近接隧道对高速铁路路基的风险评估方法和装置

摘要

本发明公开了一种近接隧道对高速铁路路基的风险评估方法及风险评估装置。所述风险评估方法包括：确定欲开挖的近接隧道的松动区和扰动区；根据高速铁路路基所在处地面荷载引起的附加压力和土层的自重应力，确定所述高速铁路路基的各级承载区；根据计算出的所述近接隧道的松动区和所述高速铁路路基的各级承载区，以及所述近接隧道的扰动区和所述高速铁路路基的各级承载区的重合程度评估所述近接隧道对高速铁路路基产生的工程风险等级。本发明通过制定近接隧道对高速铁路路基产生的工程风险等级，清晰界定近接隧道的施工位置对高速铁路路基的风险程度，并根据风险程度采取相应的措施，确保高速铁路运行安全和近接隧道的施工安全。

说明书

技术领域

本发明涉及铁路工程设计、施工技术领域，具体涉及近接隧道对高速 铁路路基的风险评估方法和装置。

背景技术

近接工程是指新建结构物在既有结构物一定影响范围内进行施工，对既有 结构物产生一定不利影响的工程。近年来，随着交通路网的不断发展和地上、 地下空间的利用越来越集约化，现有高速铁路的近接隧道大量涌现。如何把近 接隧道对高速铁路路基的影响减少到最低限度并确保近接隧道的施工安全，是 近接隧道施工的核心问题。

在日本高速铁路的近接施工中，根据高速铁路路基的宽度和近接隧道的尺 寸，来划分高速铁路路基与近接隧道的近接程度。近接隧道与高速铁路路基距 离越近，近接程度越高；近接隧道与高速铁路路基距离越远，近接程度越低。 并根据近接程度采取相应的工程措施。

由于近接程度只是用于衡量近接隧道与高速铁路路基之间的距离，并不能 全面体现近接隧道对高速铁路路基产生的工程风险。因为近接隧道施工对高速 铁路路基产生的工程风险不仅与近接隧道与高速铁路路基的近接程度有关，还 与高速铁路路基的荷载大小和铺设形式、近接隧道的荷载大小和形式，以及地 层围岩的物理力学性质有关，因此利用近接隧道与高速铁路路基之间的程度来 体现近接隧道对高速铁路路基产生的风险程度并不准确。

因此有必要提供一种近接隧道在施工时对高速铁路路基产生的风险评估方 法，以有效制定近接隧道对高速铁路路基产生的工程风险等级，并根据该工程 风险等级指定相应的工程措施，确保高速铁路运行安全和近接隧道的施工安 全。

发明内容

本发明的发明目的在于提供了一种近接隧道在施工时对高速铁路路基 产生的风险评估方法，以有效制定近接隧道对高速铁路路基产生的工程风 险等级，并根据该工程风险等级指定相应的工程措施，确保高速铁路运行 安全和近接隧道的施工安全。

根据本发明的一个方面，提供了一种近接隧道对高速铁路路基的风险 评估方法，包括：确定欲开挖的近接隧道的松动区和扰动区；根据高速铁 路路基所在处地面荷载引起的附加压力和土层的自重应力，确定所述高速 铁路路基的各级承载区；根据计算出的所述近接隧道的松动区和所述高速 铁路路基的各级承载区，以及所述近接隧道的扰动区和所述高速铁路路基 的各级承载区的重合程度评估所述近接隧道对高速铁路路基产生的工程风 险等级。

