一種適用于砂性土地層盾構(gòu)隧道地表沉降理論預(yù)測(cè)方法

潘濤

（上海隧道工程有限公司，上海市200082）

一種適用于砂性土地層盾構(gòu)隧道地表沉降理論預(yù)測(cè)方法

潘濤

（上海隧道工程有限公司，上海市200082）

盾構(gòu)法隧道施工廣泛應(yīng)用于城市公路、地鐵、給排水、電力等隧道工程施工中。但是，由于施工工藝質(zhì)量及周圍的施工環(huán)境和土層特點(diǎn)，施工引起的地層位移是不可能完全消除的。如果影響過大，勢(shì)必會(huì)引起地表的沉降隆起超限，嚴(yán)重情況會(huì)導(dǎo)致周圍建筑物傾斜倒塌和構(gòu)筑物變形。在現(xiàn)有的沉降理論預(yù)測(cè)方法中選擇適合于砂性土地層盾構(gòu)施工引起的地表沉降預(yù)測(cè)方法，并在該方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得出砂性土地層特有的不同推進(jìn)參數(shù)下盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降理論預(yù)測(cè)方法。

砂性土地層；推進(jìn)參數(shù)；地表沉降

0　引言

盾構(gòu)法隧道施工廣泛應(yīng)用于隧道施工中。由于施工技術(shù)工藝質(zhì)量及周圍的施工環(huán)境和土層特點(diǎn)，施工引起的地層位移是不可能完全消除的。

在地表沉降預(yù)測(cè)方面，國內(nèi)外開展了大量的研究，積累了很多方法，主要可以歸納為：經(jīng)驗(yàn)法、室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法等類型［1.2］。其中，經(jīng)典的地表沉降槽模型為Peck橫向地表沉降槽。他引入類似倒正態(tài)分布曲線的數(shù)學(xué)模型，在沉降預(yù)測(cè)理論研究方面有著重要的指導(dǎo)意義。其他科研工作者在其基礎(chǔ)上引入多項(xiàng)參數(shù)，在不同的數(shù)學(xué)方法上驗(yàn)證Peck公式的可行性，同時(shí)也提出了更加精確的沉降模型。但是，許多沉降模型都受實(shí)際環(huán)境的影響，或者多用于實(shí)驗(yàn)室理論驗(yàn)證。

砂性土地層特點(diǎn)特殊，對(duì)于易坍塌的砂質(zhì)土、含黏土少的砂、砂礫等地層，地表沉降控制是施工質(zhì)量控制的重要指標(biāo)之一。本文依托鄭州城郊鐵路08標(biāo)項(xiàng)目工程，結(jié)合其特有的施工砂性土地層特點(diǎn)，在原有的地表沉降預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，引入盾構(gòu)推力，推進(jìn)速度等參數(shù)，將橫向沉降槽擴(kuò)展為縱橫相結(jié)合的區(qū)域性沉降槽，得出砂性土條件下盾構(gòu)推進(jìn)區(qū)域的局部沉降槽預(yù)測(cè)模型。

1　地表沉降預(yù)測(cè)模型

1.1Peck法沉降預(yù)測(cè)

早在1969年，Peck［3］提出地層損失的概念和估計(jì)隧道施工引起地面沉降的實(shí)用方法。他的理論基于大量的地表沉降數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)分析，最后得出近似于正態(tài)分布曲線的沉降槽（見圖1）。在后來實(shí)際應(yīng)用中，大量的研究者在Peck的基礎(chǔ)之上對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行改進(jìn)，其預(yù)測(cè)公式為：式中：S（X）為地表距離隧道中心線處的地表沉降；Smax為隧道中心線上的地表沉降；i為地表沉降槽寬度系數(shù)；Vs為單位長度地表沉降槽體積；H為覆土厚度；為土體內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值。

圖1　地表橫向沉降槽示意圖

從公式（3）可以看出，地表沉降槽寬度系數(shù)i與覆土厚度H成正比關(guān)系。代入公式（1）可以知道，地表沉降量與隧道覆土厚度呈一定的函數(shù)關(guān)系，即理論上覆土厚度越大，沉降量越小。

當(dāng)然，Peck沉降預(yù)測(cè)法傾向于實(shí)驗(yàn)室研究地表沉降，在實(shí)際的施工中，需要對(duì)此進(jìn)行修正，也會(huì)依據(jù)不同的施工環(huán)境進(jìn)行參數(shù)改正，如解析法、數(shù)值模擬法和鏡像法［4］等，本文不一一贅述。

1.2修正沉降預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型

盾構(gòu)推進(jìn)過程中引起的地表沉降往往與其他因素有關(guān)，例如推進(jìn)速度、推力、刀盤扭矩和地質(zhì)條件等，同時(shí)與同步注漿等施工工藝也有很大的關(guān)系。本文所介紹的數(shù)學(xué)模型主要以盾構(gòu)的推進(jìn)參數(shù)為依據(jù)，在原有的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，引入盾構(gòu)推進(jìn)速度和推力兩大因素進(jìn)行探討，構(gòu)建砂性土地層不同推進(jìn)參數(shù)下引起的地表沉降模型。

