一种地下施工对地面建筑结构影响的检测方法

摘要

本发明属于地质预测技术领域，涉及一种地下施工对地面建筑结构影响的检测方法，先对地表沉降值和混凝土结构爆破振动进行监测，再利用随机介质理论反分析的方法确定地表移动参数，采用基于种群层次的自适应遗传算法，利用Matlab编制的反分析计算程序进行地表移动参数反分析；然后根据得到的地表移动参数，通过随机介质理论计算地表沉降值；现场检测混凝土结构和构件尺寸后建立混凝土结构有限元模型，再对沉降和爆破振动作用下地面建筑混凝土结构应力计算，最后进行应力提取与地面建筑结构损伤定量预测；其设计工艺原理科学可靠，数据采集简单准确，计算分析可靠性好，精确度高，预测结果准确，安全性好，环境友好。

说明书

技术领域：

本发明属于地质预测技术领域，涉及一种地铁隧道开挖等地下施 工影响地面混凝土结构损伤的定量检测方法，特别是一种地下施工对 地面建筑结构影响的检测方法，通过现场检测、计算分析、程序实现 和数值模拟的手段，定量预测地铁隧道钻爆法开挖影响地面建筑混凝 土结构的损伤状态。

背景技术：

目前，在地铁隧道钻爆法开挖影响的混凝土结构损伤定量预测方 面，市场上还没有公开而有效的检测方法。在隧道开挖引起的地表沉 降对建筑物的影响方面，易晓明和张顶立等结合厦门机场路隧道下穿 建筑群的工程实践，分别采用W-W破坏准则、屈服接近度模型和 Mazars损伤模型，对地表房屋变形开裂进行定量的计算与评估，计算 结果表明，屈服接近度模型实质为广义的塑性区，其结果为定量的房 屋开裂安全度分布；Mazars损伤模型为典型的拉损伤模型，根据其损 伤变量的大小，可以对应地评估房屋开裂程度，同时，分别基于屈服 接近度模型和Mazars损伤模型，对隧道下穿过程进行数值模拟，二者 结果均较好地反映了房屋变形开裂过程与施工过程的非线性相关性， 由此实现对房屋变形开裂全过程的量化评估与控制；研究结果显示， 开裂过程的计算评估结果与现场房屋裂缝、变形实测结果一致性良 好，但是该方法主要是针对砌体结构，所用的破坏准则也是选用适于 砌体结构的破坏准则，无法准确预测混凝土结构的损伤开裂情况；另 外，阳军生应用随机介质理论，对隧道开挖引起的地表沉降、地表水 平变形和地表倾斜等进行了深入分析，在此基础上，通过总结国内外 建筑物的保护等级和允许变形值，对隧道开挖引起地层变形对建筑物 的影响进行了详细的分析，最终总结了隧道施工对建筑物影响评价方 法，但该方法只是对隧道上方建筑物进行笼统的评价，并不限于对特 定的单一结构的评价，而这种单一结构常常要根据具体情况进行单独 分析，同时，其破坏的评判标准也仅适用于普通的砌体结构，其余的 研究也都仅限于定性的评价隧道开挖引起的地表变形对建筑物的影 响；在爆破振动引起的建筑物损伤方面，张宇旭等针对爆破地震波作 用下建筑结构的安全评估问题，提出了利用弹塑性时程分析方法全面 评估爆破地震波的安全度，通过合理选择框架砌体结构的计算模型和 数值计算方法，对在爆破地震波作用下的5层底层框架砌体结构进行 了弹塑性时程算例分析，得到了框架结构的应力、弯矩及位移等，但 是无法定量的分析该特定爆破地震波对建筑物产生的损伤情况；谭文 辉等以某露天矿境界边坡近坡肩的1栋3层框架结构建筑为研究对象， 通过现场爆破震动实测，数值模拟和理论分析，建立了频繁爆破震动 作用下钢筋混凝土构件和整体结构的疲劳损伤模型，研究了频繁爆破 震动作用下，结构位移、应力和刚度变化的规律，研究表明，频繁爆 破震动作用下，构件所产生的损伤要大于结构整体产生的损伤；框架 结构的最薄弱部位为结构顶层楼板以及结构底层边柱顶端，该研究可 以为露天矿山控制爆破和近矿建筑的结构设计提供参考，该方法通过 框架结构爆破震动作用后的模态改变（1阶或有限阶自振周期的改变） 来反映结构刚度的衰减，即结构的整体损伤，进而评判结构的损伤程 度，该种评判方法比较模糊，模态的改变并不能从定量上与结构的损 伤一一对应；其他研究如魏海霞等通过在爆破区建筑物内布点监测， 对现场实测数据进行定量和定性分析，并借助多分辨小波分析方法， 得出爆破地震波作用下建筑结构速度响应方面的一些特性；陈士海等 采用有限元时程分析讨论了不同爆破震动频率速度荷载作用下结构 的动态响应，指出结构抗震的安全标准在高频时以垂直荷载速度峰值 为准，在低频时以水平荷载速度峰值为准；以上所列的这些研究都是 通过研究爆破振动波特性的角度来分析建筑物的响应特性，无法定量 分析混凝土结构的损伤开裂情况。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种 地铁隧道开挖等地下施工影响地面建筑混凝土结构的检测方法，通过 现场检测、理论分析、程序实现和数值模拟等手段，定量预测地铁隧 道钻爆法开挖影响地面建筑混凝土结构的损伤开裂状况。

