一种浅埋大跨城市隧道扁平率确定方法

摘要

一种浅埋大跨城市隧道扁平率确定方法，该方法包括以下几个步骤：根据工程地质勘察结果将工程所在地层的地质条件分层概化；采用数值分析软件建立网格模型，模拟扁平率条件下隧道施工过程，求解地层与支护结构的力学响应。根据浅埋大跨城市隧道建设安全性、经济性和环境影响控制的要求，提出优化目标函数，并根据数值模拟结果。层次分析法的计算流程主要包括建立递阶层次结构模型、构造成对比较的判断矩阵、层次单排序及其一致性检验，以及层次综合排序及其一致性检验步骤。利用层次分析法，对不同扁平率下的参数影响因素进行分析，实现多参数间权重的比较计算，为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供了一种简便的评价方法。

主权项

一种浅埋大跨城市隧道扁平率确定方法，其特征在于：扁平率优化流程主要包括以下几个步骤；(1)计算模型建立与求解根据工程地质勘察结果将工程所在地层的地质条件分层概化；根据工程经验类比和规划设计建筑限界要求等确定备选断面扁平率；根据文献调研结合室内试验确定地层与支护的物理力学参数，为数值模拟奠定基础；采用数值分析软件建立网格模型，模拟扁平率条件下隧道施工过程，求解地层与支护结构的力学响应；(2)目标函数与计算结果提取根据浅埋大跨城市隧道建设安全性、经济性和环境影响控制的要求，提出包括隧道开挖面积、地表沉降、拱顶沉降、水平位移、支护拉应力、塑性区面积和破坏严重度在内的7项优化目标函数，并根据数值模拟结果，获得各扁平率条件下的目标函数值；(3)基于层次分析法的优化层次分析法的计算流程主要包括建立递阶层次结构模型、构造成对比较的判断矩阵、层次单排序及其一致性检验，以及层次综合排序及其一致性检验4个步骤；具体而言，所述数值模型建立与求解包括如下步骤，S1.1城区地质条件分层概化通过对城区地质情况的地质勘察，确定整个地区地层层序；S1.2计算工况与参数根据城市地下道路地质条件，结合提供的隧道断面形态以及隧道断面的开挖特点，设定扁平率的变化范围；设定地层均为理想弹塑性材料，且满足摩尔库仑屈服准则，确定两个水平方向的地层侧压力系数后采用物理力学参数取值；S1.3模型网格与施工过程针对城市地下道路分岔隧道大拱段，采用FLAC3D软件建立三维模型，根据圣维南原理和实际需要进行模型网格划分；所述目标函数与计算结果提取包括如下步骤，S2.1围岩破坏严重度的定义与计算1)破坏严重度的提出塑性区是判断地层稳定性的常用指标，但是仅仅采用塑性区判断地层稳定性具有较大的局限性，一方面无法给出塑性区内地层的破坏严重程度，另一方面无法评价非塑性区的近接屈服程度；为利用塑性区去评价地层的稳定性，考虑Mohr应力圆应力路径和圆心移动的影响，重新定义基于Mohr‑Coulomb准则的屈服接近度如式(1)～(4)所示；${\mathrm{YAI}}_S=1+\frac{({\mathrm{cos\theta }}_{\sigma }-{\mathrm{sin\theta }}_{\sigma }sin\phi /\sqrt{3})*\sqrt{J_2}}{\sin \phi ·I_1/3-C\cos \phi }---\left(1\right)$YAI_T＝(σ_T‑σ₁)/(σ_T‑σ_R)  (2)${\sigma }_R=\frac{{\sigma }_1(2-sin\phi )-2Ccos\phi }{2(1-\sin \phi )}---\left(3\right)$式中，σ₁,σ₃,σ_t对应于最大、最小主应力和抗拉强度；YAI_S，YAI_T分别为剪、拉屈服接近度；θ_σ为应力洛德角；C，为剪切强度、摩擦角；σ_T为抗拉强度；I₁，J₂为应力不变量；鉴于屈服接近度仅能评价非塑性区的应力状态接近屈服的程度，而不能评价塑性区内的破坏严重度，本方法在屈服接近度的基础上，结合岩土材料的破坏特征即剪应变准则，重定义破坏严重度(Failure Degree Index，简称FDI)，如式(5)所示；$FDI\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}1-YAI& 0<YAI\le 1\\ 1+\sqrt{\frac{\Delta \gamma \left(k\right)-{\mathrm{\Delta \gamma }}_{min}}{{\mathrm{\Delta \gamma }}_{min}}}& {\mathrm{YAI}}_S=0\\ 1+\sqrt{\frac{\Delta ϵ\left(k\right)-{\mathrm{\Delta ϵ}}_{\min }}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{min}}}& {\mathrm{YAI}}_T=0\end{array}\right.