土巖復合地層中地鐵施工Peck沉降預測公式改進

姚愛軍，盧　健，邱忠旺，王文森，蔡長欣（北京工業(yè)大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京　100124）

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土巖復合地層中地鐵施工Peck沉降預測公式改進

姚愛軍，盧健，邱忠旺，王文森，蔡長欣
（北京工業(yè)大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京100124）

摘要城市地鐵暗挖施工中，預估地表沉降方法中應用最廣泛的是Peck公式法，但其適用條件具有一定的局限性。為此，針對土巖復合地層條件下長春地鐵一號線雙線隧道暗挖工程地表沉降的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)，應用一元線性回歸方法，采用對單條隧道的沉降數(shù)據(jù)分別擬合再疊加的方法獲得了雙線隧道的實測數(shù)據(jù)擬合曲線。將實測數(shù)據(jù)擬合曲線與Peck公式預測曲線對比，對Peck公式中的沉降槽寬度和地表最大沉降量進行修正，得出適用于本地區(qū)雙線隧道施工的Peck修正公式。研究表明:修正后的Peck公式中沉降槽寬度修正系數(shù)主要分布在0. 5～0. 9、地表最大沉降量修正系數(shù)主要分布在0. 3～0. 8，修正后的Peck公式預測沉降曲線與實測數(shù)據(jù)擬合曲線吻合良好，可作為研究區(qū)地表沉降預測方法。

關鍵詞土巖復合地層；地鐵隧道；Peck公式；修正系數(shù)

預估地鐵隧道開挖引起的地表沉降變形方法中應用最廣泛的就是Peck公式法。Peck于1969年定義了地層損失的概念，然后提出了預估隧道開挖引起的地表沉降變形的方法，他認為地表沉降槽近似正態(tài)曲線分布，并且沉降槽體積與地層損失體積相等［1］。韓煊等［2］針對全國各地搜集到的30多組實測沉降變形數(shù)據(jù)進行研究，得出了若隧道埋深達到一定深度，其瞬時地表沉降曲線符合高斯分布。陳春來等［3］針對雙線盾構隧道施工引起地表沉降進行了數(shù)值模擬計算，得出在兩條隧道間距較小情況下，地表沉降符合正態(tài)分布；若隧道間距較大，則地表沉降槽形狀由Ⅴ形轉變?yōu)閃形。李倩倩等［4］認為當兩條隧道軸線間距＜2D（D為隧道直徑）時，地表沉降呈單凹槽狀，間距＞2D時呈雙凹槽狀。姚愛軍等［5］對大間距雙線隧道礦山法地鐵施工引起的地表沉降進行了研究，得出了在兩條隧道開挖交叉影響區(qū)域內地表沉降會疊加，大間距隧道施工對另外一條隧道影響較小。任強等［6］認為Peck公式對雙線平行隧道適用，且隧道開挖引起的地表沉降呈兩個正態(tài)分布地表沉降槽疊加，地表沉降槽沿兩條隧道軸線距離中點呈軸對稱分布。劉波等［7］根據(jù)研究得出了相距不遠的兩條隧道在開挖過程中會對地表沉降槽產生相互疊加的影響，并且根據(jù)疊加原理給出了雙線隧道開挖地表沉降預測公式

式中：l為兩條隧道中心距，且坐標原點取在兩條隧道軸線對稱中心位置。

由于各地區(qū)地層差異，導致各個地區(qū)的地表變形實測值與Peck公式預測值差異較大，因此Peck公式具有局限性。鑒于此，姚愛軍等［8］針對北京地區(qū)地鐵隧道的Peck沉降預測公式進行了修正，修正后的Peck公式預測的沉降槽曲線與實際沉降曲線吻合較好。楊清源等［9］對大連地鐵隧道施工實測數(shù)據(jù)進行分析，得出了適用于大連地鐵部分地區(qū)的修正Peck沉降預測公式。段紹偉等［10］針對長沙地區(qū)地鐵開挖實測數(shù)據(jù)進行了回歸分析，并對Peck沉降預測公式進行了修正，修正結果符合長沙地區(qū)地鐵施工引起的地表沉降規(guī)律。

本文基于長春地鐵一號線雙線隧道暗挖段地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，引入地表最大沉降量修正系數(shù)α和沉降槽寬度修正系數(shù)β，對Peck公式進行修正，得出的結果為本地區(qū)地表沉降預測提供參考。

