地铁隧道施工诱发地表沉降三维预测理论及系统研发应用

论文摘要

进行地铁隧道工程施工时,由于不可避免的地层损失及施工导致的地层扰动,常常会诱发地铁隧道周围的岩土体产生移动和变形。过大的差异沉降,是造成建（构）筑倾斜及开裂的根本原因。如何对沉降进行科学合理的预测并进行有效的控制,是城市地下工程中重点关注的问题,对保证城市地下工程的安全施工和人民的生命财产安全具有重要意义。本文以北京地铁7号线豆各庄站～黑庄户站区间、黑庄户站～万盛南街西口站区间、万盛南街西口站～云景东路站区间盾构隧道,8号线大红门桥站～和义站区间、天桥站-永定门外站区间盾构隧道及6号线廖公庄站PBA法车站等6个地铁工程的建设为背景,对地表沉降预测的理论及其工程应用进行了深入研究。研究中考虑了不均匀的隧道收敛变形,考虑了地表变形的时间效应,并结合贝叶斯动态预测理论,研发了一套基于Browser/Server架构的沉降监测及智能预测的集成化系统。主要工作和研究成果如下:1.基于隧道不均匀变形的地表沉降预测理论研究（1）基于对地表沉降计算中所采用的不同隧道变形模式的研究,提出了一个3种变形模式叠加的不均匀收敛隧道变形模式,将其引入随机介质理论,推导了基于隧道不均匀收敛变形的地表沉降随机介质理论预测模型。（2）分别研究了相对收敛、相对椭圆化和相对下沉对沉降槽曲线的影响。由于椭圆化和均匀下沉的影响,最终得到的隧道不均匀收敛变形的沉降槽比只考虑均匀收敛变形时的沉降槽要窄而深。（3）以北京地铁8号线大红门桥站～和义站区间隧道工程为背景,对随机介质理论的主要参数进行了反分析计算,采用本文的3种变形叠加的变形模式比仅考虑一种或2种变形叠加的变形模式的预测精度高。通过对区间典型断面沉降监测数据的反分析,得到了各参数的经验取值。2.考虑时间效应的三维沉降预测模型研究（1）提出了一种基于正态分布累计函数曲线的沉降-时间模型,以北京地铁7号线豆各庄站～黑庄户站区间工程为背景,进行了工程实例研究,验证了本模型的科学性和合理性。（2）采用本文的沉降-时间模型,建立了考虑时间效应的地表三维沉降预测模型,该模型可基于部分监测数据实现对沉降的空间分布及随时间变化的预测。（3）提出了考虑时间效应的三维倾斜及曲率的计算方法,可实现对地表差异沉降及地表沉降曲面形态随时间变化的动态评估,为地铁安全施工提供研究依据。3.基于改进贝叶斯动态模型的概率法沉降预测研究（1）提出了采用贝叶斯动态预测理论进行地表沉降预测的方法,以北京地铁7号线黑庄户站～万盛南街西口站区间工程为背景,进行了工程实例验证,证明了贝叶斯动态预测理论应用于地铁隧道施工诱发地表沉降预测的可行性。（2）采用贝叶斯动态预测理论时,可以根据监测数据对预测结果进行动态修正,从而实现沉降的动态实时预测。（3）提出了采用观测数据进行误差方差动态修正的方法,对常均值折扣贝叶斯模型进行了修正,修正后的预测结果与实际监测数据更为接近,预测精度更高。4.基于Browser/Server架构的沉降监测及智能预测系统研发与应用（1）提出了采用考虑不均匀收敛变形的二维沉降预测模型进行地表沉降的初步预测,采用考虑时间效应的三维沉降预测模型进行地表沉降的动态预测及分析,采用改进的贝叶斯动态预测模型进行地表沉降预测的动态实时修正的沉降预测方法。（2）基于本文中对沉降预测理论的研究,采用C#/JavaScript/HTML/Python编程语言,研发了一套基于Browser/Server架构的沉降实时监测及智能预测的集成化系统（简称STEAD-Web系统）。（3）将STEAD-Web应用于北京地铁7号线万盛南街西口站～云景东路站区间和8号线天桥站-永定门外站区间盾构隧道工程及北京地铁6号线廖公庄站PBA法车站工程中,现场应用效果良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
•   1.1 研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 经验公式法沉降预测
•     1.2.2 弹塑性解析法沉降预测
•     1.2.3 随机介质理论法沉降预测
•     1.2.4 数值模拟法沉降预测
•     1.2.5 其它沉降预测方法
•     1.2.6 沉降预测专家系统
•   1.3 论文研究内容
•     1.3.1 基于隧道不均匀变形的地表沉降预测理论研究
•     1.3.2 考虑时间效应的三维沉降预测模型研究
•     1.3.3 基于改进贝叶斯动态模型的概率法沉降预测研究
•     1.3.4 基于Browser/Server架构的沉降监测及智能预测系统研发与应用
•   1.4 论文技术路线
•   1.5 本章小结