其中，所述高速铁路路基的各级承载区包括：主承载区、次承载区和 无承载区。

所述近接隧道对高速铁路路基产生的工程风险等级评估具体为：

当近接隧道的松动区和扰动区均位于高速铁路路基的无承载区时，所 述工程风险等级评估为Ⅴ级；

当近接隧道的扰动区进入高速铁路路基的次承载区，所述工程风险等 级评估为Ⅳ级；

当近接隧道的扰动区进入高速铁路路基的主承载区，所述工程风险等 级评估为Ⅲ级；

当近接隧道的松动区进入高速高速铁路路基的次承载区，所述工程风 险等级评估为Ⅱ级；

当近接隧道的松动区进入高速铁路路基的主承载区，所述工程风险等 级评估为Ⅰ级。

所述高速铁路路基的主承载区、次承载区和无承载区的划分方法为：

所述高速铁路路基所在处，所述附加应力大于所述土层的自重应力的 区域为所述主承载区；

所述高速铁路路基所在处，所述附加应力小于所述土层的自重应力、 大于所述自重应力的5%的区域为所述次承载区；

所述高速铁路路基所在处，所述附加应力小于所述自重应力的5%的区 域为所述无承载区。

其中，所述土层的自重应力通过σ_cz=γz计算得出，其中，γ为所述土 层中土的容重，z为计算点的埋深。

所述土层中任意一点M处的附加应力为：

${\sigma }_z=\frac{p}{\pi }[(\arctan \frac{1-2n}{2m}+\arctan \frac{1+2n}{2m})-\frac{4m({4n}^2-{4m}^2-1)}{{({4n}^2+{4m}^2-1)}^2+{16m}^2}]$

其中，p为所述高速铁路路基和列车荷载引起的附加压力，z为M点的埋深，b为所述高速铁路路基的底面宽度，x为M点距离路基中 心点的水平距离。

其中，所述确定欲开挖的近接隧道的松动区和扰动区，具体为：

所述近接隧道的围岩区域中，确定围岩的最大主应力大于所述围岩的 塑性屈服强度的区域为所述松动区；

所述近接隧道的围岩区域中，确定围岩的最大主应力小于围岩的塑性 屈服强度、大于围岩的塑性屈服强度5%的区域为所述扰动区；

所述近接隧道的围岩区域中，确定围岩的最大主应力小于围岩的塑性 屈服强度5%的区域为所述非扰动区。

所述围岩的最大主应力

为${\sigma }_r={\sigma }_0(1-\frac{R_0^2}{r^2}),$其中，

σ₀为所述围岩的初始应力，r为所述围岩距离所述近接隧道洞壁的距 离，R₀为隧道的开挖半径。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种近接隧道对高速铁路路基的 风险评估装置，包括：

松动扰动区确定模块，用于确定欲开挖的近接隧道的松动区和扰动区；

承载区确定模块，用于根据高速铁路路基所在处地面荷载引起的附加 压力和土层的自重应力，确定所述高速铁路路基的各级承载区；

风险评估模块，用于根据计算出的所述近接隧道的松动区和所述高速 铁路路基的各级承载区，以及所述近接隧道的扰动区和所述高速铁路路基 的各级承载区的重合程度评估所述近接隧道对高速铁路路基产生的工程风 险等级。

其中，所述各级承载区包括：主承载区、次承载区和无承载区。

由上述技术方案可知，本发明根据土层中自重应力和附加应力的分布 特征定义高速铁路路基的各级承载区；根据近接隧道的围岩最大主应力和 围岩的塑性屈服强度定义近接隧道围岩的扰动分区。通过近接隧道围岩的 扰动分区与高速铁路路基的各级承载区的重合程度制定近接隧道对高速铁 路路基产生的工程风险等级，清晰界定近接隧道的施工位置对高速铁路路 基的风险程度，并根据风险程度采取相应的措施，确保高速铁路运行安全 和近接隧道的施工安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对 实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地， 以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员 而言，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1示出了地基中的附加应力分布规律；

