地铁施工过程数值仿真及安全性分析

地铁工程是一项投资大、建设周期长、技术复杂的大型土木工程。与其他工程相比，地铁工程具有施工过程隐蔽、周边建（构）筑物密集、地质环境不确定、施工技术复杂等特点，势必造成工程在施工期内的风险大、灾害种类复杂。一旦出现事故，会造成重大人员伤亡或财产损失，产生极其严重的负面社会影响。

本专著以地铁工程为对象，对施工过程中隧道和深基坑稳定性、爆破震速对建筑物的影响，以及可能造成的工程事故进行数值仿真和实测校验分析。基于FLAC3D、FDS和MATLAB数值仿真，结合神经网络、差异进化算法、支持向量机等预测技术，实现对地铁施工过程安全性的定量分析及判定。

本专著旨在介绍作者近10年在地铁工程施工过程仿真及安全性分析技术、结合工程应用领域开展研究所取得的成果。主要介绍结合工程应用领域拓宽建立的安全性分析方法，涉及领域主要包括岩土工程、结构力学理论和技术，以及流固耦合作用影响下的富水软岩地层中工程施工过程仿真技术。工程应用方面，则将研究目标设定为根据施工监测所得到的结果，借助机理分析和反演分析，基于信息化施工技术，研究地铁工程建设安全性的动态预报与控制的途径、理论与方法。

自20世纪90年代起，随着经济建设的腾飞，我国在城市交通工程、市政建设、矿山、水利和水电等领域的基础设施建设得到了快速发展。其中，尤其是城市地铁工程的发展，更因其与人们日常生活密切相关而备受瞩目。地铁工程建设的快速发展，使地铁施工过程的安全性问题成为国内外专家学者关注的新课题，因为隧道及地铁车站等地下工程是直接在地层中建造，由此使其工程地质特征对各类建筑结构的优化选型及施工方法的合理选择必然会起制约作用。一般来说，对于隧道和地下结构工程的设计与施工，人们已经积累了丰富的经验； 然而由于岩土地层自身性质所具有的复杂性，而且在市区工程建设中对环境保护的要求较高，再加上岩土工程的建设规模越来越大、技术难度越来越高，以及对一些复杂工程问题的处理缺乏经验等原因，致使地下工程施工安全事故时有发生。例如，深基坑开挖施工中横向支撑和侧向围护结构的失稳破坏，或者因周围地层变形过大从而导致附近房屋及地下管道产生移位或开裂； 盾构隧道或顶管管道施工中，由盾构推进或管道顶进导致地面隆沉而引起的附近建筑物、构筑物的损坏； 高速公路建设中软土路基的过量沉降或车辆行驶易于遭遇的桥头跳车； 岩石隧道在穿越断层破碎带时易于塌方，穿越岩溶地带时易于遭遇突水涌泥，并导致灾难性事故发生等。

为了避免发生工程事故，人们从设计、施工方法优化和现场监测等方面对确保岩土工程施工的安全性进行了研究，并且都取得了丰硕成果。地铁工程的施工力学及其安全性问题研究均已取得巨大进展，所建立的计算方法不仅已可追踪施工开挖步骤等的影响，而且可根据由现场施工监测所得到的位移量随时间增长而变化的曲线，特别是借助反演分析方法，可确定地层材料的性态模型及其特性参数，进而对地铁施工过程形成可实现信息化施工与安全性预报，以及信息化设计与安全性控制的成套技术。

本专著共分7章，所介绍的内容主要是大连交通大学王洪德教授及其研究团队在这一领域中进行的研究工作和所取得的成果。著作内容包括辽宁工程技术大学安全科学与工程学院崔铁军博士、大连交通大学马云东教授的部分研究成果； 同时包括高秀鑫、张立漫、沈秀峰、秦玉宾等完成的学位论文成果。

这些研究成果不仅可大大丰富包含地铁工程在内的岩土力学理论内涵，而且可大大促进地铁工程施工技术的进步。

第1章为绪论，主要叙述地铁工程建设发展所面临的安全性问题，概述地铁工程施工全过程安全性分析、预测和控制的途径； 第2章主要研究不同类型的地铁车站深基坑施工过程仿真及安全性分析方法； 第3章主要采用数值仿真与实测对比分析等手段，结合人工神经网络和差异进化算法等预测技术，研究浅埋暗挖隧道施工过程对地表沉降量以及地表建（构）筑物的振动影响及安全性问题； 第4章通过对盾构施工过程仿真及施工引起地表沉降机理分析，研究盾构施工建模的影响因素，研究盾构施工对既有地下管线的影响程度； 第5章基于均匀和非均匀温度场条件，研究施工隧道火灾对衬砌结构的流固热耦合作用影响，仿真分析地铁车站火灾情景及最佳避灾路线； 第6章主要研究地铁施工过程远程监测预警技术； 第7章主要对地铁工程安全性分析问题作进一步拓展研究。

