一种城市轨道交通工程的风险评估方法和系统的制作方法

一种城市轨道交通工程的风险评估方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及城市轨道交通工程领域，具体设及一种城市轨道交通工程中轨道沉降 风险的评估方法和系统。
【背景技术】
[0002] 城市轨道交通给城市人民生活出行带来了极大的便利，在一定程度上减轻了城市 交通堵塞压力。目前，我国大中城市已经迎来了地铁建设的快速发展时期，国内大、中型城 市纷纷建设城市轨道交通，如北京、上海、广州、武汉、长沙和南昌等，有已经建成的，也有正 在建设的城市轨道交通。
[0003] 轨道结构是地铁车辆运营的基本承载结构，它的沉降直接影响到地铁的运营状 况；且国内地铁规范和各地的相关标准都对轨道结构允许的最大沉降值有所规定，因此轨 道结构的沉降控制是一个重要的评价指标。
[0004] 但是，随着地铁线路增多，越来越多的市政工程，包括房屋建筑物、市政管道和新 建地铁工程，上跨、临近和下穿既有运营地铁车站或区间。该种临近或穿越工程对既有运营 地铁轨道结构产生一定的影响，给已运营地铁造成严重的威胁。而地铁作为城市重要的民 生工程和客流走廊，地铁一旦发生故障，将会产生巨大的社会影响。
[0005] 因此，对城市轨道交通工程风险进行评估至关重要。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的，就是克服现有技术的不足，提供一种轨道沉降的风险评估方法，其 适用于城市轨道交通系统，该方法不仅可W模拟新建工程临近或穿越既有运营地铁工程的 施工过程，而且还可W通过轨道沉降值来判定既有运营地铁是否安全。
[0007] 为了达到上述目的，采用如下技术方案：
[0008] -种城市轨道交通工程的风险评估方法，其设及城市轨道交通工程中的轨道沉降 控制，包括W下步骤：
[0009] 建立=维地层结构模型，并根据预设的单元类型、实常数和弹性模量的参数值，将 所述=维地层结构模型划分成若干个用于计算和分析的小单元；
[0010] 根据预设的施工参数，模拟新建工程的施工工序，通过所述若干个小单元对所述 地层结构模型进行求解和运算，得到若干个第一地表沉降值S。，其中n= 1，2 ???n;
[0011] 根据地层损失的预设条件，计算隧道中屯、线处地表的最大沉降值Sm";
[0012] 计算公式为
，其中Vi为施工引起的单位长度地层损失，i为地 表沉降槽的宽度系数；
[0013] 计算距离隧道中屯、X处的第二地表沉降值S,，计算公式为
[0014] 计算距离隧道中屯、X处的第一地表沉降值S。和第二地表沉降值S,，比较判断第一 地表沉降值s。是否正确；
[0015] 若两者的差值大于第二地表沉降值S,的10%，则判定第一地表沉降值S。不正确；
[0016] 若两者的差值小于等于第二地表沉降值Sy的10%，则判定第一地表沉降值S。正 确，并提取第一地表沉降值S。的最大值，进一步判断第一地表沉降值S。的最大值是否小于 地表沉降值的最大允许沉降值；
[0017] 若第一地表沉降值S。的最大值小于等于最大允许沉降值，则判定既有地铁安全；
[0018] 若第一地表沉降值S。的最大值大于最大允许沉降值，则判定既有地铁是不安全。
[0019] 作为一种具体的实施例，在得到若干个第一地表沉降值S。后，还包括W下步骤：
[0020] 将所述第一地表沉降值S。存储至第一沉降值数据库；或者将所述第一地表沉降值 Sn生成第一地表沉降值序列，存储至第一沉降值数据库；
[0021] 在计算距离隧道中屯、X处的第二地表沉降值S,后，还包括W下步骤：
[0022] 将所述第二地表沉降值S,存储至第二沉降值数据库；或者将所述第二地表沉降值 Sx生成第二地表沉降值序列，再存储至第二沉降值数据库。