1　工程概況

長春市地鐵1號線解放大路站～自由大路站區(qū)間處于長春市人民大街正下方。解放大路站～自由大路站區(qū)間隧道起始于解放大路站南端，沿人民大街道路下方布置，向南依次下穿環(huán)形永昌路、義和路等最后進入自由大路站。區(qū)間沿線地面高程215. 28～208. 43 m，區(qū)間線路縱向呈一面坡形式，隧道縱坡坡度為4‰，區(qū)間隧道頂埋深16. 1～20. 8 m。區(qū)間隧道采用暗挖法施工，本區(qū)間的設計里程為K19 + 471. 700—K20 + 827. 200，區(qū)間長度約為1 355. 5 m。設置一處臨時施工豎井，中心里程為K20 + 294. 073，于K19 + 925處設置聯(lián)絡通道，臨時豎井及橫通道作為另外一個聯(lián)絡通道使用。區(qū)間范圍內的地層由上到下依次為雜填土、粉質黏土、礫砂、全風化泥巖、強風化泥巖、中風化泥巖。隧道處于土巖復合地層，斷面形狀為馬蹄形斷面，開挖凈空為6. 5 m（高）×6. 2 m（寬），采用超前小導管進行超前支護，洞內開挖采用機械配合人工開挖，短臺階法施工。

2　實測數(shù)據(jù)回歸分析

2. 1回歸分析原理Peck公式為

式中：S（x）為距離隧道軸線x處地表沉降，m；Smax為地表最大沉降量，mm；i為沉降槽寬度，m；x為沉降監(jiān)測點到隧道軸線的距離，m。

首先對Peck公式兩邊同時取對數(shù)可以得到

以lnS（x）和- x2/2為變量，以lnSmax為常數(shù)項，以1 /i2為線性系數(shù)，進行以下回歸分析。

式中：xj項為第j個沉降監(jiān)測點與隧道軸線之間的距離，n為樣本數(shù)量，）a為回歸后的常數(shù)項，）b為回歸后的線性系數(shù)。

由公式（2）到公式（11）可以得到回歸后的Smax及i，即可得到回歸曲線。

采用線性相關系數(shù)R檢驗回歸函數(shù)的線性相關關系。

當R＞r0. 01（n - 2）時，回歸函數(shù)的線性關系高度顯著；當r0. 01（n - 2）＞R＞r0. 05（n - 2）時，回歸函數(shù)的線性關系顯著。

2. 2實測數(shù)據(jù)回歸分析

由于本區(qū)間隧道為兩條隧道開挖施工，且兩條隧道距離較近，故本文采用公式（1）作為預測地表沉降公式。由于雙線隧道開挖引起的地表沉降量是單條隧道分別開挖引起的地表沉降量的疊加，且本文中沉降監(jiān)測點主要分布在左線隧道軸線的左側和右線隧道軸線的右側，一條隧道開挖對另一條隧道監(jiān)測點的影響較小。所以本文對兩條隧道的沉降預測公式先分別修正，再進行疊加，并且偏安全考慮，在對單條隧道的沉降預測公式進行修正時認為兩條隧道遠離對稱軸側監(jiān)測所得沉降數(shù)據(jù)是由于單條隧道開挖所引起，忽略另外一條隧道產生的影響。

根據(jù)回歸分析原理選取左線的一個監(jiān)測斷面進行分析，將xj為- 7，- 4，- 2，0，7，S（x）為- 7. 32，- 9. 21，- 9. 30，- 10. 52，- 7. 06依次代入公式（4）～公式（6）可得Sxx為572. 3，Syy為0. 116 88，Sxy為7. 982。根據(jù)公式（7）、公式（8）得到）a為2. 312 58，）b為0. 013 947 2。則回歸后的線性函數(shù)為

線性相關系數(shù)R為0. 975，相關系數(shù)臨界值r0. 01（3）為0. 959，因此可以認為回歸方程的線性關系高度顯著。左線線性回歸結果見圖1。

從圖1中可以看到，實測數(shù)據(jù)均勻地分布在擬合回歸曲線兩側，因此擬合結果良好。

將）a，）b代入公式（10）、公式（11）可求得Smax為10. 10 mm，i為8. 46。從而可以得到擬合后的左線沉降曲線。

同理選取同一監(jiān)測斷面右線進行分析，將xj為- 7，0，2，4，7，S（x）為- 7. 41，- 12. 45，- 10. 41，- 9. 10，- 6. 76依次代入公式（4）～公式（6），可得Sxx為572. 3，Syy為0. 246 1，Sxy為11. 409 0。根據(jù)公式（7）、公式（8）得到）a為2. 431 233，）b為0. 019 935。則得到回歸后的線性函數(shù)為

圖1　左線回歸擬合結果

線性相關系數(shù)R為0. 961，相關系數(shù)臨界值r0. 01（3）為0. 959，因此可以認為回歸方程的線性關系高度顯著。右線線性回歸結果見圖2。

圖2　右線回歸擬合結果

從圖2中可以看到，實測數(shù)據(jù)均勻地分布在回歸曲線兩側，因此擬合結果良好。

將）a，）b代入公式（10）、公式（11）可求得Smax為11. 37 mm，i為7. 08。從而可以得到擬合后的右線沉降曲線。

將擬合后的左線和右線沉降曲線進行疊加，將疊加后的結果和Peck公式預測沉降曲線對比于圖3。

由圖3可以看出，Peck公式預測的沉降曲線與實測數(shù)據(jù)擬合曲線相差較大。這一差異主要是由于不同地區(qū)地層條件不同、施工方法不同所致。為了能夠更好地發(fā)揮Peck公式的優(yōu)點，更好地指導本地區(qū)施工，需要對Peck公式進行修正。

