盾構(gòu)隧道下穿既有隧道地面變形分析

楊新強

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100018）

0 引言

地鐵和隧道的開挖與修建是緩解城市交通壓力的重要手段[1]?？紤]到已經(jīng)開挖和修建的各種地下建筑物及地下管網(wǎng)縱橫交錯,在此基礎(chǔ)上如果繼續(xù)開挖和修建,會對已有地層及地上建筑物產(chǎn)生擾動。而且，隨著隧道開挖的進行，其深度會不斷增加,這對隧道和地層的擾動影響也就更大,尤其是對于地表的影響[2]。

本文以鄭州地鐵為例，通過Peck公式進行沉降預測，并將結(jié)果與實測數(shù)據(jù)分析結(jié)果進行對比，驗證Peck公式在本地區(qū)的適用性，為本地區(qū)地鐵施工沉降預測提供參考。

1 工程案例

1.1 工程概況

鄭州地鐵14號線市民大道站～市委黨校站區(qū)間起點里程右K3+605.316（左K3+605.316），終點里程右K4+468.874（左K4+468.874），左線長度為863.593單線延米，右線長度為863.376單線延米，全長1726.969延米。線路縱坡設(shè)計為單坡，最大坡度為5.271‰，最小坡度為2‰。區(qū)間地面標高約121.30～126.80m，盾構(gòu)隧道埋深約10.8～20.6m。本區(qū)間結(jié)構(gòu)為單線單洞隧道，采用盾構(gòu)法施工。

1.2 監(jiān)測點布設(shè)

在地面上布設(shè)平行于隧道軸線的沉降監(jiān)測點和垂直于隧道軸線的沉降斷面監(jiān)測點。平行于隧道軸線的沉降監(jiān)測點布設(shè)在市民大道隧道底板位置，每3m布設(shè)一個監(jiān)測斷面，每個斷面布設(shè)9個測點，監(jiān)測點布設(shè)可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行適當調(diào)整。

2 地表沉降值理論計算

在預測隧道施工中引起的地表變形的全部經(jīng)驗方法中，Peck公式的計算預測是利用率最高的[3]。地下隧道在開挖過程中引起的土體位移曲線稱為沉降槽，如圖1所示。

圖1 沉降槽曲線

R.B. Peck在大量實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了沉降槽近似正態(tài)分布的概念[4]。Peck所參與搜集的30多組實際測量數(shù)據(jù)都可以較好地直接采用高斯分布曲線進行擬合。Peck猜想在非排水的情況下，隧道的施工開挖可能導致的沉降槽體積應近似等于土體損失的體積，由此提出了沉降槽的橫斷面基本遵循高斯分布擬合曲線的規(guī)律，其相應的位移變形預測方法見式（1）：

式中：S(x)—距隧道中心線x(m)處的沉降值；Smax—沉降曲線頂點處的沉降量(mm)，理論上為沉降的最大值；x—從中心線對應的地面點為起始點到所計算點的距離；i—沉降槽寬度，表示從中心線(x=0)對應的地面點為起始點到曲線拐點處的距離(m)。

最大沉降量Smax的計算見式（2）：

式中：Vs—隧道單位長度上的地層損失(m3/m)。

2.1 沉降槽寬度i的影響因素

通常認為，盾構(gòu)法施工過程中沉降槽寬度i與隧道的埋深Z0存在比例系數(shù)為K的線性關(guān)系[5]，即：

式中：K-沉降槽寬度系數(shù)，主要由開挖土體的力學特性決定，一般在不同的土層中K值不同。

2.2 Vs的確定

Vs是隧道理論開挖面積與地層土體體積損失率V1的乘積[6]，即：

3 采集數(shù)據(jù)分析

本次數(shù)據(jù)采集了右線盾構(gòu)穿越市民大道地下隧道工期（2017年12月30日～2018年1月1日）前后三周的縱、橫向48個監(jiān)測點的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到了累計沉降量曲線。

第一周共測取5次數(shù)值。本階段變形在-21.5mm（DBC-1-08）～0.6mm（DBC-40-08）之間變化，平均變化速率在-3.1mm/d～0.1mm/d之間變化；累計變化量在-21.5mm（DBC-1-08）～0.6mm（DBC-40-08）之間變化；繪制累計位移曲線見圖2所示。

圖2 第一周右線盾構(gòu)推進中地表累計沉降值曲線

第二周共測取5次數(shù)值。本階段變形在-8.7mm（DBC-67-06）～0.5mm（DBC-54-02）之間變化，平均變化速率在-1.2mm/d～0.1mm/d之間變化；累計變化量在-22.7mm（DBC-1-08）～0.5mm（DBC-54-02）之間變化；繪制累計位移曲線見圖3所示。

圖3 第二周右線盾構(gòu)推進中地表累計沉降值曲線

第三周共測取5次數(shù)值。本階段變形在-44.6mm（DBC-127-07）～2.8mm（DBC-54-02）之間變化，平均變化速率在-6.4mm/d～0.5mm/d之間變化；累計變化量在-44.6mm（DBC-127-07）～2.8mm（DBC-54-02）之間變化；繪制累計位移曲線見圖4所示。

圖4 第三周右線盾構(gòu)推進中地表累計沉降值曲線

由圖2-圖4可見，除去第三周DBC-107-01,DBC-117-01,DBC-127-07,DBC-127-08累計沉降超過30mm,其他下穿施工引起的地表累計沉降值均在控制范圍內(nèi)（-30/10mm）。地表沉降監(jiān)測斷面的累計沉降曲線與Peck經(jīng)驗公式法得到的沉降槽曲線變化規(guī)律相同，可以分為微小沉降階段、急劇沉降階段、緩慢沉降階段、沉降穩(wěn)定階段。

4 結(jié)論

通過Peck公式的計算預測結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果對比得到：1）Peck公式的計算預測結(jié)果滿足規(guī)范要求，且與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果誤差較小，驗證了Peck公式在本地區(qū)的適用性。2）Peck沉降槽是目前預測地表沉降值時常用的相對簡單的方法，能夠較準確地預測盾構(gòu)開挖引起的地面沉降。3）地表沉降變形規(guī)律顯示可以分為微小沉降階段、急劇沉降階段、緩慢沉降階段、沉降穩(wěn)定階段。