式中：Smax0為隧道中心線上的地表沉降；y為縱向距離刀盤切口距離；X為橫向距離隧道中心線距離；dH為盾構(gòu)刀盤至盾構(gòu)距離；F為盾構(gòu)推力，kN；ν為盾構(gòu)推進(jìn)速度，cm/min；S（X）為地表沉降量。

1.3地表沉降槽寬度系數(shù)

在模型中，假定沉降理論模型為楔形槽，如圖2所示。則隧道起拱點(diǎn)與地面沉槽寬度邊緣點(diǎn)連線的水平仰角β為地層影響角［5］。

圖2　地表沉降模型

中南大學(xué)楊小禮［5］認(rèn)為：粘土地層中地層影響角β隨著地質(zhì)條件的變化而變化。在粘性土中，軟粘土的沉降寬度系數(shù)（0.6～0.7）要大于硬裂隙粘土的地表沉降寬度系數(shù)（0.4～0.5）。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，得出沉降模型的不同地層影響角β的建議值，如表1所列。

表1　不同地層條件下地層影響角β建議值一覽表

表中，為土體內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值，基于上文提到的地層影響角在不同地層的取值范圍，可取砂性土地層土體內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值為45°。

1.4地表沉降預(yù)測(cè)模型

改正后的數(shù)學(xué)模型將單一的橫向沉降槽轉(zhuǎn)化為區(qū)域性沉降槽，可以在已知覆土厚度、盾構(gòu)推力、推進(jìn)速度等參數(shù)條件下，預(yù)測(cè)盾構(gòu)機(jī)所在區(qū)域的局部地表沉降情況，如圖3所示。

圖3　改正后地表沉降槽模型示意圖

改正后的數(shù)學(xué)模型并不可以預(yù)測(cè)大范圍地表沉降，距離盾構(gòu)越近，預(yù)測(cè)值可信度越高。一般采用距離盾尾約10 m處的沉降點(diǎn)數(shù)值作為模型構(gòu)建基礎(chǔ)。

2　實(shí)例分析

本文在從改變模型參數(shù)得到理論沉降值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的可行性及適用性。本文的數(shù)據(jù)來源為鄭州市南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路工程一期工程08標(biāo)段地表沉降數(shù)據(jù)。08標(biāo)段位于一期工程規(guī)劃線路最南端，區(qū)間線路主要下穿機(jī)場二期規(guī)劃用地和機(jī)場捷運(yùn)區(qū)間。盾構(gòu)穿越地層主要以粉砂、細(xì)砂為主，隧道埋深在14 m～21 m。

本文數(shù)據(jù)分析工具為Matlab R2010b版本，通過編程構(gòu)建數(shù)據(jù)計(jì)算模型，引入不同變量值進(jìn)行模型構(gòu)建，并輸出三維網(wǎng)格圖。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)縱向間距為4 m，共布設(shè)5個(gè)斷面，橫向分別以3 m，2 m，2 m，2 m，3 m布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見圖4）。

圖4　改正后地表沉降槽模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

2.1不同推力下的沉降模型

盾構(gòu)推力是影響切口處地表沉降的重要因素之一。推力過大會(huì)引起地表的隆起，推力過小會(huì)引起地表的超限沉降。推力值取13 500～15 000 kN之間，計(jì)算結(jié)果見表2所列。

表2　不同推力下地表沉降槽模型沉降量一覽表

由表2統(tǒng)計(jì)可以看出：推力增大會(huì)引起地表的隆起，沉降槽在盾構(gòu)切口處呈隆起狀態(tài)，在盾尾處沉降值最大。

2.2不同推進(jìn)速度下的沉降模型

不同的推進(jìn)速度對(duì)沉降槽有相應(yīng)的影響，從沉降槽公式（4）可以看出，沉降量會(huì)隨著推進(jìn)速度的變化而變化，通過沉降槽公式計(jì)算沉降數(shù)據(jù)如表3所列。

2.3理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.1節(jié)和2.2節(jié)主要討論了在不同推力和推進(jìn)速度的情況下沉降槽預(yù)測(cè)情況，總體看來，沉降槽沿推進(jìn)方向沉降量逐漸增大，在盾尾處沉降量達(dá)到最大，在切口附近，地層由于刀盤的推力作用，地表呈輕微隆起狀態(tài)。根據(jù)模型計(jì)算和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，得出的數(shù)據(jù)列于表4。

表3　不同推進(jìn)速度下地表沉降槽模型沉降量一覽表

表4　沉降模型理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比表　mm

從表4可以看出，理論計(jì)算模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差值最大為0.12 mm，在實(shí)際應(yīng)用中，可以利用理論模型做相關(guān)的地層沉降分析，為施工提供相應(yīng)的指導(dǎo)建議。

3　結(jié)　論

地表沉降預(yù)測(cè)在實(shí)際操作中很難控制，諸如地質(zhì)條件因素、施工參數(shù)因素、后期注漿維穩(wěn)因素

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A

1009-7716（2016）06-0319-03

2016-02-23

潘濤（1985-），男，江蘇人，工程師，項(xiàng)目總工程師，從事城市軌道交通工程和地下工程技術(shù)研究工作。