[0023] 作为一种具体的实施例，在比较判断第一地表沉降值S。是否正确之前，还包括W 下步骤：取距离隧道中屯、X为不同值，计算得到多组第一地表沉降值S。和第二地表沉降值 Sy的差值，并计算多组差值的平均值。
[0024] 进一步地，所述地表沉降槽的宽度系数
其中H为覆±厚度，R 为计算半径，为覆±的内摩擦角；
[00巧]若隧道结构为矩形结构，则等效半径R= 0. 29化+b)，其中h、b分别为矩形结构的 长短边的长度；
[0026] 若隧道结构的横截面为其他非圆结构，则等效半径度=，其中A为隧道结构 的横截面积。
[0027] 进一步地，所述地层损失的预设条件为地层损失在整个隧道长度不均匀分布，沉 降槽的形状呈正态分布曲线。
[0028] 作为一种具体的实施例，对于直线电机牵引系统的地铁工程，当地铁处于非运 营状态时，所述最大允许沉降值为20mm;当地铁处于运营状态时，所述最大允许沉降值为 lmm〇
[0029] 作为一种具体的实施例，对于钢轮钢轨系统的地铁工程，当地铁处于非运营状态 时，所述最大允许沉降值为20mm;当地铁处于运营状态时，最大允许沉降值为3mm。
[0030] 本发明的另一个目的是提供一种轨道沉降的风险评估系统。其适用于城市轨道交 通系统，该系统不仅可W模拟新建工程临近或穿越既有运营地铁工程的施工过程，计算出 轨道在新建工程过程中的沉降值，而且还可W通过轨道沉降值来判定既有运营地铁是否安 全。
[0031] 为了达到上述目的，采用如下技术方案：
[0032] 一种城市轨道交通工程的风险评估系统，其设及城市轨道交通工程中的轨道沉降 控制，包括有：
[0033]=维分析模块，用于建立=维地层结构模型，根据预设的单元类型、实常数和弹性 模量的参数值，将所述=维地层结构模型划分成若干个用于计算和分析的小单元；
[0034] 求解运算模块，用于根据预设的施工参数，模拟新建工程的施工工序，求解和计算 得到第一地表沉降值S。，其中n= 1，2 ? ? ?n;
[00巧]第一计算模块，用于根据地层损失的预设条件，计算隧道中屯、线处地表的最大沉 降值Smax;
[0036] 第二计算模块，用于计算距离隧道中屯、X处的第二地表沉降值S,;
[0037] 第S计算模块，用于计算距离隧道中屯、X处的第一地表沉降值S。和第二地表沉降 值5^
[0038] 第一比较模块，用于比较判断第一地表沉降值S。是否正确；
[0039] 提取模块，用于提取第一地表沉降值S。的最大值；
[0040] 第二比较模块，用于进一步判断第一地表沉降值S。的最大值是否小于地表沉降值 的最大允许沉降值，W判定既有地铁是否安全。
[0041] 作为一种具体的实施例，该系统还包括有第一序列生成模块，用于将所述第一地 表沉降值Sn生成第一地表沉降值序列，第二序列生成模块，将所述第二地表沉降值S,生成 第二地表沉降值序列。
[0042] 作为一种具体的实施例，该系统还包括有平均值计算模块计算多组第一地表沉降 值S。和第二地表沉降值S1的差值差值的平均值。
[0043] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0044] 本发明应用于城市轨道交通工程风险评估中，利用S维分析模块、求解运算模块 模拟和计算已建地铁的轨道沉降，判断既有地铁的安全性，对设计、施工和监测进行指导， 并对其提出合理的建议。不仅对风险评估进行定性分析，而且轨道沉降值作为地铁风险评 估的重要指标，还对风险评估进行定量分析。
【附图说明】
[0045] 图1是城市轨道交通工程的风险评估系统模块示意图。
[0046] 图2是城市轨道交通工程的风险评估方法流程图。
[0047] 图3是地面沉降曲线图。
【具体实施方式】
