砂卵石地层盾构施工参数控制对地表沉降影响的分析方法

摘要

本发明属于建筑技术领域，公开了一种砂卵石地层盾构施工参数控制对地表沉降影响的分析方法，合理设置掘进参数可以有效控制地层损失，进而减小地面沉降。砂卵石地层盾构施工参数控制对地表沉降影响的分析方法包括：通过灰色关联理论基于对控制参数的实测数据进行分析，对富水砂卵石地层盾构施工过程中的地表沉降进行影响因素敏感性分析，确定影响地表沉降的主要盾构施工参数，采用的灰色关联分析模型客观、准确的反映了富水砂卵石地层盾构施工参数控制与地面沉降之间的关系。本发明揭示影响地表沉降的主要盾构施工参数，为地铁工程盾构施工参数控制和地表沉降控制提供重要依据和参考。

说明书

技术领域

本发明属于建筑技术领域，尤其涉及一种砂卵石地层盾构施工参数控制对地表沉降影响的分析方法。

背景技术

目前，砂卵石地层的渗透性通常较高，结构比较松散，且粘聚力极低，其整体稳定性一般较差，盾构掘进过程中势必会改变开挖面附近地层的应力状态，引起地层损失，严重时将导致较大的地面沉陷和建筑物破坏，给盾构施工造成极大的难度。因此，需要根据地质条件结合周边环境，严格控制盾构施工参数，以保证地表沉降在安全范围之内。

国内外学者针对此问题开展了大量研究。现有技术1根据正态分布概率密度函数提出了横断面地表沉降数学表达式；现有技术2推导出砂土工作面稳定性的上下限解；现有技术3通过离心试验分析了均质砂土中开挖面埋深与破坏形式之间的关系；现有技术4运用位移反析法获取了等代层参数，并分析了地表变形对等代层参数的敏感性；现有技术5建立了土压平衡盾构掘进数理模型，推导出总推力、土仓压力、螺旋机转速和掘进速度间的数学表达式；现有技术6基于敏感性分析原理分析了盾构施工引起地表沉降对各因素的敏感性；现有技术7采用FLAC3D分析了成都地铁盾构隧道施工对周边环境的影响；现有技术8以北京地铁为例分析了盾构施工中各因素对地表沉降的影响；现有技术9通过PFC

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术没有针对富水砂卵石地层盾构施工参数对地表沉降敏感性的研究以及参数控制范围。

解决以上问题及缺陷的难度为：

砂卵石扰动机理以及地层扰动形式确定和最优分析方法的选取。

地表沉降数据的准确获取以及地表沉降影响因素的确定，地表影响因素子序列以及母序列的建立。

极差变化方法对数据的处理过程和差异序列矩阵的获取。

关联系列矩阵中各个因子的计算方法的确定。

地表沉降影响因素的关联度向量的确定和各影响因素对地表沉降敏感程度的确定以及对应公式的导出。

主要影响因素、次要影响因素、优势因素的确定以及富水砂卵石地层盾构施工参数控制与地面沉降之间关系的确定。

解决以上问题及缺陷的意义为：

确定穿越建筑物群和穿越地表水时地面沉降对盾构掘进控制参数的敏感性。

所得关联度可以客观、准确的反映地铁盾构区间所在区域施工期间地面沉降与各盾构施工控制参数之间的关系，从而为盾构施工参数控制与地面沉降控制提供理论参考。

通过确定盾构参数为实际的生产过程提供可参考的控制范围，可为地铁盾构施工过程中控制地面沉降提供经验与参考。

为计算机包括存储器和处理器以及计算机程序的执行提供一种实施方法。

提供一种储存有计算机程序的可读存储介质被处理器执行时的分析方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种砂卵石地层盾构施工参数控制对地表沉降影响的分析方法。