图2示出了地面荷载在地层中的附加应力分布图；

图3示出了隧道开挖后隧道围岩的应力分布特征；

图4示出了初始地应力的侧压力系数为1时隧道围岩的横剖面图；

图5示出了初始地应力的侧压力系数为1时隧道围岩的纵剖面图；

图6示出了土层中一点的附加应力计算；

图7示出了条形基础任意一点M处的附加应力系数；

图8a示出了风险等级为Ⅴ级时近接隧道的扰动分区和高速铁路路基的 承载分区的相对位置示意图；

图8b示出了风险等级为Ⅳ级时近接隧道的扰动分区和高速铁路路基的 承载分区的相对位置示意图；

图8c示出了风险等级为Ⅲ级时近接隧道的扰动分区和高速铁路路基的 承载分区的相对位置示意图；

图8d示出了风险等级为Ⅱ级时近接隧道的扰动分区和高速铁路路基的 承载分区的相对位置示意图；

图8e示出了风险等级为Ⅰ级时近接隧道的扰动分区和高速铁路路基的 承载分区的相对位置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并 举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明 书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个 透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本发明通过对近接隧道的围岩进行扰动分区，对高速铁路路基下的土 层进行各级承载区的分区，并通过近接隧道围岩的扰动分区与高速铁路路 基的各级承载区的重合程度制定近接隧道对高速铁路路基产生的工程风险 等级，从而清晰界定近接隧道的施工位置对高速铁路路基的风险程度，确 保高速铁路运行安全和近接隧道的施工安全。

在制定近接隧道施工对高速铁路路基产生的风险等级之前，需要先定 义高速铁路路基的各级承载区和近接隧道对围岩的扰动分区。

下面对高速铁路路基各级承载区的分区方法进行详细阐述。

地面上的荷载在地层中所引起的附加应力随着埋深而逐渐扩散。随着 埋深增大，附加应力逐渐减小，同时向四周逐渐扩散。附加应力的分布规 律可以用应力泡形象地表示，如图1所示，在竖直剖面上，附加应力等值 线形成一个个逐渐扩大的圆形，在空间上，附加应力等值面形成一个个逐 渐扩大的球面，称之为应力泡。

应力泡实际上反映了地面荷载对地层初始应力场的扰动大小，可以采 用附加应力与地层初始应力的比值来衡量这种扰动的程度。荷载对土层应 力场的扰动程度，从另一方面来讲，反映了不同区域的土层对荷载的承担 比例，即扰动程度越大的区域，其土层承担的荷载的比例也越大。土层中 的初始应力主要为土层的自重应力。

本发明根据地层的自重应力和地面荷载在地层的附加应力分布特征， 将地面荷载以下土层分为三个区：主承载区、次承载区和无承载区。

图2示出了地面荷载在地层的附加应力分布图。如图1所示，路基中 点为O，曲线L1为地面荷载在地层的不同深度产生的附加应力值的连线， L2为地层在不同深度的自重应力值的连线。由图1可知，在A点所处的深 度，地面荷载产生的附加应力等于土层的自重应力。因此，在OA段，地 面荷载产生的附加应力大于土层的自重应力，是地层承担路基荷载的主要 区域，此区域定义为主承载区。

在A点以下，附加应力小于自重应力，并随着深度增加，附加应力进 一步减小，当附加应力减小到自重应力的5%以下时，即图1中B点以下的 土层，可将此区域的附加应力忽略不计，地面荷载对此区域土层的应力分 布无影响，即B点以下土层不承担地面荷载传递下来的荷载。本发明中， 将AB段称为次承载区，B点以下称为无承载区。

下面对隧道围岩扰动分区的分区方法进行详细阐述。

隧道的开挖打破了围岩原有的应力平衡状态，使围岩应力重新调整， 以达到新的平衡状态，因此，隧道的开挖过程是一个围岩应力的调整过程。 当围岩应力的调整超过围岩强度屈服极限时，围岩就由弹性状态转化为塑 性状态，并在隧道周边一定范围内形成一个松动区。其中，围岩的塑性屈 服强度为围岩抵抗微量塑性变形、发生屈服的应力。随着距离隧道洞壁的 距离R的增大，围岩应力逐渐减小，围岩也就由塑性状态逐渐转化为弹性 状态。