[0048] 下面将结 合附图W及具体实施方法来详细说明本发明，在本发明的示意性实施例 及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0049] 如图1所示，本发明一种城市轨道交通工程的风险评估系统，其设及城市轨道交 通工程中的轨道沉降控制，包括有：
[0050] 包括有；=维分析模块1、求解运算模块2、第一计算模块3、第二计算模块4、第= 计算模块5、第一比较模块6、提取模块7W及第二比较模块8。第一序列生成模块9,第二 序列生成模块10,平均值计算模块11。预存信息数据库12、第一沉降值数据库13,第二沉 降值数据库14。
[0051] 下面将分别对各模块进行描述说明：
[0052] 其中，=维分析模块1，用于建立=维地层结构模型，并根据预设的单元类型、实 常数和弹性模量的参数值，将所述=维地层结构模型划分成若干个用于计算和分析的小单 JL〇
[0053] 其中，所述预设的单元类型、实常数和弹性模量的参数值预先存储在预存信息数 据库11中，所述，所述预设的单元类型、实常数和弹性模量的参数值根据轨道既有结构、轨 道新建结构和±层的材料和性质确定。
[0054] 求解运算模块2,用于根据预设的施工参数，模拟新建工程的施工工序，求解和计 算得到第一地表沉降值S。，其中n= 1，2 ? ? ?n;
[00巧]其中，将得到的第一地表沉降值S。根据距离离隧道中屯、X的大小，生成第一地表 沉降值序列，所述第一地表沉降值序列可W是按照X的取值从小到大生成，也可W是按照 X的取值从大到小生成，并将所述生成的第一地表沉降值序列保存至第一沉降值数据库12 中；
[0056] 第一计算模块3,用于根据地层损失的预设条件，计算隧道中屯、线处地表的最大沉 降值Sm";将SmJ临时存放到第二沉降值数据库13;
[0057] 第二计算模块4,用于计算距离隧道中屯、X处的第二地表沉降值S,;生成若干个第 二地表沉降值Sy，并按照所述第一地表沉降值序列的生成次序，生成第二地表沉降值序列， 存储至第二沉降值数据库13。
[0058] 其中，第一地表沉降值序列和第二地表沉降值序列的序列位置对应距离隧道中屯、 X相同处的沉降值。
[0059] 第S计算模块5,用于计算距离隧道中屯、X处的第一地表沉降值S。和第二地表沉 降值Sx。
[0060] 第一比较模块6,用于比较判断第一地表沉降值S。是否正确；
[0061] 提取模块7,用于提取第一地表沉降值S。的最大值；根据第一判断结果，若第一判 断结果是正确的，则提取模块7则开始工作，从第一沉降值数据库13中提取最大第一地表 沉降值，提取临时存放在第二沉降值数据库14中的最大沉降值Sm"。
[0062] 第二比较模块8,用于进一步判断第一地表沉降值S。的最大值是否小于地表沉降 值的最大允许沉降值，W判定既有地铁是否安全。
[0063] 本发明的一种轨道沉降的风险评估系统，该系统不仅可W模拟新建工程临近或穿 越既有运营地铁工程的施工过程，计算出轨道在新建工程过程中的沉降值，而且还可W通 过轨道沉降值来判定既有运营地铁是否安全。
[0064] 本发明应用于城市轨道交通工程风险评估中，利用S维分析模块、求解运算模块 模拟和计算已建地铁的轨道沉降，判断既有地铁的安全性，对设计、施工和监测进行指导， 并对其提出合理的建议。不仅对风险评估进行定性分析，而且轨道沉降值作为地铁风险评 估的重要指标，还对风险评估进行定量分析。
[0065] 下面将结合附图W及本发明的城市轨道交通工程的风险评估系统，对本发明一种 一种城市轨道交通工程的风险评估方法做一详细描述。
[0066] 如图2所示，一种城市轨道交通工程的风险评估方法，其主要设及新建工程对城 市轨道交通工程中既有的地铁的影响，利用轨道沉降变形值判定既有轨道是否安全，具体 包括W下步骤：