为了实现上述目的，本发明的具体工艺步骤为：

（1）、地表沉降值监测和混凝土结构爆破振动监测：地表沉降值 为混凝土结构所在位置附近的地下施工开挖处上方的地表沉降值， 地表沉降监测点布置为直线走向的不均匀设点，如图2所示，获得 的地表沉降数据为各个监测点的累计沉降值和各监测点到隧道中心 线的水平距离，地表沉降数据通过地下地铁隧道施工方获取或采 集；在开挖隧道上方安放爆破振动监测仪获取爆破振动监测数据，采 集振动峰值速度并绘制速度时程曲线；

（2）、地表移动参数反分析：利用随机介质理论反分析的方法 确定地表移动参数，根据步骤（1）获得的地表沉降数据计算地表沉 降预测所需的地表移动参数tanβ和△A_s，其中tanβ为开挖地层影响角 的正切值，由所开挖处的地层条件决定；△A_s为由隧道洞内收敛位移 换算得到的隧道断面均匀收缩，综合反映隧道的施工条件；根据随 机介质理论，隧道上覆地层的沉降为：

$S\left(x\right)=S_{\Omega }\left(x\right)-S_{\omega }\left(x\right)=\underset{\Omega -\omega }{\int \int }\frac{\tan \beta }{\eta }\exp [-\frac{\pi {\tan }^2\beta }{{\eta }^2}{(x-\xi )}^2]\mathrm{d\xi d\eta }---\left(1\right)$

隧道施工地表稳定后，实际量测点的地表沉降值为S_i为按随 机介质理论计算公式（1）计算得到的地表沉降值，定义目标函数F(x) 为

$F\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{(S_i^0-S_i)}^2---\left(2\right)$

式中：m为地表沉降测点数；x={tanβ,△A_s}；利用反分析法确定地表移 动参数，给定一组初始参数值x₀，应用最优化原理，得到一组参数 x={tanβ,△A_s}，使得目标函数满足要求，采用基于种群层次的自适应遗 传算法，利用Matlab编制的反分析计算程序，在反分析程序中输入地 表沉降值和隧道埋深和隧道半径计算得到地表移动参数，实现地表移 动参数反分析；

（3）、混凝土结构沉降值预测：根据步骤（2）得到的地表移动 参数，通过随机介质理论计算地表沉降值，将混凝土结构所在位置的 隧道埋深值输入后，通过地表沉降预测程序计算混凝土结构所在位置 的地表沉降值，该沉降值等同于混凝土结构在地下施工影响下的地表 沉降值；