本发明是这样实现的，一种砂卵石地层盾构施工参数控制对地表沉降影响的分析方法，包括：分析地层扰动机理，明确地层扰动形式和确立最优的分析方法。

具体地，通过灰色关联理论基于对控制参数的实测数据进行分析，对富水砂卵石地层盾构施工过程中的地表沉降进行影响因素敏感性分析，确定影响地表沉降的主要盾构施工参数，确定富水砂卵石地层盾构施工参数控制与地面沉降之间的关系。

进一步，所述影响地表沉降的主要盾构施工参数按照敏感性由大到小依次为总推力、刀盘扭矩、同步注浆压力、螺旋机扭矩、刀盘转速、土仓压力、注浆量、推进速度和螺旋机转速。

进一步，所述砂卵石地层盾构施工参数控制对地表沉降影响的分析方法包括以下步骤：

步骤一，获取地表沉降监测数据，确定影响地表沉降的影响因素；基于确定的影响地表沉降的影响因素建立地表影响因素子序列以及母序列；

步骤二，采用极差变化方法对子序列以及母序列进行归一化处理，将处理后的母序列与子序列进行变换，得到差异序列矩阵；

步骤三，基于得到的差异序列矩阵中的最大值与最小值计算关联系数矩阵中的各个因子；

步骤四，通过关联度计算确定地表沉降影响因素的关联度向量G

步骤五，基于确定的地表沉降影响因素的关联度向量G

步骤六，基于矩阵的各关联度大小确定主要影响因素以及次要影响因素，并确定优势因素，进而确定富水砂卵石地层盾构施工参数控制与地面沉降之间的关系。

进一步，所述基于确定的影响地表沉降的影响因素建立地表影响因素子序列以及母序列包括：

将各影响因素组成参考序列矩阵X，所述参考序列矩阵X即为影响因素子序列；将各影响因素对应的地表沉降数据组成矩阵Y，所述矩阵Y即为母序列。

进一步，所述地表影响因素子序列X如下：

其中，m表示地表沉降监测数据个数，n表示影响因素个数。

进一步，所述母序列如下：

进一步，步骤三中，所述归一化处理公式如下：

进一步，步骤三中，所述母序列与子序列的变换公式如下：

Δ

进一步，所述关联系数矩阵中的各个因子的计算公式如下：

其中，a

进一步，步骤五中，所述地表沉降的敏感程度g

进一步，步骤六中，所述基于确定的地表沉降影响因素的关联度向量G

所述关联度矩阵矩阵为：R＝(g

其中，i表示参考序列的个数；j表示比较序列个数；g

进一步，步骤六中，所述基于矩阵的各关联度大小确定主要影响因素以及次要影响因素，并确定优势因素包括：

根据矩阵R中各关联度的大小确定主要影响因素以及次要影响因素来；主要影响因素即为优势因素，即：彐s，l∈{1，2，…，j}，满足g

本发明另一目的在于提供一种砂卵石地层盾构施工参数控制对地表沉降影响的分析系统，所述砂卵石地层盾构施工参数控制对地表沉降影响的分析系统实施所述分析方法。

本发明另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述分析方法。

本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述分析方法。

结合上述的所有技术方案，本发明地积极效果包括：

本发明通过灰色关联理论基于对控制参数的实测数据进行分析，对富水砂卵石地层盾构施工过程中的地表沉降进行影响因素敏感性分析，确定影响地表沉降的主要盾构施工参数，确定富水砂卵石地层盾构施工参数控制与地面沉降之间的关系。

所述影响地表沉降的主要盾构施工参数按照敏感性由大到小依次为总推力、刀盘扭矩、同步注浆压力、螺旋机扭矩、刀盘转速、土仓压力、注浆量、推进速度和螺旋机转速。

所得关联度可以客观、准确的反映本案例地铁盾构区间所在区域施工期间地面沉降与各盾构施工控制参数之间的关系，从而为该地区盾构施工参数控制与地面沉降控制提供理论参考。

以成都地铁17号线来凤路站—凤溪站区间为例盾构掘进参数值控制范围如下。

本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过灰色关联理论，对富水砂卵石地层盾构施工过程中的地表沉降进行影响因素敏感性分析，揭示影响地表沉降的主要盾构施工参数，为地铁工程盾构施工参数控制和地表沉降控制提供重要依据和参考。