[0067] 首先，通过=维分析模块1建立=维地层结构模型，从预存信息数据库12调取单 元类型、实常数和弹性模量的参数值，并根据单元类型、实常数和弹性模量的参数值对所述 =维地层结构模型进行网格划分，将所述=维地层结构模型划分成若干个用于计算和分析 的小单元；
[0068] 通过求解运算模块2模拟新建工程的施工工序，从预存信息数据库12中调取预存 的施工参数，输入至所述=维地层结构模型，通过所述若干个小单元进行求解和运算，得到 若干个第一地表沉降值S。，其中n= 1，2 ???n;并将所述计算得到的一系列第一地表沉 降值保存至第一沉降值数据库13中；
[0069] 其中，在保存一系列第一地表沉降值S。，至第一沉降值数据库前，优选地，通过第 一序列生成模块9将一系列第一地表沉降值生成第一地表沉降值序列。再将第一地表沉降 值序列保存到第一沉降值数据库13中。
[0070] 其次，如图3所示，预存信息数据库12中调根据地层损失的预设条件，即整个隧道 长度不均匀分布，同时沉降槽的形状呈正态分布曲线，计算隧道中屯、线处地表的最大沉降 值Sm"，计算公式为：
，其中Vi为施工引起的单位长度地层损失，i为 地表沉降槽的宽度系数。
[0071] 并将得到最大沉降值SmJ临时存放到第二沉降值数据库14 ;
[0072] 所述地表沉降槽的宽度系数i，也即自隧道中屯、至沉降槽曲线反弯点15的距离， 单位m。
[0073] 其中，所述地表沉降槽的宽度系数
[0074] 其中H为覆±厚度，R为等效半径，为覆±的内摩擦角，其中CP值的大小与具体 的地区±质有关，举例说明，如某一地区的无黏性±其cp取35。~40。，硬黏±9取25。~ 30°，软黏±CP取 15。~20。。
[00巧]若隧道结构为矩形结构，则等效半径R= 0. 29化+b)，其中h、b分别为矩形结构的 长短边的长度；
[0076]若隧道结构的横截面为其他非圆结构，则等效半径= ，其中A为隧道结构 的横截面积。如图3所示，隧道结构的形状呈五边形，则A为五边形的横截面面积。
[0077] 计算距离隧道中屯、X处的第二地表沉降值S,，计算公式为；
[007引生成若干个第二地表沉降值S,，将生成的第二地表沉降值S,存储至第二沉降值数 据库；
[0079] 优选地，在将第二地表沉降值Sy存储至第二沉降值数据库之前，第二序列生成模 块10将按照所述第一地表沉降值序列的生成次序，生成第二地表沉降值序列，存储至第二 沉降值数据库14。
[0080] 提取模块7从第一沉降值数据库13提取距离隧道中屯、X处的第一地表沉降值S。， 从第二沉降值数据库14中提取第二地表沉降值S,，提取到第一比较模块6。
[0081] 优选地，从第一沉降值数据库13提取距离隧道中屯、X处的第一地表沉降值S。后， 生成第一对比序列，从第二沉降值数据库14中提取第二地表沉降值Sy，生成第一对比序列。
[0082] 如从从第一沉降值数据库13提取距离隧道中屯、X= 0处的第一地表沉降值后，从 第二沉降值数据库14中提取距离隧道中屯、X= 0第二地表沉降值S,。
[0083] 计算距离隧道中屯、X处的第一地表沉降值S。和第二地表沉降值S,，比较判断第一 地表沉降值S。是否正确；
[0084] 若两者的差值大于第二地表沉降值S,的10%，则判定第一地表沉降值S。不正确；
[0085] 若两者的差值小于等于第二地表沉降值Sy的10%，则判定第一地表沉降值S。正 确，并提取第一地表沉降值S。的最大值，进一步判断第一地表沉降值S。的最大值是否小于 地表沉降值的最大允许沉降值；
[0086] 若第一地表沉降值S。的最大值小于或等于最大允许沉降值，则判定既有地铁安 全；