图3示出了隧道开挖后隧道围岩的应力分布特征。由图2所示，横坐 标R为围岩距离隧道洞壁的距离，纵坐标σ为围岩应力，σ₀为围岩的初始 应力。σ₁为围岩最大主应力，σ₃为围岩最小主应力，p点为支护结构提 供的支护应力。

由图3可知，接近隧道洞壁的围岩，随着距离隧道洞壁的距离增大， 围岩最大主应力σ₁也随之增大。并在A点达到最大值σ₁。随着围岩距离 隧道洞壁的距离R进一步增大，围岩最大主应力σ₁逐渐减小。围岩距离隧 道洞壁的距离增大至B点时，围岩最大主应力与围岩初始应力的差值等于 围岩初始应力的5%。随着围岩距离隧道洞壁的距离进一步增大，隧道对围 岩的扰动已经非常小，可忽略不计。

在0A段，围岩最大主应力大于围岩的塑性屈服强度，围岩由弹性状态 转化为塑性状态，使围岩发生塑性屈服，岩体松动，围岩变形较大。因此 OA段为围岩的松动区。

在AB段，围岩最大主应力小于围岩的屈服强度，岩体变形较小，以 弹性变形为主，但围岩中最大主应力仍远大于隧道开挖之前的初始地应力， 因此AB段是围岩应力的集中区，也是围岩荷载的主要承担区。因此AB段 为扰动区。

B点以外的区域，由于隧道对围岩的扰动已经非常小，可忽略不计， 因此为未扰动区。

当围岩为均匀各向同性介质，且初始地应力的侧压力系数为1时，则 围岩的松动区和扰动区的分布为圆形。如图4示出的隧道围岩的横剖面图； 图5示出了隧道围岩的纵剖面图。

下面对近接隧道对高速铁路路基的风险评估方法进行详细阐述。包括如下 流程：

S101：当需要在高速铁路路基附近开挖近接隧道时，首先需要利用数值计 算软件计算出近接隧道的松动区和扰动区。

根据弹塑性力学理论可知，圆形洞室塑性松动区的分布半径R₁与围岩的初 始应力σ₀，围岩本身的物理力学性质（C_m，φ_m），支护结构提供的支护力p_i， 以及隧道的开挖半径R₀有关。

圆形洞室λ=1时塑性松动区的分布半径R₁为

$R_1=R_0{\left[(1-{\sin \phi }_m)\frac{{\sigma }_0+c_m\cot {\phi }_m}{p_i+c_m\cot {\phi }_m}\right]}^{\frac{1-\sin {\phi }_m}{2\sin {\phi }_m}}$  （公式1）

由公式1可知，隧道半径愈大，围岩愈差；初始应力愈大，塑性松动区域 也愈大。

对于完整坚硬的围岩，当隧道周边不形成塑性松动区时，则根据弹性力学 理论可得到圆形隧道λ=1时的应力分布为

$\left(\begin{array}{c}{\sigma }_r={\sigma }_0(1-\frac{R_0^2}{r^2})\\ {\sigma }_{\theta }={\sigma }_0(1+\frac{R_0^2}{r^2})\\ {\tau }_{\mathrm{r\theta }}=0\end{array}\right)$  （公式2）

其中，r为围岩距离隧道洞壁的距离，σ_r为围岩最大主应力，σ_θ为围 岩最小主应力，σ₀为围岩初始主应力，τ_rθ为剪切应力。

计算出围岩最大主应力后计算围岩的塑性屈服强度，由于围岩塑性屈服强 度的计算方法为本技术领域的公知技术，此处不再赘述。

根据计算出的围岩最大主应力和围岩的塑性屈服强度确定欲开挖隧道的 松动区和扰动区。

根据扰动区的划分标准，扰动区最大主应力与初始应力的差值大于初 始应力的5%，即

(σ_θ-σ₀)>0.05σ₀  （公式3）

将公式2带入公式3，得

$r<\sqrt{20}·R_0\approx 4.5R_0$  （公式4）

由公式4可知，对于坚硬完整的岩石，当隧道开挖不引起围岩产生塑 性破坏时，其扰动区的范围约为隧道半径的4.5倍，也就是说，在隧道半径 4.5倍以内的扰动区域，隧道开挖引起的应力调整量（最大主应力与初始应 力之差）大于初始应力的5%，而在4.5倍以外的未扰动区域，其应力调整 量小于初始应力的5%。