对比的技术效果或者实验效果。包括：

当穿越建筑物群时，地面沉降对盾构掘进控制参数的敏感性由大到小依次为推进速度、注浆压力、螺旋机转速、土仓压力、刀盘转速、总推力、注浆量、刀盘扭矩和螺旋机扭矩；当穿越地表水体时，其敏感性由大到小依次为推进速度、注浆量、螺旋机转速、刀盘扭矩、同步注浆压力、总推力、螺旋机扭矩、土仓压力和刀盘转速。

以成都地铁17号线来凤路站—凤溪站区间为例与北京市砂卵石地层盾构施工参数控制范围进行比较盾构掘进参数值控制范围如下。

[1]苏斌,苏艺,江玉生.北京典型地层盾构适应性对比与施工关键技术[M].北京:人民交通出版社,2013.4.

通过对比可以得出结论，北京市与成都地区的砂卵石地层具有较大差异，其盾构施工控制参数也存在较大差距，不可直接照搬，否则将存在重大安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的砂卵石地层盾构施工参数控制对地表沉降影响的分析方法流程图。

图2是本发明实施例提供的开挖面地层损失机理图。

图2中：1、切削刀盘；2、盾构。

图3是本发明实施例提供的盾壳外周地层损失机理图。

图3中：3、管片；4、盾构钢壳；5、盾尾止水带；6、盾尾空隙；7、盾尾操作空间

图4是本发明实施例提供的盾构机刀盘结构图。

图4中：8、主切削刀；9、第一焊接型切削刀；10、液刀；11、第二焊接型切削刀；13、边缘刮刀；14、注水口；15、耐磨板；16、添加剂注入口保护刀；17、液压式磨损检测刀；18、超控液刀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种砂卵石地层盾构施工参数控制对地表沉降影响的分析方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的砂卵石地层盾构施工参数控制对地表沉降影响的分析方法包括：

通过灰色关联理论基于对控制参数的实测数据进行分析，对富水砂卵石地层盾构施工过程中的地表沉降进行影响因素敏感性分析，确定影响地表沉降的主要盾构施工参数，确定富水砂卵石地层盾构施工参数控制与地面沉降之间的关系。

本发明实施例提供的影响地表沉降的主要盾构施工参数按照敏感性由大到小依次为总推力、刀盘扭矩、同步注浆压力、螺旋机扭矩、刀盘转速、土仓压力、注浆量、推进速度和螺旋机转速。