[0087] 若第一地表沉降值S。的最大值大于最大允许沉降值， 则判定既有地铁是不安全。 [008引其中，在比较判断第一地表沉降值S。是否正确之前，优选地，取距离隧道中屯、X为 不同值，计算得到多组第一地表沉降值S。和第二地表沉降值SJ勺差值，通过平均值计算模 块，计算多组差值的平均值。也即可提取不同X值处的为第一地表沉降值和第二地表沉 降值S,进行比较，并将不同X值处比较得到的结果，进行平均。再判断第一地表沉降值S。 是否正确。
[0089] 其中，对于直线电机牵引系统的地铁工程，当地铁处于非运营状态时，所述最大允 许沉降值为20mm;当地铁处于运营状态时，所述最大允许沉降值为1mm。
[0090] 其中，对于钢轮钢轨系统的地铁工程，当地铁处于非运营状态时，所述最大允许沉 降值为20mm;当地铁处于运营状态时，所述最大允许沉降值为3mm。
[0091] 具体地，W直线电机牵引系统的地铁工程为例：
[0092] 当地铁处于非运营状态时，若第一地表沉降值S。的最大值小于等于20mm，则判定 既有地铁安全；
[0093] 当地铁处于运营状态时，若第一地表沉降值S。的最大值小于等于1mm，则判定既有 地铁安全；
[0094] 当地铁处于非运营状态时，若第一地表沉降值S。的最大值大于20mm，则判定既有 地铁是不安全。
[0095] 当地铁处于运营状态时，若第一地表沉降值S。的最大值大于1mm，则判定既有地铁 安全。
[0096] W上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例 对本发明实施例的原理W及实施方式进行了阐述，W上实施例的说明只适用于帮助理解本 发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方 式W及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1. 一种城市轨道交通工程的风险评估方法，其涉及城市轨道交通工程中的轨道沉降控 制，其特征在于，包括以下步骤： 建立三维地层结构模型，并根据预设的单元类型、实常数和弹性模量的参数值，将所述 三维地层结构模型划分成若干个用于计算和分析的小单元； 根据预设的施工参数，模拟新建工程的施工工序，通过所述若干个小单元对所述地层 结构模型进行求解和运算，得到若干个第一地表沉降值Sn，其中η = 1，2 ··· η ; 根据地层损失的预设条件，计算隧道中心线处地表的最大沉降值Smax; 计算公式为其中V1为施工引起的单位长度地层损失，i为地表沉降槽的宽度系数； 计算距离隧道中心X处的第二地表沉降值Sx，计算公式为 ，i为 地表沉降槽的宽度系数； 计算距离隧道中心X处的第一地表沉降值Sn和第二地表沉降值S x的差值，比较判断第 一地表沉降值Sn是否正确； 若两者的差值大于第二地表沉降值\的10%，则判定第一地表沉降值SnF正确； 若两者的差值小于等于第二地表沉降值\的10%，则判定第一地表沉降值S n正确，并 提取所述第一地表沉降值最大值，进一步判断第一地表沉降值Sn的最大值是否小于地 表沉降值的最大允许沉降值； 若第一地表沉降值Sn的最大值小于等于最大允许沉降值，则判定既有地铁安全； 若第一地表沉降值最大值大于最大允许沉降值，则判定既有地铁是不安全。2. 根据权利要求1所述的城市轨道交通工程的风险评估方法，其特征在于， 在得到若干个第一地表沉降值SJ^，还包括以下步骤： 将所述第一地表沉降值Sn存储至第一沉降值数据库；或者将所述第一地表沉降值5"生 成第一地表沉降值序列，存储至第一沉降值数据库； 在计算距离隧道中心X处的第二地表沉降值\后，还包括以下步骤： 将所述第二地表沉降值Sx存储至第二沉降值数据库；或者将所述第二地表沉降值5!￡生 成第二地表沉降值序列，再存储至第二沉降值数据库。3. 根据权利要求1所述的城市轨道交通工程的风险评估方法，其特征在于， 在比较判断第一地表沉降值Sn是否正确之前，还包括以下步骤：取距离隧道中心X为 不同值，计算得到多组第一地表沉降值Sn和第二地表沉降值S x的差值，并计算多组差值的 平均值。