而对于软弱破碎的岩石，隧道开挖引起的二次应力超过了围岩强度屈 服极限洞壁围岩就由弹性状态转化为塑性状态，并在围岩中形成塑性松动 区。最大主应力的峰值将从洞壁转移至弹、塑性的分界处，即塑性松动区 的边界处。同时，扰动区的范围也将随之进一步夸大，将远大于4.5倍洞径 的范围。

本发明中数值计算软件可采用FLAC3D、Ansys或Adina。

S102：计算高速铁路路基所在处高速铁路路基和列车荷载引起的附加应力 和土层的自重应力，以确定出高速铁路路基的主承载区、次承载区和无承载区。

其中，土层的自重应力σ_cz通过下述公式计算：

σ_cz=γz  （公式5）

式中γ为土的容重，z为计算点的埋深。

路基荷载产生的附加应力的计算方法具体为：

首先计算土层中一点的附件应力。如图6中所示的M点，其附加应力受荷 载的大小（P）及其空间位置关系（x、y、z）的影响。根据法国J.布辛奈斯 克(Boussinesq,1885)运用弹性理论推出的在弹性半无限空间表面上作用一个 竖向集中力的理论，可知半空间内任意点M(x、y、z)处的三个应力分量分别 为：

${\sigma }_x=\frac{3P_0}{2\pi }\frac{x^{2}z}{R^5},{\sigma }_y=\frac{3P_0}{2\pi }\frac{y^{2}z}{R^5},{\sigma }_z=\frac{3P_0}{2\pi }\frac{z^3}{R^5}$  （公式6）

根据集中荷载附加应力的计算公式，采用积分计算出路基荷载引起的附加 应力σ_z

${\sigma }_z=\frac{2}{\pi }{\int }_{-b/2}^{b/2}\frac{f\left(\xi \right)z^3}{{[{(x-\xi )}^2+z^2]}^2}\mathrm{d\xi }$  （公式7）

由于高速铁路路基为条形荷载，因此公式3中的f(ξ)为条形基础荷载在宽 度方向上的分布规律。假设路基和列车荷载引起的附加压力沿宽度均匀分布， 且其值为p，则

f(ξ)=p  （公式8）

将式（公式8）带入（公式7）式，积分可得土层中任意一点M处的附加 应力为

${\sigma }_z=\frac{p}{\pi }[(\arctan \frac{1-2n}{2m}+\arctan \frac{1+2n}{2m})-\frac{4m({4n}^2-{4m}^2-1)}{{({4n}^2+{4m}^2-1)}^2+{16m}^2}]$  （公式9）

其中，公式3、公式4和公式5中的b为路基底面宽度，z为 M点的埋深，x为M点距离路基中心点的水平距离，如图7所示。

令

${\sigma }_z=a_z·p=f(\frac{x}{b},\frac{z}{b})·p$  （公式10）

则M点的附加应力系数a_z为

$a_z=f(\frac{x}{b},\frac{z}{b})=\frac{1}{\pi }[(\arctan \frac{1-2n}{2m}+\arctan \frac{1+2n}{2m})-\frac{4m({4n}^2-{4m}^2-1)}{{({4n}^2+{4m}^2-1)}^2+{16m}^2}]$  （公式11）