如图1所示，本发明实施例提供的砂卵石地层盾构施工参数控制对地表沉降影响的分析方法包括以下步骤：

S101，获取地表沉降监测数据，确定影响地表沉降的影响因素；基于确定的影响地表沉降的影响因素建立地表影响因素子序列以及母序列；

S102，采用极差变化方法对子序列以及母序列进行归一化处理，将处理后的母序列与子序列进行变换，得到差异序列矩阵；

S103，基于得到的差异序列矩阵中的最大值与最小值计算关联系数矩阵中的各个因子；

S104，通过关联度计算确定地表沉降影响因素的关联度向量G

S105，基于确定的地表沉降影响因素的关联度向量G

S106，基于矩阵的各关联度大小确定主要影响因素以及次要影响因素，并确定优势因素，进而确定富水砂卵石地层盾构施工参数控制与地面沉降之间的关系。

本发明实施例提供的基于确定的影响地表沉降的影响因素建立地表影响因素子序列以及母序列包括：

将各影响因素组成参考序列矩阵X，所述参考序列矩阵X即为影响因素子序列；将各影响因素对应的地表沉降数据组成矩阵Y，所述矩阵Y即为母序列。

本发明实施例提供的地表影响因素子序列X如下：

其中，m表示地表沉降监测数据个数，n表示影响因素个数。

本发明实施例提供的母序列如下：

本发明实施例提供的归一化处理公式如下：

本发明实施例提供的母序列与子序列的变换公式如下：

Δ

本发明实施例提供的关联系数矩阵中的各个因子的计算公式如下：

其中，a

本发明实施例提供的地表沉降的敏感程度g

本发明实施例提供的基于确定的地表沉降影响因素的关联度向量G

所述关联度矩阵矩阵为：R＝(g

其中，i表示参考序列的个数；j表示比较序列个数；g

本发明实施例提供的基于矩阵的各关联度大小确定主要影响因素以及次要影响因素，并确定优势因素包括：

根据矩阵R中各关联度的大小确定主要影响因素以及次要影响因素来；主要影响因素即为优势因素，即：彐s，l∈{1，2，…，j}，满足g

下面结合具体实施例对本发明的技术效果作进一步描述。

实施例1：

1砂卵石地层扰动机理与影响因素

1.1砂卵石地层扰动机理

在砂卵石地层进行盾构施工时，由于盾构机的顶推、挤压以及盾壳与土体的剪切摩擦作用，地层的平衡状态受扰动而发生破坏，土体颗粒发生移动，地层的初始应力发生变化并重新分布，引起地层损失，其地层损失量V

式中：V

盾构掘进所引起的砂卵石地层损失通常为开挖面、盾构机外周和盾尾三部分的地层损失之和。开挖面处的地层损失源自于盾构掘进过程中，土体受盾顶推力挤压而向侧方产生移动，导致开挖面前方一定范围内的土体发生松动所致，如图2所示。图2中：1、切削刀盘；2、盾构。

砂卵石地层卵石含量高、强度大，因此，盾构机的刀盘、道具磨损往往比较严重，在换刀作业或前方遇到较大障碍物而停机时，亦会引起地层的损失。

盾壳机在掘进时与周围砂卵石将产生不同程度的摩擦剪切作用和挤压作用，盾壳外周会形成一定厚度的剪切扰动区域，在此范围内的土体将发生移动，引起地层损失，如图3所示。包括：3、管片；4、盾构钢壳；5、盾尾止水带；6、盾尾空隙；7、盾尾操作空间。

此外，盾构机掘进过程中因姿态调整而造成的盾构超挖、刀盘外径与盾壳外周之间的间隙等亦会引起砂卵石地层的损失。

盾尾处由于管片衬砌环与隧道开挖壁面存在一定空隙，由摩擦剪切作用而发生扰动的土体会向此空隙移动，引发深部土体扰动，造成地层损失。由于砂卵石地层孔隙大，渗透系数大，注浆时浆液极易发生窜流，无法保证对土体孔隙的有效填充，影响砂卵石地层隧道的后期稳定。

1.2地表沉降影响因素

砂卵石地层的地表沉降主要源自于盾构施工时引起的地层损失。由沉降机理可知，开挖面的应力状态、土体与盾壳的间隙、纠偏引起的超挖、盾尾注浆压力等影响因素都与盾构施工参数控制有关，主要包括土仓压力、掘进速度、盾构总推力、刀盘扭矩和转速、同步注浆压力和注浆量、盾构姿态偏移量等。由于砂卵石流塑性差，土仓内的工作压力并不一定如实际相符，进而影响开挖面稳定，严重时会诱发坍塌，引起地表沉降。而排渣时大颗粒卵石容易滞留土仓或向四周移动，影响盾构机位置与姿态控制，一旦发生堵塞，盾构机将无法推进，亦会影响开挖面稳定。此外，盾构隧道的埋深也是影响地表沉降的关键因素，它决定了隧道顶部是否能形成压力拱，进而控制土颗粒移动并减小扰动。

2灰色关联分析模型

2.1灰色关联分析原理

灰色关联分析方法是灰色系统理论的基本方法之一，是通过灰色关联度来分析和确定系统因素间的影响程度或因素对系统主行为的贡献测度的一种方法。其基本思路是根据系统统计序列曲线几何形状的相似程度的比较来分析系统中多因素间的关联程度，曲线的几何形状越接近，其关联度越大。