• 2 基于隧道不均匀变形的地表沉降预测理论研究
•   2.1 引言
•   2.2 隧道收敛变形模式研究
•     2.2.1 经典隧道变形模式
•     2.2.2 参数化的不均匀收敛变形模式
•     2.2.3 均匀收敛模式
•     2.2.4 椭圆化模式
•     2.2.5 均匀下沉模式
•   2.3 基于隧道不均匀收敛变形的沉降预测模型研究
•     2.3.1 用绝对变形参数表示的沉降预测模型
•     2.3.2 相对变形参数表示的沉降预测模型
•   2.4 不均匀变形参数对沉降槽的影响研究
•     2.4.1 相对收敛对沉降槽的影响
•     2.4.2 相对椭圆化对沉降槽的影响
•     2.4.3 相对下沉对沉降槽的影响
•     2.4.4 隧道变形模式的叠加
•   2.5 基于粒子群优化算法的地表沉降反分析预测理论研究
•   2.6 北京地铁8号线大红门桥站～和义站区间工程实例研究
•     2.6.1 大红门桥站～和义站区间工程概况
•     2.6.2 不均匀收敛变形反分析预测研究
•   2.7 本章小结
• 3 考虑时间效应的三维沉降预测模型研究
•   3.1 引言
•   3.2 考虑时间效应的基本假定
•   3.3 考虑时间效应的三维沉降预测模型
•     3.3.1 考虑时间效应的单元开挖地表三维沉降模型研究
•     3.3.2 考虑时间效应的单隧道开挖引起的三维沉降研究
•     3.3.3 考虑时间效应的双隧道开挖引起的三维沉降研究
•   3.4 考虑时间效应的三维倾斜与三维曲率计算方法研究
•   3.5 同时考虑隧道不均匀收敛及沉降时间效应的三维沉降预测研究
•   3.6 北京地铁7号线豆各庄站～黑庄户站区间工程实例研究
•     3.6.1 工程概况
•     3.6.2 时间效应函数的标定
•     3.6.3 三维沉降研究
•     3.6.4 三维倾斜研究
•     3.6.5 三维曲率研究
•   3.7 本章小结
• 4 基于改进贝叶斯动态模型的概率法沉降预测研究
•   4.1 引言
•   4.2 贝叶斯动态预测理论
•   4.3 基于贝叶斯动态预测理论的盾构隧道地表沉降动态预测研究
•     4.3.1 基于贝叶斯动态预测理论的地表沉降动态预测模型的建立
•     4.3.2 贝叶斯动态预测模型的基本求解方法
•     4.3.3 贝叶斯动态预测模型的改进研究
•   4.4 北京地铁7号线黑庄户站～万盛南街西口站区间工程实例研究
•     4.4.1 工程概况
•     4.4.2 预测结果对比
•   4.5 本章小结
• 5 基于Browser/Server架构的沉降监测及智能预测系统研发与应用
•   5.1 STEAD-Web系统概述
•   5.2 STEAD-Web系统研发
•     5.2.1 系统结构
•     5.2.2 数据库模型
•     5.2.3 主要功能
•     5.2.4 技术特点
•   5.3 STEAD-Web在北京地铁建设中的工程应用研究
•     5.3.1 STEAD-Web在7号线万～云区间工程中的应用研究
•     5.3.2 STEAD-Web在8号线天-永区间工程中的应用研究
•     5.3.3 STEAD-Web在6号线廖公庄站工程中的应用研究
•   5.4 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 研究结论
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨伟红

导师: 刘波

关键词: 地铁隧道,沉降预测,随机介质理论,不均匀收敛,时间效应

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,铁路运输,建筑科学与工程

单位: 中国矿业大学(北京)

基金: 中央在京高校重大成果转化项目—《北京地铁隧道盾构施工与地面变形联合实时监控设备与系统开发》(项目编号:ZDZH20141141301),“十三五”国家重点研发计划重点专项子课题—《临近和穿越施工时地铁既有线路安全监测预警技术》(项目编号:2016YFC080250504)

分类号: TU433;U231.3

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000117

总页数: 153

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