（4）、混凝土结构现场检测：现场检测混凝土结构和构件尺寸， 包括结构总长度、总宽度、总高度、层高、柱尺寸、梁尺寸、配筋率 和混凝土强度等级，混凝土强度等级采用混凝土回弹仪检测，按照回 弹法检测混凝土抗压强度技术规程[JGJ T23-2001]进行检测，混凝土 结构和构件尺寸采用激光测距仪和卷尺检测；

（5）、建立混凝土结构有限元模型：根据步骤（4）对混凝土结 构现场检测得到的参数数据，借助已有的公开使用的ANSYS软件建 立混凝土结构的有限元模型；

（6）、沉降和爆破振动作用下地面建筑混凝土结构应力计算：根 据步骤（5）建立的有限元模型进行结构的应力计算，其中包括沉降 影响下的应力计算和爆破振动影响下的应力计算，地表沉降值为步骤 （3）得到的混凝土结构地表沉降值；爆破振动输入值为步骤（1）得 到的速度时程曲线经微分处理所得的加速度时程曲线；

（7）、应力提取与地面建筑结构损伤定量预测：通过步骤（6） 的混凝土结构应力计算，获得整个地面建筑结构在地表沉降和爆破振 动影响下的应力分布，通过ANSYS命令流提取地面建筑结构任意位 置的主应力，作为损伤定量预测的依据；提取地面建筑混凝土结构任 意位置的第一、第二及第三主应力后计算地表建筑混凝土结构任意位 置的开裂损伤，采用混凝土材料的破坏准则建立相应的屈服接近度模 型；常用的Ottosen破坏准则表达式为

$a\frac{J_2}{f_c^2}+\lambda \frac{\sqrt{J_2}}{f_c}+b\frac{I_1}{f_c}-1=0---\left(3\right)$

式中，f_c为混凝土材料的单轴抗压强度，根据关系

${\tau }_0{f}_c=\sqrt{{({\sigma }_1-{\sigma }_2)}^2+{({\sigma }_2-{\sigma }_3)}^2+{({\sigma }_3-{\sigma }_1)}^2}/3=\sqrt{{2J}_2/3}$及σ₀f_c=(σ₁+σ₂+σ₃)/3=I₁/3可将公 式(3)变为

${\sigma }_0-\frac{1}{3b}+\sqrt{\frac{1}{6}}\frac{\lambda }{b}{\tau }_0+\frac{a}{2b}{\tau }_0^2=0---\left(4\right)$

令根据屈服接近度函数的定义得Ottosen破坏准则的屈服接 近度函数为

$f({\sigma }_{\pi },{\tau }_{\pi })=\frac{-B-\sqrt{B^2-\frac{4C(H·A-{\sigma }_{\pi })}{H}}-\frac{2C·{\tau }_{\pi }}{H}}{-B-\sqrt{B^2-\frac{4C(H·A-{\sigma }_{\pi })}{H}}}---\left(5\right)$

式中，A=1/3b，C=-a/2b；屈服接近度广义的描述 为一点的现时状态与相对安全状态的参量的比，f∈[0,1]，同时屈服接 近度是一种开裂安全度定义，有分布、演化特征，其力学涵义明确， 用屈服接近度定义结构的开裂安全为：

