形率阈值和后期变形率阈值小于中期变形率阈值。按照这种方式，根据数值仿真结果的不同阶段的结构物200的沉降发展特征，分阶段地对结构物200的变形监测以及实施不同的保护方案，进而根据监测结果在施工过程中对沉降采取相应的施工参数调整以及保护方案的调整，从而有效地保证各个下穿阶段结构物200的变形管控。

实施例4

本实施例可以是对实施例1、2、3的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

在本发明中，施工参数至少包括土仓压力、盾构推力、单盘扭矩和/或掘进速度。

由于数值分析模型是在数值分析平台中建立的，土仓压力、盾构推力、单盘扭矩和/或掘进速度分别可以作为载荷施加在模型中，因此，可以分析不同土仓压力、盾构推力、单盘扭矩和/或掘进速度对结构物200形变参数的关联性。例如，可以采用单因子分析法，分析结构物200形变参数(例如结构物200下沉量)随土仓压力变化的变化趋势。又如，可以采用单因子分析法，分析盾构推力对结构物200形变参数(例如结构物200下沉量)的影响趋势。而且，不仅如此，方法还可以采用正交实验原理分析土仓压力、盾构推力、单盘扭矩和/或掘进速度选择出影响结构物200形变的敏感因素，例如可以采用4因素3水平的正交实验设计确定。按照这种方式，本发明还可以具有如下的优势：1、有利于识别影响结构物200形变的敏感因素，用于提前指导制定对敏感因素的控制计划和监测计划；2、在监控点100发生监测数据异常时，可以通过对敏感因素的重点研究，部署对敏感因素的调整计划。

实施例5

本实施例公开了一种盾构下穿的结构物200的形变评估***，其能够用于实现实施例1-实施例4中的监测方法。

包括数值分析平台，用于建立盾构下穿掘进的数值分析模型。

评估***还包括基于数值分析结果而布置于施工现场的用于采集能够表征结构物200形变参数的监控点100和监控中心。

监控中心根据监控点100反馈的监控数据输出能够用于评价结构物200安全的实际安全评估。

数值分析模型的数值分析结果能够用于评价结构物200安全的初步安全评估和第一施工参数。

在实际安全评估中的至少一个安全参数处于危险阈值内的情况下，初步安全评估和实际安全评估用于调整第一施工参数，调整后的施工参数能够使得结构物200在盾构下穿施工过程中处于可控和/或安全状态。

优选地，数值分析结果至少能够用于确定布置的监控点100的类型和/或监控点100的相对位置关系。

其中，监控点100的类型至少包括用于监测结构物200位移的位移监控点100，位移监控点100至少是基于数值分析结果中的位移云图和/或应变云图确定的。和/或

彼此相邻的监控点100的间距按照与位移云图中的位移值和/或应变云图中的应变值呈负相关的方式布置。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种盾构下穿的结构物(200)的形变控制方法，包括：

建立盾构下穿掘进的数值分析模型，所述数值分析模型包括所述结构物(200)与盾构隧道之间的空间位置关系、盾构下穿掘进的施工参数、所述结构物(200)的物理模型和所述盾构隧道的物理模型；

基于所述数值分析模型获取能够表征所述结构物(200)形变的特征参数，所述特征参数包括所述结构物(200)的位移量、所述结构物(200)的应力、所述盾构隧道周围岩土的位移量和所述盾构隧道周围岩土的应力中的至少一种，以基于所述特征参数生成能够用于评价所述结构物(200)安全的初步安全评估；

在现场施工中布置用于采集能够表征结构物(200)形变的特征参数的监控点(100)，并建立监控中心，所述监控中心根据所述监控点(100)反馈的监控数据输出能够用于评价结构物(200)安全的实际安全评估；

基于所述初步安全评估和所述实际安全评估之对比结果，调整所述施工参数，以使得所述结构物(200)能够在盾构下穿掘进过程中处于可控和/或安全状态；

其特征在于，

所述监控点(100)是基于所述初步安全评估按照获取能够表征所述结构物(200)之形变的薄弱点的监控数据方式布置，以使得所述监控中心至少能够在获取到所述监控点(100)反馈之所述薄弱点的监控数据的情况下基于所述监控数据输出所述实际安全评估；

基于数值分析结果输出能够用于评价结构物(200)安全的初步安全评估和施工参数，在实际安全评估中的至少一个安全参数处于危险阈值内的情况下，结合初步安全评估和实际安全评估调整所述施工参数，调整后的施工参数能够使得所述结构物(200)在盾构下穿施工过程中处于可控和/或安全状态。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述数值分析结果至少能够用于确定布置的监控点(100)的类型和/或监控点(100)的相对位置关系，