针对地铁工程施工过程的数值仿真及安全性分析

来源于工程建设发展的实际需要，研究工作的进展多数也都针对工程实践及其在采用这类方法时遇到的理论问题和实际问题。大连交通大学的研究人员遵循理论联系实际原则，在该领域结合工程实践开展研究，取得了较多研究成果，由此不仅对道路与城市轨道工程学科理论的发展起到了较好促进作用，而且在服务工程实践方面也做出了一定贡献。

地铁工程施工过程数值仿真及安全性分析是实践性极强的学科分支，发展该学科理论需要密切结合工程施工的实践，并应注重结合需要解决的工程问题开展研究工作。在地铁施工过程仿真和安全分析技术的研究方面虽已取得一些成果，但有待继续研究的课题却仍有很多，需要对其继续进行创造和完善。

限于水平，书中难免存在不足之处，敬请读者指正。对地铁工程施工过程进行数值仿真和安全性分析是城市轨道交通行业发展的需要，期盼这本专著的出版能够有助于学科理论研究的继续发展。

著者2013年2月

第1章绪论

1.1地铁工程问题安全性综述

1.1.1地铁工程问题安全性内涵

1.1.2地铁工程问题安全等级划分

1.1.3地铁工程问题安全性预测预报

1.1.4地铁工程问题安全性控制

1.2地铁工程问题安全性研究进展

1.2.1地下工程安全性分析研究进展

1.2.2地下工程结构研究方法进展

1.2.3隧道及地下工程火灾研究方法进展

1.3反演理论及其工程应用研究进展

1.3.1反演理论研究概况

1.3.2地铁工程力学反分析数学描述

1.3.3反分析数值反演方法及其应用

1.4本书主要研究内容

参考文献

第2章深基坑工程安全性分析及其应用

2.1深基坑安全性分析概述

2.2深基坑变形机理

2.2.1深基坑底部土体回弹和隆起

2.2.2围护结构变形

2.2.3深基坑周围地层位移

2.3深基坑工程安全性判定及控制

2.3.1动态预报过程

2.3.2深基坑工程安全性判别

2.3.3深基坑工程监测方案优化与安全性控制

2.4深基坑施工过程仿真及地表沉降量验证分析

2.4.1深基坑工程概况

2.4.2围护结构特点及监测方案

2.4.3本构模型和单元参数

2.4.4深基坑模型构建

2.4.5围护结构仿真分析

2.4.6深基坑开挖及地表沉降仿真

2.4.7实测与仿真数据对比分析

2.5带阳角深基坑变形特征仿真与实测对比分析

2.5.1阳角基坑工程研究进展

2.5.2工程背景及环境概况

2.5.3有限元分析原理及其实现

2.5.4带阳角土岩组合基坑变形特性分析

2.5.5现场测试分析

参考文献

第3章隧道工程安全性仿真与实测对比分析

3.1常用隧道施工方法分析

3.1.1典型的隧道施工方法

3.1.2隧道施工方法的选择

3.2隧道施工过程仿真和安全性预报

3.2.1隧道开挖施工过程仿真的计算方法

3.2.2位移量和安全性的预报

3.3隧道施工引起地表沉降的神经网络预测

3.3.1地铁施工引起地表沉降概述

3.3.2ANN预测技术及其应用

3.3.3地表沉降规律分析

3.3.4BP神经网络模型构建及程序编制

3.3.5仿真与实测对比分析

3.3.6结果分析

3.4双线隧道CRD开挖过程仿真及地表沉降分析

3.4.1双线隧道的CRD开挖概述

3.4.2工程概况及监测方案

3.4.3隧道本构模型及结构单元选取

3.4.4隧道施工数值模型构建

3.4.5CRD法开挖过程数值仿真

3.4.6CRD法施工对地表建筑物的影响

3.5基于差异进化的爆破振速参数反演分析

3.5.1爆破振速研究概述

3.5.2差异进化算法

3.5.3基于DE的爆破振速参数识别

3.5.4工程应用

3.5.5结果分析

3.6隧道爆破施工对地表建筑物的微振动效应分析

3.6.1爆破地震波的产生机理

3.6.2爆破地震波的类型

3.6.3爆破振动效应的控制参数分析

3.6.4工程实例概况

3.6.5爆破地震波控制验算

3.6.6结果分析

3.7地铁隧道爆破对建筑物微振动影响仿真分析

3.7.1有限元模型的建立及特性分析

3.7.2爆破地震波选取

3.7.3建筑结构在爆破地震波作用下的动力响应分析

3.7.4爆破地震波幅值对结构的微振动响应影响

3.7.5爆破地震波频率对结构的微振动响应影响

3.7.6爆破地震波持续时间对结构的微振动响应影响

参考文献

第4章盾构施工过程仿真与安全性分析