4. 根据权利要求1-3任一项所述的城市轨道交通工程的风险评估方法，其特征在于，所述地表沉降槽的宽度系数Z 〖中H为覆土厚度，R为等效半径，Φ 为覆土的内摩擦角。 若隧道结构为矩形结构，则等效半径R = 0. 29 (h+b)，其中h、b分别为矩形结构的长短 边的长度； 若隧道结构的横截面为其他非圆结构，则等效半径A = 其中A为隧道结构的横 截面积。5. 根据权利要求4所述的城市轨道交通工程的风险评估方法，其特征在于， 所述地层损失的预设条件为地层损失在整个隧道长度不均匀分布，沉降槽的形状呈正 态分布曲线。6. 根据权利要求5任一项所述的城市轨道交通工程的风险评估方法，其特征在于， 对于直线电机牵引系统的地铁工程： 若地铁处于非运营状态时，所述最大允许沉降值为20_ ; 若地铁处于运营状态时，所述最大允许沉降值为1mm。7. 根据权利要求5任一项所述的城市轨道交通工程的风险评估方法，其特征在于， 对于钢轮钢轨系统的地铁工程： 若地铁处于非运营状态时，所述最大允许沉降值为20_ ; 若地铁处于运营状态时，最大允许沉降值为3mm。8. -种城市轨道交通工程的风险评估系统，其涉及城市轨道交通工程中的轨道沉降控 制其特征在于，包括有： 三维分析模块，用于建立三维地层结构模型，根据预设的单元类型、实常数和弹性模量 的参数值，将所述三维地层结构模型划分成若干个用于计算和分析的小单元； 求解运算模块，用于根据预设的施工参数，模拟新建工程的施工工序，求解和计算得到 第一地表沉降值Sn，其中η = 1，2 · · · η ; 第一计算模块，用于根据地层损失的预设条件，计算隧道中心线处地表的最大沉降值 O · k^max? 第二计算模块，用于计算距离隧道中心X处的第二地表沉降值Sx; 第三计算模块，用于计算距离隧道中心X处的第一地表沉降值Sn和第二地表沉降值 Sx; 第一比较模块，用于比较判断第一地表沉降值Sn是否正确； 提取模块，用于提取第一地表沉降值Sn的最大值； 第二比较模块，用于进一步判断第一地表沉降值Sn的最大值是否小于地表沉降值的最 大允许沉降值，以判定既有地铁是否安全。9. 根据权利要求8所述的一种城市轨道交通工程的风险评估系统， 该系统还包括有第一序列生成模块，用于将所述第一地表沉降值Sn生成第一地表沉降 值序列， 第二序列生成模块，将所述第二地表沉降值Sx生成第二地表沉降值序列。10. 根据权利要求8所述的一种城市轨道交通工程的风险评估系统， 该系统还包括有平均值计算模块计算多组第一地表沉降值Sn和第二地表沉降值S ^勺 差值差值的平均值。
【专利摘要】一种城市轨道交通工程的风险评估方法，其涉及城市轨道交通工程中的轨道沉降控制，其特征在于，包括以下步骤:利用有三维分析模块建立三维地层结构模型,求解运算模块模拟新建工程的施工工序,通过所述若干个小单元进行求解和运算,得到若干个第一地表沉降值Sn，计算距离隧道中心x处的第二地表沉降值Sx；比较同一地表沉降处的第一地表沉降值Sn和第二地表沉降值Sx，判断第一地表沉降值Sn是否正确；进一步判断第一地表沉降值Sn的最大值是否小于地表沉降值的最大允许沉降值，进而判断既有地铁是否安全，该方法不仅可以模拟新建工程临近或穿越既有运营地铁工程的施工过程，而且还可以通过轨道沉降值来判定既有运营地铁是否安全。
【IPC分类】G06F19/00, G06F17/50, G06T17/00
【公开号】CN104881573
【申请号】CN201510240007
【发明人】张文正, 尹华拓, 王凌, 傅雅莉, 张志亚, 朱正宜, 张跃明, 梁剑
【申请人】广州地铁设计研究院有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月12日