圖3　Peck公式預測曲線與實測數(shù)據(jù)擬合曲線對比

3 Peck公式改進

本文引入地表最大沉降量修正系數(shù)α和沉降槽寬度修正系數(shù)β對Peck公式進行修正。修正后的Peck公式為

將公式（16）分為左線和右線先分別考慮再疊加，并取兩條隧道軸線為坐標原點，對公式兩邊取對數(shù)，可得公式（17）、公式（18）。

運用第2節(jié)實測數(shù)據(jù)回歸分析求得的）a左，）b左和）a右，）b右。結合公式（9）、公式（10）可以得到α= exp（）a）/ Smax，β= 1 /［i（）b）0. 5］，其中Smax，i由Peck公式計算求得。可以得到α左為0. 51，β左為0. 66，α右為0. 57，β右為0. 56。

將施工過程中監(jiān)測的59個斷面實測數(shù)據(jù)按照以上方法進行回歸分析并對Peck公式進行修正。因為左線隧道和右線隧道關于兩條隧道軸線距離中點呈軸對稱分布，所以將左線的修正系數(shù)和右線的修正系數(shù)一起加以分析。α，β分布見圖4。

由圖4可以看出，α主要分布在0. 3～0. 8，占79. 66％。β主要分布在0. 5～0. 9，占97. 46％。由此可以得出，對于土巖復合地層條件下地鐵雙線暗挖隧道，地表最大沉降量修正系數(shù)α在0. 3～0. 8，沉降槽寬度修正系數(shù)β在0. 5～0. 9，Peck公式預測的地表沉降槽曲線可以較好符合本地區(qū)實際沉降槽曲線。

對典型斷面的Peck公式（公式（1））進行修正，修正系數(shù)取平均值，α為0. 55，β為0. 7，得到修正后曲線。取α為0. 3，β為0. 5可得修正后的上限曲線，取α為0. 8，β為0. 9可得修正后的下限曲線。將修正后上限曲線、下限曲線、典型斷面Peck公式修正后預測曲線、實測數(shù)據(jù)擬合曲線進行對比，見圖5。可見，實測數(shù)據(jù)擬合曲線、Peck公式修正后預測曲線均在上下限之間，并且實測數(shù)據(jù)擬合曲線與Peck公式修正后預測曲線相差較小，修正結果較為合理。

圖4　地表最大沉降量修正系數(shù)α和沉降槽寬度修正系數(shù)β的分布

圖5　Peck公式修正后預測曲線與實測數(shù)據(jù)擬合曲線對比

4　結論

本文對長春地鐵一號線地鐵雙線暗挖隧道工程地表沉降實測數(shù)據(jù)進行了回歸分析，獲得了地表沉降曲線。由于Peck公式受不同地區(qū)地質情況影響較大。本文引入地表最大沉降量修正系數(shù)α和沉降槽寬度修正系數(shù)β對Peck公式進行了修正，得出地表最大沉降量修正系數(shù)α主要分布在0. 3～0. 8、沉降槽寬度修正系數(shù)β主要分布在0. 5～0. 9，修正后的Peck公式預測的地表沉降曲線與實測數(shù)據(jù)擬合曲線吻合較好。

本文得出的結果只適用于本工程，具有一定的局限性，其他地區(qū)還有待對當?shù)貙崪y數(shù)據(jù)進一步研究。

參考文獻

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（責任審編葛全紅）

Improving of Peck's Settlement Calculation Formula Related to Metro Tunnel Construction in Soil-Rock Composite Stratum

YAO Aijun，LU Jian，QIU Zhongwang，WANG Wensen，CAI Changxin
（Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering，Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

AbstractAs for city metro excavation constructions，the peck formula is widely used for surface subsidence prediction，but it still has its limitation. A case study was conducted in this paper. T he settlement of Changchun twoline metro tunnel passing soil-rock composite stratum was monitored. W ith linear aggression，the settlement of a single tunnel was fitted and superposition was then used to obtain the two-line settlement. T he actual data were compared with the predicted curve using peck formula. T he settler width and the maximum surface settlement were corrected；thus，the improved peck formula can be effectively applied. T he correction factor for settler width is between 0. 5 and 0. 9，and that for maximum surface settlement is between 0. 3 and 0. 8. T he predicted settlement curve using the improved peck formula fits well with the measured data.

Key wordsSoil-rock composite stratum；M etro tunnel；Peck formula；Correction factor

中圖分類號U455. 4

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 23

文章編號：1003-1995（2016）06-0083-05

收稿日期：2015-10-20；修回日期：2016-04-25

基金項目：高等學校博士學科點專項科研基金（20121103110022）；國家自然科學基金（51578023）

作者簡介：姚愛軍（1966—），男，教授，博士。