---\left(5\right)$式中：YAI是屈服接近度，对于弹性区0＜YAI≤1；对于塑性区YAI＝0，其中剪切屈服时，YAI_S＝0，Δγ(k)是塑性区内任意单元(k单元)的剪应变增量，Δγ_min是剪切塑性区内各单元剪应变增量中的最小值，该单元通常位于弹塑性交界处；拉伸屈服时，YAI_T＝0，Δε(k)是塑性区内k单元的拉应变增量，Δε_min是拉伸塑性区内各单元拉应变增量中的最小值，该单元也通常位于弹塑性交界处；(2)采用有限差分软件FLAC3D内置的程序FISH语言编制程序提取地基岩土体各单元的破坏严重度，并将计算结果数据导入图表显示软件tecplot，绘制出各扁平率下破坏严重度的等值线图；(3)将围岩塑性区分布图线与破坏严重度等值线图相对比，可知破坏严重度等值线图所反应的洞室开挖后围岩稳定性情况与塑性区反应的围岩稳定性情况基本吻合，且与单纯采用是否发生塑性屈服评价围岩稳定性的常规方法相比，采用破坏严重度的评价方法不仅能表征围岩发生塑性屈服的范围，而且能够定量表征塑性区内围岩的破坏严重度(FDI≥1)，以及非塑性区内围岩接近发生屈服的程度(FDI≤1)；S2.2地表沉降采用有限差分软件FLAC3D内置的程序FISH语言编制程序提取出不同扁平率下的地表沉降的大小；通过不同扁平率下的地表沉降槽曲线，可知地表沉降槽曲线呈“V”型，且距离隧道中心线越近，地表沉降量越大；通过不同扁平率下地表沉降随开挖步序的变化曲线，可知不同扁平率对应的地表沉降随开挖步序的变化曲线走势一致；S2.3目标函数根据数值计算结果得到不同扁平率隧道开挖优化目标函数值；由目标函数值能够作出各个指标相对值随扁平率的变化曲线，根据这些参数随扁平率的变化情况，从而分析得出不同扁平率对这些参数的影响程度，进而开展层次分析和最优断面筛选；所述基于层次分析法的优化步骤如下，S3.1建立隧道扁平率优化层次图采用层次分析法对分岔隧道大拱段断面形式进行多目标优化，以开挖面积、地表沉降、拱顶沉降、水平位移、支护拉应力、塑性区面积和破坏严重度为指标，在既定跨度前提下，对隧道扁平率进行优选；S3.2构造成对比较矩阵及层次单排序构造各层次的分析比较矩阵；判断矩阵元素的值根据各指标相对重要性的排序：地表沉降>支护拉应力>开挖面积>拱顶沉降>水平位移>破坏严重度，通过采用Saaty判断矩阵标准度及其倒数的标度方法，进行两两比较而确定的；1)根据准则层B中各元素对目标层A的相对重要性，得到判断矩阵A‑B；同时，判断矩阵A‑B的不一致程度在容许范围之内，因此对比矩阵的构造是合理的；2)在数值计算结果分析以及工程力学经验的基础上，根据各方案对准则层B的影响程度，并做出简化，得到不同扁平率关于准则层中评判标准的判断矩阵，并根据判断矩阵计算权重；根据判断矩阵求得的各准则的最大特征值以及一致性判断；S3.3层次总排序及一致性检验设$W_A={\omega }_A^T,W_B=\{{\omega }_{B1}^T,{\omega }_{B2}^T,{\omega }_{B3}^T,{\omega }_{B4}^T,{\omega }_{B5}^T,{\omega }_{B6}^T,{\omega }_{B7}^T\},$则层次总排序为：W＝W_BW_A因此，层次总排序具有满意的一致性检验，即计算的层次总排序满足要求；层次分析法适用于具有分层交错评价指标的目标系统，而且目标值又难于定量描述的决策问题，并具有简便、灵活以及实用等特点；通过最终方案权重分析，得到最优的方案；将层次分析法应用于城市分岔隧道大拱段断面形式评价具有适用性和可行性，为确定合理的城市地下道路分岔隧道大拱段扁平率提供了科学依据。