一种下穿高铁路基的盾构施工沉降控制方法与流程

本发明属于地铁施工，具体涉及一种下穿高铁路基的盾构施工沉降控制方法。

背景技术：

1、穿高速铁路路基段的土压盾构施工时，由于沉降控制标准要求较高，因此在盾构穿越过程中要求采取限速或停运等措施，影响了高铁的通行效率。因此在采用土压盾构穿越高速铁路路基段时，如何在保证既有高铁正常运营的基础上实现下穿高铁路基的盾构施工沉降控制，尤其是实现下穿黄土地区下穿高速铁路路基段的盾构施工沉降控制，并确保动载、重载下的高铁均可正常通行，已成为一项亟待解决的关键技术问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种下穿高铁路基的盾构施工沉降控制方法，本发明旨在实现下穿各类土质的高铁路基的盾构施工沉降控制，在盾构穿越过程中不需要采取限速或停运等措施，以确保动载、重载下的高铁均可正常通行。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种下穿高铁路基的盾构施工沉降控制方法，包括：

4、s101，结合盾构参数计算考虑水压的理论土仓压力的取值范围，针对理论土仓压力的取值范围分别采用有限元分析模拟验证对地表沉降变形的影响，采用缩尺实验模拟验证盾构施工时高铁动载、重载对地表沉降变形的影响，若均验证通过，则跳转步骤s102，否则调整盾构参数，然后跳转步骤s101；

5、s102，在监测范围内为盾构隧道管片按照缩尺实验布设土压力计，并为盾构施工的自动化监测系统布设监测传感器；

6、s103，结合盾构参数、土仓压力的取值范围、土压力计以及自动化监测系统的监测传感器的检测数据，为盾构施工进行可视化建模得到可视化模型；

7、s104，进行下穿施工，且在下穿施工过程中根据土压力计以及自动化监测系统的监测传感器的检测数据实时更新可视化模型并计算沉降指标，若沉降指标越限则发出报警。

8、可选地，步骤s101中结合盾构参数计算考虑水压的理论土仓压力的取值范围的函数表达式为：

9、p =(pe1+pe2) × λ+pe3

10、上式中，p为理论土仓压力，pe1为盾构中部的垂直土压，pe2为盾构中部的水压，λ为侧压系数，pe3为经验常数。

11、可选地，步骤s101中结合盾构参数计算考虑水压的理论土仓压力的取值范围时，盾构中部的垂直土压和盾构中部的水压的计算函数表达式为：

12、pe1＝γ×h1，pe2＝γ1×h2，

13、上式中，γ为土的平均容重，h1为盾构机到地面距离，γ1为水的容重，h2为始发段盾构机中部到地下水位距离。

14、可选地，步骤s101中针对理论土仓压力的取值范围分别采用有限元分析模拟验证对地表沉降变形的影响包括：针对理论土仓压力的取值范围，从初始的理论土仓压力开始按照指定的步长生成一系列的理论土仓压力，针对每一个理论土仓压力分别采用有限元分析模拟验证该理论土仓压力下的横向地表沉降槽与纵向地表位移，所有理论土仓压力对应的横向地表沉降槽与纵向地表位移的大小均在预设阈值范围内，则判定对地表沉降变形的影响的验证通过，否则判定对地表沉降变形的影响的验证不通过。

15、可选地，步骤s101中采用缩尺实验模拟验证盾构施工时高铁动载、重载对地表沉降变形的影响时，采用缩尺实验模拟验证盾构施工时高铁动载对地表沉降变形的影响包括：

16、s201，确定盾构机以及隧道的结构参数，包括：盾体长、外径、管片每节长度、管片外径、盾体环数量、隧道顶部埋深和两隧道间距；确定高铁路基段的结构参数，包括：与盾构隧道的相交角度、整体道床宽度、轨道在整体道床上的位置、cfg桩段的土体弹性模量；确定高铁动载数据参数，包括动载pt、时间间隔∆t和计算时域总时长；

17、s202，构建等效高铁动载缩尺实验模型，包括：（1）模拟盾体及管片：采用预埋法，先将盾体和盾体环数量个管片为一个整体模型，提前预埋至设计缩尺位置；盾体前部带有切屑功能转动的十字装置，且切屑后的土体人工清除；（2）模拟高铁路路基段：1）位移计及土压力盒设置：在埋置好的盾体前方，盾体通过路径上部指定大小的位置，连续设置两个半圆形钢板，钢板上部焊接吊杆，吊杆固定在缩尺模型箱体的上部，并设置位移计；在半圆形钢板的四周方向多个点位设置土压力盒，将半圆形钢板的上部、下部都埋好土；2）在模拟路基段下部cfg桩加固效果：设置与cfg桩相同弹性模量、压实系数的土体，模拟cfg桩效果；3）在模拟路基段上部效果，包括：设置等比例的混凝土轨道板，固定两条工字钢以模拟钢轨；