4.1盾构施工引起的地表沉降机理分析

4.1.1盾构施工过程概述

4.1.2盾构隧道的地表沉降机理及其影响因素

4.1.3地表沉降的安全性判断与控制标准分析

4.2盾构隧道施工建模影响因素仿真分析

4.2.1盾构施工建模影响因素

4.2.2模型构建及监测点选择

4.2.3建模因素对比分析

4.2.4建模因素分析结果

4.3土压平衡双线盾构隧道施工引起地表沉降分析

4.3.1双线地铁隧道引起地表沉降概述

4.3.2工程概况

4.3.3FLAC3D仿真

4.3.4仿真与实测数据对比

4.3.5仿真结果分析

4.4厚硬岩层盾构隧道施工对地下管线影响分析

4.4.1盾构施工对地下管线影响概述

4.4.2工程概况

4.4.3模型选取

4.4.4数值仿真分析

4.4.5计算结果分析

4.4.6验证分析

4.5盾构接收井施工仿真及地表沉降分析

4.5.1工程概况

4.5.2模型选择

4.5.3数值仿真分析

4.5.4仿真与实测结果对比分析

参考文献

第5章地铁施工过程火灾仿真与安全性分析

5.1地铁施工过程火灾研究概述

5.1.1地铁施工过程火灾的特点

5.1.2地铁施工过程火灾研究方法综述

5.1.3国内外地铁施工过程火灾研究现状

5.2均匀温度场条件下盾构隧道管片热辐射性能分析

5.2.1计算流程

5.2.2FLAC3D模型参数确定

5.2.3火灾时期管片的热力分析

5.2.4模型受力分析

5.3非均匀温度场盾构隧道衬砌热传导性能分析

5.3.1隧道火灾时期热能传递概述

5.3.2本构模型构建

5.3.3火灾时期管片的热力分析

5.3.4结果分析

5.4基于FDS的地铁车站施工过程火灾仿真分析

5.4.1地铁车站施工过程火灾概述

5.4.2FDS仿真应用概述

5.4.3FDS计算步骤

5.4.4模型构建

5.4.5仿真结果及分析

参考文献

第6章地铁施工过程风险监控预警技术

6.1地铁施工风险监控预警技术概述

6.1.1地铁工程风险的内涵

6.1.2地铁工程风险分析与管理现状

6.1.3工程风险管理

6.1.4地铁施工过程风险预警动力机制

6.2深基坑围护结构变形远程监测预警装备技术

6.2.1深基坑围护结构监测预警技术概述

6.2.2深基坑结构变形监测物联网框架

6.2.3监控系统的物理结构

6.2.4系统软件体系

6.2.5预警功能介绍及实例分析

6.2.6结果分析

6.3长大隧道健康状况远程监测诊断装备系统构建

6.3.1长大隧道健康状况监测诊断装备系统研究概述

6.3.2长大隧道健康状况监测诊断装备系统组成

6.3.3长大隧道传感器布设

6.3.4影响长大隧道健康状况因素

6.3.5健康诊断指标判定标准确定

6.3.6工程实例分析

参考文献

第7章地铁工程安全性分析方法的拓展

7.1DuncanChang EB模型软化技术研究

7.1.1DuncanChang EB模型存在的缺陷

7.1.2DuncanChang EB模型及其改进

7.1.3DuncanChang EB改进模型的二次开发

7.1.4模型计算与比较

7.1.5结果分析

7.2基于差异进化支持向量机的坑外土体沉降预测

7.2.1概述

7.2.2坑外岩土体沉降预测的DESVM方法

7.2.3实例分析

7.2.4结果分析

参考文献2100433B

本专著可直接或间接地为建筑、轨道、公路、矿山、市政建设及其他相关部门安全隐患排查、工程风险预测预报等提供技术支持，为预防地下工程施工过程安全提供技术保障。可供从事地下工程设计、施工和研究工作的工程技术人员参考，也可作为地下结构或岩土工程专业研究生的教材，以及隧道与地下工程、铁路与城市轨道工程、矿山井巷工程等专业大学生的参考用书。

忽略咬钢第1 阶段中系统因与轧辊分开产生的自由振动,以时间t1 t2 为起点,取咬钢第3 阶段为扭振响应的仿真时段。此时,除轧辊的角速度Ω0 减小为Ω2 外,其余初始条件均不变。根据以上分析,设间隙位于质量单元n - 1 和n 之间,采用四阶龙格2库塔法建立粗轧机主传动扭振仿真模型。通过R2K 模块在系统或动力侧子系统的模态空间中执行四阶龙格2库塔程序,从而实现微分方程组的数值求解,输出扭振响应参数。当间隙闭合时,运行系统R2K 模块;当间隙开启时,运行子系统R2K 模块。