该函数f(σ_π,τ_π)即为地下施工对地面建筑结构影响的定量检测结果， 从而实现定量检测。

本发明涉及的反分析计算程序为通过编制Matlab的M文件，实 现地表移动参数的反分析，在参数反分析计算中，采用自适应遗传算 法，优化算法的运算过程如下：先对优化参数x={tanβ,△A_s}进行编码后 进行初始化设置，确定种群规模N、交叉概率P_c、变异概率P_m和置终 止进化准则，随机生成N个个体作为初始种群置t←0，再对个 体评价，计算或估价中各个体的适应度，种群进化后终止检验， 如已满足终止准则，则输出中具有最大适应度的个体作为最 优解，终止计算；否则，置t←t+1并返回种群进化步骤；地表沉降预 测程序为编制Matlab的M文件，采用数值积分的方法实现公式(1) 所示的地表沉降的预测，数值积分采用勒让德－高斯（Legendre－ Gauss）法进行计算，编制的程序所需要输入的数据包括隧道截面形 状、隧道断面收敛类型、隧道埋深、隧道截面尺寸、收敛半径和影响 角，输出的结果为各点的地表沉降值；ANSYS软件为ANSYS12.1；过- 王准则为清华大学过镇海和王传志于1991年提出的一种混凝土破坏 准则；混凝土材料的破坏准则是指将混凝土的破坏包络曲面用数学函 数加以描述，作为判定混凝土是否达到破坏状态或极限强度的条件； Ottosen破坏准则是指模式规范CEB FIP MC90中采用的由Ottosen 在1977年提出的一种混凝土材料破坏准则；涉及的ANSYS命令流 为：

PATH,1,2,,200

PPATH,1,,0,3.6,0.4

PPATH,2,,38.1,3.6,0.4

PDEF,YL1,S,1

PDEF,YL2,S,2

PDEF,YL3,S,3

PRPATH,YL1,

PRPATH,YL2,

PRPATH,YL3。

本发明与现有技术相比，其设计工艺原理科学可靠，数据采集简 单准确，计算分析可靠性好，精确度高，预测结果准确，安全性好， 环境友好。

附图说明：

图1为本发明的工作流程结构原理示意框图。

图2为本发明涉及的沉降监测断面监测点布置原理示意图。

图3为本发明实施例测得的加速度时程曲线图，其中(a)水平切向 分量1.63cm/s；(b)水平切向分量2.66cm/s；(c)水平切向分量2.79cm/s。

图4为本发明实施例断面1反分析结果预测曲线与实测值。

图5为本发明实施例断面2、3、4和5的反分析结果预测曲线与实 测值。

图6为本发明实施例隧道断面不同施工阶段地表沉降预测曲线 图。

图7为本发明实施例建立的有限元模型示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例：

本实施例选用青岛市地铁一期工程（3号线）土建11标万年泉 路站～李村站区间全长1085.65m，区间隧道均采用钻爆法施工，穿 岩层段采用全断面开挖，靠近李村站穿砂层段采用台阶法开挖，断面 形式均为马蹄形，区间从万年泉路站出发，下穿7栋建筑物后到达李 村站；此实施例为区间下穿的7栋地面建筑物之一——万隆商厦，区 间隧道下穿万隆商厦建筑物里程：左K19+533.5～左K19+590.00，隧 道断面尺寸为6.35m×5.9m，围岩等级为Ⅵ级；穿越万隆商厦开挖前， 对富水砂层采用水泥-水玻璃双浆液进行超前注浆加固地层；开挖时， 超前小导管Φ42，长为3m，环纵间距为300×1000mm，型钢拱架纵 向间距为500mm，250mm厚喷射混凝土，单层钢筋网8150×150mm， 每榀型钢拱架8根Φ42、L=3.5米锁脚锚管，下半断面初喷混凝土 100mm；其具体工艺步骤为：