18、s203，模拟高铁动载脉冲压力荷载并进行模拟实验数据收集，包括：按照动载pt、时间间隔∆t和计算时域总时长向混凝土轨道板上的两条工字钢模拟钢轨施加脉冲压力荷载，在此期间，通过千斤顶，推进盾体前部切屑、人工出渣，穿越模拟高铁路路基段；同时，每次施加荷载后，收集位移计、土压力盒的数据，绘制竖向位移时程曲线图、多个土压力点的压力变化曲线，左线穿越后，设备归零；待右线穿越时，重新读数；

19、s204，判断实验得到的横向地表沉降槽的大小是否在预设阈值范围内，若在预设阈值范围内，则判定对地表沉降变形的影响的验证通过，并在设置土压力盒的多个点位中找出对称的两个点位作为克泥效注入的点位；否则判定对地表沉降变形的影响的验证不通过。

20、可选地，步骤s101中采用缩尺实验模拟验证盾构施工时高铁动载、重载对地表沉降变形的影响时，采用缩尺实验模拟验证盾构施工时高铁重载对地表沉降变形的影响包括：

21、s301，确定盾构机以及隧道的结构参数，包括：盾体长、外径、管片每节长度、管片外径、盾体环数量、隧道顶部埋深和两隧道间距；确定高铁路基段的结构参数，包括：与盾构隧道的相交角度、整体道床宽度、轨道在整体道床上的位置、cfg桩段的土体弹性模量；确定高铁重载数据参数，包括重载列车通行及停留时的均布荷载；

22、s302，进行等效高铁重载缩尺实验：包括：（1）模拟盾体及管片：采用预埋法，先将盾体和盾体环数量个管片为一个整体模型，提前预埋至设计缩尺位置；盾体前部带有切屑功能转动的十字装置，且切屑后的土体人工清除；（2）模拟高铁路路基段：1）位移计及土压力盒设置：在埋置好的盾体前方，盾体通过路径上部指定大小的位置，连续设置两个半圆形钢板，钢板上部焊接吊杆，吊杆固定在缩尺模型箱体的上部，并设置位移计；在半圆形钢板的四周方向多个点位设置土压力盒，将半圆形钢板的上部、下部都埋好土；2）在模拟路基段下部cfg桩加固效果：设置与cfg桩相同弹性模量、压实系数的土体，模拟cfg桩效果；3）在模拟路基段上部效果，包括：设置等比例的混凝土轨道板，固定两条工字钢以模拟钢轨；

23、s303，模拟高铁动载脉冲压力荷载并进行模拟实验数据收集，包括：对试验区施加预设的重载列车通行及停留时的均布荷载以模拟重载列车通行及停留的工况；同时，施加荷载后，收集位移计、土压力盒的数据，绘制竖向位移时程曲线图、多个土压力点的压力变化曲线，左线穿越后，设备归零；待右线穿越时，重新读数；

24、s304，判断实际的横向地表沉降槽的大小是否在预设阈值范围内，若在预设阈值范围内，则判定对地表沉降变形的影响的验证通过，并在设置土压力盒的多个点位中找出对称的两个点位作为克泥效注入的点位；否则判定对地表沉降变形的影响的验证不通过。

25、可选地，步骤s102中监测范围是指双线隧道中线间距范围内，且双线隧道中线间距的计算函数表达式为：

26、l= l1+d+3h

27、其中：l1为双线隧道中线间距；d为隧道直径；h为隧道底板埋深。

28、可选地，步骤s102中为盾构施工的自动化监测系统布设监测传感器时，所述自动化监测系统包括路基分层沉降监测系统和深层水平位移监测系统，为路基分层沉降监测系统布设监测传感器包括在路肩和线间封闭层上进行安装，分为四层，分别监测路基面、cfg桩桩顶、cfg桩底部，隧道顶面指定距离的位置；为深层水平位移监测系统布设监测传感器包括沿线路纵向布设，每指定长度布设一个断面，共布设三个断面，分别布置在两侧路肩上，基准点进入地铁隧道底部指定距离。

29、可选地，步骤s103包括：

30、s401，采用revit软件进行盾构施工基本结构、地貌建模，包括：利用revit软件建立或者导入盾构始发、接收结构，地面高铁路基段，以及重载铁路模型；根据设计、地勘资料，对隧道地层周围地貌建立模型，使用不同的颜色来表示不同的土质，并附上标注以标明各土层的具体信息，以便于查看盾构区间沿线三维空间地层分布情况；

