武汉地铁施工引起地面沉降预测方法研究 ——以武汉地铁广埠屯至名都站区间为例

论文摘要

随着我国城市交通现代化建设的不断升温,地铁建设已在我国大部分城市如火如荼地展开,素有“九省通衢”美誉的湖北省武汉市也于近年开始了地铁建设。然而人类大兴土木建设城市必然会造成城市环境损伤,其中土体开挖引起的地面沉降问题在工程实践中引起了人们广泛关注。地铁隧道建造在地质结构复杂、岩土特性不均匀的地层中,在各种施工营力的作用和自然因素的影响下,其工程性态和安全状况随时都在发生变化。如果出现异常,又不能及时掌握,任其发展,其后果不堪设想。地铁隧道施工引起的地面沉降会带来两个方面的重大问题：第一,施工场地内过大的地面沉降将严重威胁施工人员的生命安全及工程的顺利进行；第二,地面沉降对周边道路、建筑、地下管线等设施造成极大安全隐患。论文研究区间——武汉地铁2号线广埠屯-名都站区间（第24标段）隧道主要按矿山法设计和施工,现场监控量测是此工法的重要组成部分。监测数据是岩土体对人为或自然所加的影响所表现出来的各种反应的量化信息。通过对这些信息进行反分析,可以了解岩土体目前所处的状态,并预测其可能的变化趋势。从隧道施工监测数据入手,研究影响沉降量的三大因素：空间x、时间t及岩性参数、ψ与它的相关性,进行沉降量影响因素的敏感性分析并求解它们与沉降量的函数关系；基于空间预测法（工程地质预测法、Peck法）及时间预测法（Logistic时间函数模型、灰色Verhulst预测模型）,并运用现场量测数据与其预测数据加以对比检验,建立了适用于研究区间的地面沉降预测模型,实现了对地铁施工引起地面沉降的前期区域性及长期预报。预测结果表明,将上述方法综合运用于研究区间地铁施工引起的地面沉降是可行、有效的。论文完成了以下研究内容：（1）隧道纵向地面最大沉降量Smax的预测（计算）是整个空间预测的首要环节,其影响因素较多,运用数理统计中的方差分析方法,对影响地面沉降的4个岩土力学因素做了单因素方差分析。根据该分析结果进行了隧道纵向地面最大沉降量影响因素敏感性分析,结果表明：在本研究区间内隧道埋深对最大沉降量的敏感度很小,在所给定的范围内其影响可以不计；工程地质参数的敏感性排序为摩擦角>粘聚力>压缩模量,它们是影响沉降量的主导因素。（2）运用工程地质预测法对研究区间内隧道开挖引起的纵向地面最大沉降量进行预测,根据敏感性分析结果建立了3类12种预测模型,各模型的预测精度基本都能达到80%。在选取其中一种模型公式进行地面沉降预测时,运用其它一种或几种模型公式加以检验,以取得更准确、更具有说服力的预测结果；若需要偏安全的预测,可以使用最大值作为预测结果。（3）运用Peck法进行隧道地面沉降预测时,除了需要参数Smax外还必须已知适合于研究区域内特殊地质条件的沉降槽宽度i。该参数i随区域特殊地质条件的变化很大,这导致Peck方法的运用具有很强的区域性。运用最小二乘法对研究区间的横向沉降量实测数据进行了高斯曲线（即Peck曲线）拟合分析,结果说明运用Peck法进行本区间隧道施工引起的横向地面沉降预测研究是可行的,其沉降槽曲线可以很好的拟合及预测本区间地铁隧道施工引起的地面沉降情况。（4）用拟合值与前人提出的i值计算公式计算结果进行了对比分析：由Knothe公式和Attewell公式所得沉降槽宽度系数k约为0.5,拟合值平均是其1.73倍；由Atkinson公式所得沉降槽宽度系数k约为0.4,拟合值平均是其2.13倍；由Clough公式所得沉降槽宽度系数k约为0.43,拟合值平均是其2.0倍；将这些倍数作为修正系数可对不同的i值计算公式做相应的系数修正,使之能够满足不同地域特殊地质条件i值的计算需要。其中由Peck提出的计算式i／R=（H/2R）n（n为待定系数）,通过对拟合i值的反算,可以得出对于本区间待定系数n,从而可以得到适用于本区间i值计算的修正Peck经验公式。计算结果得到待定系数n在本区间的取值为1.5～1.9之间,平均可取为1.7。（5）提出了适用于本研究区间的沉降槽宽度系数k的取值范围,填补了该系数在武汉地区的空白。研究结果表明：隧道纵向中线埋深与沉降槽宽度i在本区间也大致存在简单的线性关系即i=kz,且在本区间地层多为粘土、粉质粘土、粘土夹碎石情况下的k值宜取为0.7～0.9之间；且当隧道中线埋深为10m～15m之间时,约50%的监测断面系数k可取值为0.8,最大可取值为0.95,总体上其平均值约为0.86。（6）结合工程地质预测法及Peck法的两种空间预测模型,对地铁隧道开挖导致的场地内及其附近地域的地面沉降分布情况作了先期区域性预测,精度达到80%以上。