其中，所述监控点(100)的类型至少包括用于监测结构物(200)位移的监控点(100)，所述监控点(100)的布置位置至少是基于数值分析结果中的位移云图和/或应变云图确定的；和/或

彼此相邻的所述监控点(100)的监测间距按照与所述位移云图中的位移值和/或应变云图中的应变值呈负相关的方式布置。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在所述监控点(100)的反馈数据随时间的变化大于或等于基于数值分析结果设定的变形率阈值的情况下，所述监控点(100)的监测频率基于所述反馈数据随时间的变化率而设定；

其中，增加的监测频率取决于监控点(100)的反馈数据随时间的变化率。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在盾构机与所述结构物(200)的间距小于基于数值分析结果设定的间距阈值的情况下，所述监控点(100)的监测频率增大；和/或，所述监控点(100)的布置数量增大且相邻的监控点(100)的监测间距减小；

其中，所述间距阈值为待建隧道半径的5至8倍。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，基于不同的下穿地段的数值分析结果和沉降控制量识别风险下穿地段，在盾构下穿至所述风险下穿地段时，所述监控点(100)的监测方式按照如下方式构建拓扑监测网：

增大所述监控点(100)的监测频率；和/或

增加所述监控点(100)的布置数量；和/或

加大所述监控点(100)的布置密度；和/或

改变所述监控点(100)的布置方式。

6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述变形率阈值至少可以按照如下方式设定：

基于数值分析结果获取结构物(200)在模拟盾构下穿过程中的下沉曲线，

至少能够根据盾构刀盘的行进路径以及下沉曲线的规律将所述下沉曲线分为前期下沉曲线、中期下沉曲线和后期下沉曲线，

其中，基于所述前期下沉曲线设定前期变形率阈值；

基于述中期下沉曲线设定中期变形率阈值；

基于后期下沉曲线设定后期变形率阈值；

其中，所述前期下沉曲线对应所述盾构刀盘未通过所述结构物(200)的阶段，

所述中期下沉曲线对应有所述盾构刀盘正通过所述结构物(200)的阶段，

所述后期下沉曲线对应所述盾构刀盘已通过所述结构物(200)的阶段。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，根据所述数值分析模型分析待建隧道周边的地层的物理特性对结构物(200)的变形影响，并且结合控制沉降量拟定机械配置方案和/或支护加固方案，

其中，所述地层的物理特性是指所述地层的本构模型，其至少包括内摩擦角、泊松比和/或弹性模量。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述施工参数至少包括土仓压力、盾构推力、单盘扭矩和/或掘进速度；

其中，所述数值分析模型能够用于分析所述土仓压力、所述盾构推力、所述单盘扭矩和/或所述掘进速度与所述结构物(200)形变的关联性，以使得所述控制方法能够基于所述数值分析结果从所述土仓压力、所述盾构推力、单盘扭矩和/或掘进速度选择出影响所述结构物(200)形变的敏感因素。

9.一种盾构下穿的结构物(200)的形变评估***，包括：

数值分析平台，用于建立盾构下穿掘进的数值分析模型，

其特征在于，

所述评估***还包括基于数值分析结果而布置于施工现场的用于采集能够表征结构物(200)形变的特征参数的监控点(100)和监控中心，

所述监控中心根据所述监控点(100)反馈的监控数据输出能够用于评价结构物(200)安全的实际安全评估；

基于所述数值分析模型的数值分析结果能够生成用于评价结构物(200)安全的初步安全评估和第一施工参数；

在所述实际安全评估中的至少一个安全参数处于危险阈值内的情况下，所述初步安全评估和所述实际安全评估用于调整所述第一施工参数，调整后的第一施工参数能够使得所述结构物(200)在盾构下穿施工过程中处于可控和/或安全状态。

10.根据权利要求9所述的评估***，其特征在于，所述数值分析结果至少能够用于确定布置的监控点(100)的类型和/或监控点(100)的相对位置关系，

其中，所述监控点(100)的类型至少包括用于监测结构物(200)位移的监控点(100)，所述监控点(100)至少是基于数值分析结果中的位移云图和/或应变云图确定的；和/或

彼此相邻的所述监控点(100)的间距按照与所述位移云图中的位移值和/或应变云图中的应变值呈负相关的方式布置。

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