[发明专利]一种地铁隧道岩土体等效计算参数反演方法

说明书

技术领域

本发明专利属于土木工程技术领域，用于为地铁隧道开挖过程中数值建模计算土体变形使用的土体等效计算参数的反演。

背景技术

随着轨道交通建设的发展，其暗挖施工引起的地表沉降一直为工程界所关注，而目前工程师对地表沉降的预测大多建立在实践经验的基础上，而缺乏系统性和传承性。通过理论或数值模拟(无论是有限元、有限差分还是离散元)，仅能反映出沉降分布范围和分布规律，对数量上的难以预测，参数调整离散度较大，最终还是归结于经验判断。由于岩土工程的复杂性(土体分布不均、城市道路路面结构的影响、地下水的不确定性、环境条件复杂、施工方法各异、施工队伍参差不齐)，通过理论分析、精确预测地表沉降值难度较大。因此，数值计算成为预测地铁施工引起地表沉降的普遍方法。但目前由于场地的复杂性和模型建设的人为性，使得实用性不高，无法向工程技术人员推广，主要表现在以下几个方面：

(1)对计算模型进行了若干假设；

在建立模型过程中，对模型的本构关系、边界条件、网格划分等均做了诸多假设，这就导致了其在一定程度上与原型背离，导致计算结果的差异性。

(2)勘察报告中无法提出数值计算需要的参数；

在一般的地铁建设勘察报告中，可以给出的数值模拟计算所需要的参数包括容重、黏聚力、内摩擦角等，但对沉降计算结果影响较大的弹性模量或体积模量，勘察报告中无法给出，且报告中给出的多为室内试验数据，无法真实反映现场的复杂条件和地铁施工的应力转化状态。这就给数值计算模型参数的选取带来了困难。

(3)计算模型参数与实际岩土体状态相差较远。

模型中选取合理的计算参数对计算结果的影响较大，但目前的计算分析中，多根据监测结果反复调整计算参数，导致最终参数的选取背离岩土体的实际状态。

(4)模型标准化欠缺

由于影响模型计算结果的因素较多，包括：计算边界的选取、网格的划分、土层的划分、本构关系的选择、物理力学参数的选取等。所以参数调整的因素较多。这就给计算参数的确定带来了诸多困难。因此在参数反演之前，必须对所建立的模型进行标准化处理。

发明内容

本发明专利的目的在于提供一种利用地铁隧道沉降监测结果数据、常规的勘察报告提供的土体物理力学参数数据，反演地铁开挖有限元计算模型中岩土体等效计算参数的方法，得到与实际相符的土体变形和地表沉降。

本发明通过以下技术方案实现：

1)实测数据的提取与回归分析，包括：

1.1)设定监测点，并获取各个监测点距隧道中线的距离x，以及监测点的沉降值y；

为了能够满足沉降槽生成的需要和区域性预测的需要，监测数据的获取需提取距隧道中线不同距离的沉降值，详见图1。其中x_i表示监测点距隧道中线的距离，y_i表示监测点的沉降值。

1.2)对实测数据(x,y)进行回归分析，回归公式为得到常数项并得到曲线公式其中最大沉降值沉降槽宽度以x为横坐标，以y为纵坐标画图，即可形成沉降槽曲线，详见图2。

本发明是基于Peck公式对提取的监测数据进行回归分析的。

2)建立标准有限元计算模型，要满足以下标准化要求：

2.1)建立几何模型：

首先建立模型尺寸：

为了满足计算速度需要，同时满足应力-变形分布规律，模型的边界以以下原则选取：

有限元模型的隧道上部土体厚度按实际埋深选取，模型的隧道下部距离取距隧道底边缘2D的长度；模型的纵深取为单位长度1；模型的隧道两侧土体边界距隧道边缘的距离为4D；其中D表示隧道的直径；详见图3。

然后确定模型边界限制条件：

根据实际受力状态，模型底边界为固定边界，约束X、Y、Z方向位移；模型在两个水平方向上分别约束该水平方向位移，如图4所示，模型左右两侧分别约束x水平方向的位移；模型顶面为自由面，不做任何约束，岩土本构关系采用理想弹塑性本构模型与摩尔-库伦强度准则；

2.2)确定标准有限元计算模型输入参数：提取几何模型范围内各层土体的厚度h、天然重度γ、粘聚力c、内摩擦角压缩模量E、泊松比v，并计算加权平均参数，包括：加权平均重度γ_加权、加权平均粘聚力c_加权、加权平均内摩擦角加权平均压缩模量E_加权和加权平均泊松比ν_加权；以这些加权平均参数作为几何模型中土体的初始输入参数。