这有助于地铁施工的前期规划,也有助于相关部门作出合理的搬迁、管制等决策。（7）运用Logistic时间函数对研究区间内隧道开挖引起的纵向地面最大沉降量随时间变化规律进行分析,提出了沉降量-时间曲线上5个关键点的概念。关键点的提出,具有模型参数求解以及工程安全、经济等多方面意义；用模型参数解析法求解了十个监测点Logistic曲线达到各自关键点的最大沉降量及平均时间,据此总结了该区间隧道地面沉降发展的规律、建立了针对该区间隧道地面沉的Logistic时间预测经验模型。将该模型用于其它监测点沉降量预测,其预测结果均通过了拟合精度检验。（8）根据灰色预测理论,建立了研究区间内隧道开挖引起的纵向地面最大沉降量时间预测灰色Verhulst模型。运用新陈代谢原则并结合关键点时间加以优化,进而建立了动态灰色Verhulst预测模型,同时发现影响动态灰色预测模型精度的主要因素有两个：发展系数α及精度参数（?）。优化后的动态Verhulst模型其预测效率及精度得到了大幅度提高,更能满足地铁工程的实时需要。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及研究意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状及存在的问题
• 1.2.1 空间预测方法
• 1.2.2 时间预测方法
• 1.2.3 位移反分析法
• 1.2.4 数值模拟方法
• 1.2.5 目前存在的问题
• 1.3 主要研究内容及创新点
• 第二章 武汉地铁虎泉站～名都站区间隧道施工监测结果分析
• 2.1 工程概况
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 工程地质条件
• 2.1.3 水文地质条件
• 2.1.4 地层岩土力学指标
• 2.2 施工监测方案
• 2.2.1 监测内容
• 2.2.2 地面沉降监测方案
• 2.3 地面沉降监测结果分析
• 2.3.1 各监测断面最大沉降量分析
• 2.3.2 最大沉降量横向曲线形状分析
• 2.3.3 沉降量随时间变化曲线分析
• 第三章 地铁隧道纵向最大沉降量工程地质预测方法研究
• 3.1 影响隧道地面沉降的主要参数
• 3.2 主要影响参数的统计分析
• 3.2.1 单因素试验的方差分析
• 3.2.2 各沉降量影响因素的方差分析
• 3.3 主要影响参数的敏感性分析
• 3.4 隧道纵向最大沉降量的工程地质预测研究
• 3.4.1 地面沉降量最大值的工程地质预测研究思路
• 3.4.2 各沉降量影响因素的回归分析
• 本章小结
• 第四章 基于Peck法的地铁隧道横向地面沉降预测研究
• 4.1 Peck法原理
• 4.2 Peck法研究现状
• 4.3 确定沉降槽曲线关键参数的反分析方法
• 4.3.1 沉降槽曲线的最小二乘拟合
• 4.3.2 拟合参数的检验
• 4.3.3 虎泉站～名都站区间隧道地面沉降槽曲线拟合结果
• 4.3.4 沉降槽宽度i计算经验公式的修正
• 4.3.5 沉降槽宽度系数k的取值范围确定
• 4.4 综合预测实例
• 本章小结
• 第五章 基于Logistic模型的地铁隧道地面沉降时间预测研究
• 5.1 Logistic时间函数模型
• 5.1.1 Logistic时间函数解析
• 5.1.2 关键点的定义
• 5.1.3 模型参数的求解方法
• 5.2 基于模型参数解析法的隧道地面沉降时间预测
• 5.2.1 模型参数解析法综述
• 5.2.2 模型参数的求解
• 5.2.3 线性回归法和三段法的精度评定
• 5.2.4 基于三段法的隧道地面沉降预测
• 本章小结
• 第六章 地铁隧道地面沉降灰色预测方法研究
• 6.1 灰色预测理论的建模思想
• 6.1.1 模型思想开发即语言模型的建立
• 6.1.2 模型数据的挖掘及量化模型的建立
• 6.1.3 GM（1,1）灰色预测模型及其幂形式Verhulst灰色预测模型
• 6.1.4 模型的动态化及优化
• 6.1.5 灰色预测模型的精度评定
• 6.1.6 灰色预测理论的建模思路
• 6.2 基于灰色Verhulst模型的地面沉降预测研究
• 6.2.1 隧道地面沉降的短期预测
• 6.2.2 预测模型的优化及隧道地面沉降的长期预测
• 6.2.3 优化灰色预测模型的实际运用
• 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附图