第一步：地表沉降值监测和混凝土结构爆破振动监测

⑴在隧道穿越地面建筑混凝土结构前获取的沉降监测数据如下 （X为各测点距隧道中心线的距离/m；Wi0为各测点的累计沉降值）：

断面1：X1=[-29.3,-24.07,-19.57,-11.52,-5.30,0,5,9.8,16,20,25,30]；

Wi01=[0.1,3.3,8.97,15.55,20.14,26.76,21.21,17.29,13.84,10.66,3.73, 0.09]*0.001；

断面2：X2=[-29.3,-25.07,-20.57,-15.52,-10.30,-5,0,5]；

Wi02=[0.02,4.3,9.97,12.55,15.14,22.76,28.21,25.29]*0.001；

断面3：X3=[-29.3,-25.07,-20.57,-15.52,-10.30,-5,0,5,8.9,16.2,19.8]；

Wi03=[0,3.3,7.97,14.55,14.14,20.76,24.21,21.29,13.14,8.97,7]*0.001；

断面4：X4=[-28,-16.52,-9.30,-6.3,0,5,12,15.6,2127]；

Wi04=[0,9.7,18.6,22.4,29.1,25.0,17.4,16.4,8.9,0.1]*0.001；

断面5：X5=[-10,-5,0,5.3,9.8,16,21,25,29.7]；

Wi05=[13.8,20.6,22.7,18.3,17.1,6.5,6.4,4.8,0.2]*0.001；

⑵在隧道穿越地面建筑混凝土结构前，布置14个监测点在开挖 隧道上方，安装速度传感器进行监测，爆破振动监测结果如表1所示， 选定9、13和14三个监测点的监测数据，根据这两点的切向速度时 程曲线经微分处理得到其加速度时程曲线如图3所示；

表1：爆破振动监测结果

第二步：地表移动参数反分析

将第一步中5个断面的地表沉降监测数据代入反分析计算程序， 进行地表移动参数反分析，反分析结果见表2，断面1利用反分析参数 进行断面地表沉降的预测结果、地表沉降实测值以及各测点的在反分 析过程中的计算值见图4；

表2：地表沉降反分析参数

从图4中可以看出，利用反分析的参数进行地表沉降预测与沉降实 测值吻合较好，反分析的S_i计算结果与沉降预测的结果基本相同，其 余各断面的沉降预测曲线和实测值见图5；

第三步：混凝土结构沉降值预测

为了进一步分析隧道穿越地面建筑混凝土结构时结构开裂损伤 及演化过程，利用上述5个断面的反分析参数平均值对该地面建筑混 凝土结构下方地表沉降结果进行预测，结果见图6，其中H=13.4m， L=17.0m；

第四步：混凝土结构现场检测

通过现场检测，获取该地面建筑混凝土结构的如下参数：框架结 构层高4.2m，共9层；构件尺寸为柱截面600×600mm，梁截面 200×400mm；混凝土材料为梁、柱均采用C35，泊松比δ₁=0.2，密 度ρ=2700Kg/m³；构件所用钢筋型号均为HRB335，对称配筋，柱配筋 率为1.1%，梁配筋率为0.4%；

第五步：建立混凝土结构有限元模型

借助ANSYS软件，选取建筑物的一榀框架建立有限元模型，如图 7所示；

第六步：沉降和爆破振动作用下地面建筑混凝土结构应力计算

在第五步建立的有限元模型中输入第二步得到的地表沉降值和 第一步得到的加速度时程曲线进行求解；

第七步：应力提取与地面建筑混凝土结构损伤定量预测

通过ANSYS命令流便得到地面建筑混凝土结构任意位置的第一、 第二和第三主应力；在地面建筑结构的开裂损伤计算中，选取Ottosen 准则和过-王准则两种破坏准则分别进行计算，在Ottosen准则中，

该准则中的四个参数分别取值为：a=1.2759、b=3.1962、k₁=11.7365、 k₂=0.9801；

在过-王准则中，

c=c_t(cos1.5θ)^1.5+c_c(sin1.5θ)²  (8)

该准则中五个参数分别取值为a=6.9638、b=0.09、d=0.9297、c_t=12.2445、 c_c=7.3319；根据沉降预测结果，将左线开挖完成后的沉降值作为边界 条件施加于上述有限元模型，Ottosen准则的预测结果显示一层框架 梁有5处进入开裂或接近开裂状态；过-王准则的预测显示有11处进 入开裂或接近开裂状态；Ottosen准则的预测结果显示顶层框架梁有7 处进入开裂或接近开裂状态，过-王准则的预测显示有10处进入开裂 或接近开裂状态，利用本方法进行地面建筑混凝土结构任意位置屈服 接近度的计算，定量预测其地下施工对地面建筑结构的损伤开裂情 况，实现地下施工对地面建筑结构影响检测。