2.2灰色关联分析模型的建立

灰色关联分析模型的建立需要确定评价对象和评价指标的序列矩阵。其中，评价指标序列矩阵是由n个影响因素所对应的参考数列矩阵组成，而评价对象序列矩阵则由评价指标序列矩阵所对应的某一条件下被比较数列矩阵组成的。通过进行映射计算可得到评价对象与各评价指标的关联度，并最终确定各影响因素对评价对象的敏感程度。

以盾构区间施工监测为例，假设有m个地表沉降监测数据，有n个影响因素，则由影响因素组成的参考序列矩阵X即为影响因素子序列，矩阵X如下。

由各影响因素对应的地表沉降数据所组成的矩阵Y即为母序列，矩阵Y如下。

采用极差变化方法对数据进行归一化处理，如式2所示。将处理后的母序列与子序列进行变换，得到差异序列矩阵Δ，如式3所示。

Δ

取差异序列矩阵中的最大值Δ

式中：δ—分辨系数，一般取0.5。

关联度g用来衡量序列的相似程度，由关联系数矩阵可计算得到每个子序列对母序列的关联度，如式5所示。关联度越接近1，说明序列之间的影响越敏感。通过关联度计算可确定地表沉降影响因素的关联度向量G

2.3影响因素优势分析

实际工程中影响地表沉降的盾构施工参数通常较多，需要通过优势分析来对这些因素进行比较。假设有i个参考序列y

3工程案例分析

3.1工程概况

成都地铁17号线来凤路站—凤溪站区间隧道全长1603.2m，地层为大粒径、高强度、富水砂卵石，卵石最大含量超过75％、漂石粒径为20～60cm、卵石单轴抗压强度超过132MPa，卵石层密实程度极差，卵石土级配、含量不均匀系数较大，加之局部夹杂透镜状砂层，透水性极强，自稳能力非常差。区间范围内赋存有大量的孔隙水，其潜水水量、水位较稳定，地下水静止水位埋深约3.8～7.3m，地表水主要为凤溪河，该河流在国色天香至来凤路盾构区间近乎平行于线路分布，相距约2～7m，地层物理力学指标如表1所示。

盾构隧道结构顶板埋深9.57～20.14m，底板埋深17.57～28.1m，区间隧道纵坡坡度为10.063‰，最小平面曲线半径450m。隧道采用圆形预制钢筋混凝土管片结构，内径7.5m，外径8.3m，设计强度为C50，抗渗等级P12。盾构管片衬砌背后注浆采用同步注浆与二次补充注浆相结合的方式。盾构机刀盘如图4所示。包括：8、主切削刀；9、第一焊接型切削刀；10、液刀；11、第二焊接型切削刀；13、边缘刮刀；14、注水口；15、耐磨板；16、添加剂注入口保护刀；17、液压式磨损检测刀；18、超控液刀。

表1盾构隧道区间各土层主要参数

盾构隧道区间线路两侧建(构)筑物众多，西侧有凤溪河。隧道区间线路侧下穿凤溪河，且近距离侧穿建筑物群，盾构隧道顶距离房屋基础底最小竖向净距为7.92m，与凤溪河竖向净距为6.9m。

3.2地表沉降影响因素敏感性分析

由于本工程盾构隧道区间周边环境十分复杂，地质条件差，在进行盾构掘进过程中势必会引起地层损失，造成地面沉降。因此，对于盾构掘进参数的控制极为重要。本案例选择总推力、刀盘扭矩、刀盘转速、推进速度、螺旋机转速、螺旋机扭矩、注浆量、同步注浆压力和土仓压力9项盾构掘进参数作为地面沉降的影响因素，选取盾构施工前1公里共4个月的地面沉降监测数据与控制参数数据，并按每5天间隔选取数据进行分析计算，如表2所示。