31、s402，采用revit软件结合dynamo软件进行盾构隧道建模，包括：根据隧道断面的设计图纸，以衬砌管片标准块为底图，然后制作以管片各角点和各长边中点共 6个点为自适应点的自适应族构件，节点编号按逆时针顺序排列，然后以上下底面为约束面创建实心形状，最后另存为rfa文件格式；然后将自适应族构件导入dynamo软件，并在dynamo软件中进行编程，将自适应族构件的代码块按给定的逻辑连接在一起以构成实现命令流，从而将自适应族构件编制成可以驱动自适应管片族来实现参数化建模的第三方插件；根据隧道路线的设计图纸，将处理好的隧道中心轴线导入revit软件，然后调整隧道管环外半径、管片厚度、管片宽度、错峰布置类型、管片圆弧角度，运行dynamo软件生成盾构隧道模型；

32、s403，采用revit软件结合openroadsdesigner软件链接监测数据、模拟结果、盾构掘进参数、地层沉降数据，完成可视化模型的数字化移交，包括：在revit软件中将建立好的盾构隧道模型以dgn的格式导出，然后导入openroadsdesigner软件中；选择处理好的力学数据图像、材料属性表格、施工现场照片、工序视频或网页链接在内的施工资料完成信息的链入；使用openroadsdesigner软件，将路基分层沉降监测系统和深层水平位移监测系统，通过链入web端平台实现与可视化模型软件的链接；在各盾构管片上链入有限元分析结果、监测数据结果、缩尺模型分析结果，把控管片位移、土体位移、掘进压力、注浆压力和水深的变化情况，以及管片内力随掘进压力的变化情况，使得施工资料完成信息的链入完成后，双击链接点即可调取出该点的工程信息。

33、可选地，步骤s104中计算沉降指标具体是指：采用有限元分析模拟验证该理论土仓压力下的横向地表沉降槽与纵向地表位移，并根据横向地表沉降槽的变化量除以单位时间得到沉降变形速率，并将沉降变形速率作为计算得到的沉降指标。

34、和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：

35、1、本发明包括结合盾构参数计算考虑水压的理论土仓压力的取值范围，并采用有限元分析、高铁动载、重载进行验证，然后布设土压力计和监测传感器；结合盾构参数、土仓压力的取值范围、土压力计以及自动化监测系统的监测传感器的检测数据，为盾构施工进行可视化建模得到可视化模型；进行下穿施工，且在下穿施工过程中根据土压力计以及自动化监测系统的监测传感器的检测数据实时更新可视化模型并计算沉降指标，若沉降指标越限则发出报警，本发明能够实现下穿各类土质的高铁路基的盾构施工沉降控制，在盾构穿越过程中不需要采取限速或停运等措施，以确保动载、重载下的高铁均可正常通行，有效控制了地层和上部高铁的变形，工程风险得到显著降低。

36、2、在保证既有高铁正常运营的基础上实现下穿高铁路基的盾构施工沉降控制，尤其是实现下穿黄土地区下穿高速铁路路基段的盾构施工沉降控制，并确保动载、重载下的高铁均可正常通行，上述技术问题的本质是如何精准、动态控制盾构施工参数，降低轨道、路基段沉降值，本发明结合理论推导、数值模拟以及缩尺实验多种方法分析盾构掘进对上覆运营高铁影响，借助数值模拟对高铁行进产生的动荷载进行仿真模拟，最大程度的还原盾构掘进扰动作用与高铁行车动载耦合作用下，地层及高铁关键部位的动力响应分析。

37、3、本发明采用了可视化建模技术，经过实际工程的验证，起到了实时反馈盾构掘进全过程，是一种切实可以反馈指导施工的新思路、新技术，借助该技术，对高铁路基沉降阈值进行调整，工程实践证明此技术可以实现盾构下穿高敏感变形建筑（结构）物时掘进参数的修正、数字化定量呈现出盾构施工扰动产生的沉降变形。缩尺模型实验也充分考虑高铁行车动荷载的影响，与已有研究中常采用等效荷载（实质为静止荷载），极大提升了盾构施工的风险源识别精准度，通过实验结果预测得出的变形情况，可为控制高风险源提供可靠的试验支撑。综合采用的几种方法，有利于管控地下工程盾构施工引起的变形问题，采用这些综合性对策措施后，有效控制了地层和上部高铁的变形，工程风险得到显著降低。