则根据承载分区的标准，对于主承载区，其附加应力满足

σ_z>σ_cz  （公式12）

将式（公式5）和（公式6）带入式（公式12）中，得

$f(\frac{x}{b},\frac{z}{b})·p>\mathrm{\gamma z}$  （公式13）

当地基土层中某点（x，z）满足不等式（公式13）时，则该点属于主承 载区。

同理次承载区满足

$0.05\mathrm{\gamma z}<f(\frac{x}{b},\frac{z}{b})·p<\mathrm{\gamma z}$  （公式14）

当地基土层中某点（x，z）满足不等式（公式14）时，则该点属于次承 载区。

无承载区满足

$f(\frac{x}{b},\frac{z}{b})·p<0.05\mathrm{\gamma z}$  （公式15）

当地基土层中某点（x，z）满足不等式（公式15）时，则该点属于无承 载区。

S103：根据计算出的欲开挖的近接隧道的围岩的不同扰动分区和计算出的 高速铁路路基的不同承载区的重合程度制定近接隧道对高速铁路路基产生的 工程风险等级。

本发明中，将近接隧道施工对高速铁路路基的工程风险分为五个等级。具 体为：

（1）当近接隧道的松动区和扰动区均位于高速铁路路基的无承载区，如图 8a所示，此时风险等级定为Ⅴ级。

在此风险等级中，近接隧道的作业面距离高速铁路路基较远，近接隧道对 围岩应力的扰动不影响高速铁路路基的主承载区和次承载区的承载性能，对高 速铁路路基的受力和变形均无影响，无需采取特别的工程措施。

（2）当近接隧道的扰动区进入高速铁路路基的次承载区，如图8b所示， 此时风险等级定为Ⅳ级。

在此风险等级中，近接隧道对围岩应力的扰动将对高速铁路路基的次承载 区的承载性能产生一定影响，高速铁路路基将发生细微的变形，此时存在工程 风险，需进行高速铁路路基变形监测，并采取预防性的工程对策。

（3）当近接隧道的扰动区进入高速铁路路基的主承载区，如图8c所示， 此时风险等级定为Ⅲ级。

在此风险等级中，近接隧道对围岩应力的扰动对高速铁路路基的主承载区 和次承载区的承载性均产生影响。高速铁路路基将发生较小的变形，此时工程 的风险增大，需对高速铁路路基主承载区和次承载区范围内的土层进行加固处 理，减小近接隧道扰动对高速铁路路基变形的影响。

（4）当近接隧道的松动区进入高速高速铁路路基的次承载区，如图8d所 示，此时风险等级定为Ⅱ级。

在此风险等级中，近接隧道对围岩变形的扰动将对高速铁路路基主承载区 和次承载区的承载性能产生较大的影响。高速铁路路基会发生较大的变形，工 程风险显著增大。需对高速铁路路基的主承载区和次承载区范围内的土层进行 加固处理，减小隧道扰动对路基变形的影响；同时近接隧道也需采取相应的工 程措施，控制隧道松动区围岩的松弛程度和松弛范围。

（5）当近接隧道的松动区进入高速铁路路基的主承载区，如图8e所示， 此时的风险等级定为Ⅰ级。

在此风险等级中，近接隧道对围岩变形的扰动将对路基主承载区和次承载 区的承载性能产生显著的影响。高速铁路路基会发生较大变形，工程风险最大。 需对高速铁路路基主承载区和次承载区范围内的土层进行加固处理，减小 隧道扰动对路基变形的影响；同时隧道内需采用相应的工程措施，控制隧 道松动区围岩的松弛程度和松弛范围。此外，高速铁路列车需根据路基变 形的监测结果限速运行，如变形过大，则需暂停运行，直至变形恢复至控 制标准以内。

根据本发明的另一方面，还提供了一种近接隧道对高速铁路路基的风 险评估装置，具体包括：

松动扰动区确定模块，用于确定欲开挖的近接隧道的松动区和扰动区；

承载区确定模块，用于根据高速铁路路基所在处地面荷载引起的附加 压力和土层的自重应力，确定所述高速铁路路基的各级承载区；

风险评估模块，用于根据计算出的所述近接隧道的松动区和所述高速 铁路路基的各级承载区，以及所述近接隧道的扰动区和所述高速铁路路基 的各级承载区的重合程度评估所述近接隧道对高速铁路路基产生的工程风 险等级。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。