采用灰色关联模型分析盾构掘进参数对地面沉降的影响程度。根据式(2)～式(4)所示，标准化矩阵X

表2盾构隧道区间盾构掘进参数及地面沉降监测数据

G

表3盾构掘进参数值控制范围

根据灰色关联度计算结果可知，盾构掘进控制参数对地表沉降敏感性的灰色关联序列为：x

由灰色关联度可知，在成都地区富水大粒径砂卵石地层中进行盾构隧道施工时，影响地面沉降最主要因素为盾构机的总推力。盾构机的推力是盾构向前掘进的动力装置，是反映盾构设备性能的关键性构件之一。盾构掘进过程中，应密切关注总推力值并及时调整各组油缸的推进压力，实现推进、纠偏与调向。如果推力过小，但推进速度很快，极有可能遇到了地层空洞；如果推力过大，但推进速度缓慢，有可能是由于刀盘结泥饼造成的；当推力足够大但无推进速度时，则有可能遇到了坚硬地层。这些情况都会对地面沉降产生较大影响，严重时将引发工程事故。因此，施工中应根据不同地层条件调整盾构机支撑环周围的千斤顶顶力，进而调整总推力是减小地面沉降保证盾构施工安全的重要因素之一。

刀盘扭矩是土压平衡盾构机安全顺利掘进的关键参数之一，是影响地面沉降的另一主要因素。由于成都地区地层富含大粒径卵石，刀具在施工过程中切削土体产生阻力，同时由于切削卵石难度比其他地层大，刀具极易磨损，因此，必须控制好刀盘扭矩，否则将影响盾构掘进效率，严重时会引发工程事故，造成地面沉降。

同步注浆是盾构推进后，其周围土体与管片之间空隙能够及时得以填充，确保地层不因过大损失而导致地面沉降的重要参数，尤其是在富水砂卵石地层，同步注浆控制更为重要。其中，注浆压力是同步注浆中最为重要的一项指标，需要根据盾尾密封抵抗水土压力的能力、土仓压力、注浆口位置的水土压力、管片承压能力和地面周边环境等因素来确定。在建筑物密集、地表变形要求严格区段，应适当增大同步注浆压力。

地面沉降对其它控制指标的敏感性相对总推力、刀盘扭矩和同步注浆压力较小，其中，一些参数是在总推力、刀盘扭矩和同步注浆压力确定后计算得到的。根据施工监测数据可以总结出本工程所在区域盾构掘进参数控制范围，并与北京市砂卵石地层盾构施工参数控制范围进行比较，如表3所示。可见，北京市与成都地区的砂卵石地层具有较大差异，其盾构施工控制参数也存在较大差距。

4下面结合结果对本发明的效果作进一步描述。

(1)控制地层损失是减小砂卵石地层地面沉降的最有效手段，而设置合理的盾构掘进参数是控制地层损失的主要途径。通过对成都地铁盾构隧道工程案例进行灰色关联分析可知，地面沉降对盾构掘进控制参数的敏感性由大到小依次为总推力、刀盘扭矩、同步注浆压力、螺旋机扭矩、刀盘转速、土仓压力、注浆量、推进速度和螺旋机转速。

(2)灰色关联分析是基于盾构施工过程中的实际监测数据与控制数据进行的统计分析，所得关联度可以客观、准确的反映本案例地铁盾构区间所在区域施工期间地面沉降与各盾构施工控制参数之间的关系，从而为该地区盾构施工参数控制与地面沉降控制提供理论参考。

(3)由案例分析可知，在成都富水砂卵石地层进行盾构隧道施工，影响地面沉降的主要盾构施工控制参数范围如下：总推力为20000～35000kN，刀盘扭矩为9000～13000kN﹒m，同步注浆压力为2～4bar，螺旋机扭矩直线段为25～50kN·m，曲线段为20～40kN·m，刀盘转速在直线段应控制在1.5～1.8rmp，曲线段应在1.4～1.6rmp。这些参数控制范围可为成都地区地铁盾构施工过程中控制地面沉降提供经验与参考。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。