一種適用于砂性土地層盾構隧道地表沉降理論預測方法

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隧道地表沉降理論預測方法

潘濤

（上海隧道工程有限公司，上海市200082）

盾構法隧道施工廣泛應用于城市公路、地鐵、給排水、電力等隧道工程施工中。但是，由于施工工藝質量及周圍的施工環境和土層特點，施工引起的地層位移是不可能完全消除的。如果影響過大，勢必會引起地表的沉降隆起超限，嚴重情況會導致周圍建筑物傾斜倒塌和構筑物變形。在現有的沉降理論預測方法中選擇適合于砂性土地層盾構施工引起的地表沉降預測方法，并在該方法基礎上進行改進，得出砂性土地層特有的不同推進參數下盾構隧道施工引起的地表沉降理論預測方法。

砂性土地層；推進參數；地表沉降

0　引言

盾構法隧道施工廣泛應用于隧道施工中。由于施工技術工藝質量及周圍的施工環境和土層特點，施工引起的地層位移是不可能完全消除的。

在地表沉降預測方面，國內外開展了大量的研究，積累了很多方法，主要可以歸納為：經驗法、室內模擬實驗法和數值模擬法等類型［1.2］。其中，經典的地表沉降槽模型為Peck橫向地表沉降槽。他引入類似倒正態分布曲線的數學模型，在沉降預測理論研究方面有著重要的指導意義。其他科研工作者在其基礎上引入多項參數，在不同的數學方法上驗證Peck公式的可行性，同時也提出了更加精確的沉降模型。但是，許多沉降模型都受實際環境的影響，或者多用于實驗室理論驗證。

砂性土地層特點特殊，對于易坍塌的砂質土、含黏土少的砂、砂礫等地層，地表沉降控制是施工質量控制的重要指標之一。本文依托鄭州城郊鐵路08標項目工程，結合其特有的施工砂性土地層特點，在原有的地表沉降預測數學模型基礎上，引入盾構推力，推進速度等參數，將橫向沉降槽擴展為縱橫相結合的區域性沉降槽，得出砂性土條件下盾構推進區域的局部沉降槽預測模型。

1　地表沉降預測模型

1.1Peck法沉降預測

早在1969年，Peck［3］提出地層損失的概念和估計隧道施工引起地面沉降的實用方法。他的理論基于大量的地表沉降數據實測分析，最后得出近似于正態分布曲線的沉降槽（見圖1）。在后來實際應用中，大量的研究者在Peck的基礎之上對預測模型進行改進，其預測公式為：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；Vs為單位長度地表沉降槽體積；H為覆土厚度；為土體內摩擦角加權平均值。

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i與覆土厚度H成正比關系。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關系，即理論上覆土厚度越大，沉降量越小。

當然，Peck沉降預測法傾向于實驗室研究地表沉降，在實際的施工中，需要對此進行修正，也會依據不同的施工環境進行參數改正，如解析法、數值模擬法和鏡像法［4］等，本文不一一贅述。

1.2修正沉降預測數學模型

盾構推進過程中引起的地表沉降往往與其他因素有關，例如推進速度、推力、刀盤扭矩和地質條件等，同時與同步注漿等施工工藝也有很大的關系。本文所介紹的數學模型主要以盾構的推進參數為依據，在原有的數學模型基礎上，引入盾構推進速度和推力兩大因素進行探討，構建砂性土地層不同推進參數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為盾構刀盤至盾構距離；F為盾構推力，kN；ν為盾構推進速度，cm/min；S（X）為地表沉降量。

1.3地表沉降槽寬度系數

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

圖2　地表沉降模型

中南大學楊小禮［5］認為：粘土地層中地層影響角β隨著地質條件的變化而變化。在粘性土中，軟粘土的沉降寬度系數（0.6～0.7）要大于硬裂隙粘土的地表沉降寬度系數（0.4～0.5）。在實驗的基礎之上，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，為土體內摩擦角加權平均值，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摩擦角加權平均值為45°。

1.4地表沉降預測模型

改正后的數學模型將單一的橫向沉降槽轉化為區域性沉降槽，可以在已知覆土厚度、盾構推力、推進速度等參數條件下，預測盾構機所在區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

改正后的數學模型并不可以預測大范圍地表沉降，距離盾構越近，預測值可信度越高。一般采用距離盾尾約10 m處的沉降點數值作為模型構建基礎。

2　實例分析

本文在從改變模型參數得到理論沉降值與實測值進行對比，驗證模型的可行性及適用性。本文的數據來源為鄭州市南四環至鄭州南站城郊鐵路工程一期工程08標段地表沉降數據。08標段位于一期工程規劃線路最南端，區間線路主要下穿機場二期規劃用地和機場捷運區間。盾構穿越地層主要以粉砂、細砂為主，隧道埋深在14 m～21 m。

本文數據分析工具為Matlab R2010b版本，通過編程構建數據計算模型，引入不同變量值進行模型構建，并輸出三維網格圖。監測點布設縱向間距為4 m，共布設5個斷面，橫向分別以3 m，2 m，2 m，2 m，3 m布設6個監測點（見圖4）。

圖4　改正后地表沉降槽模型監測點布設示意圖

2.1不同推力下的沉降模型

盾構推力是影響切口處地表沉降的重要因素之一。推力過大會引起地表的隆起，推力過小會引起地表的超限沉降。推力值取13 500～15 000 kN之間，計算結果見表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統計可以看出：推力增大會引起地表的隆起，沉降槽在盾構切口處呈隆起狀態，在盾尾處沉降值最大。

2.2不同推進速度下的沉降模型

不同的推進速度對沉降槽有相應的影響，從沉降槽公式（4）可以看出，沉降量會隨著推進速度的變化而變化，通過沉降槽公式計算沉降數據如表3所列。

2.3理論計算與實測數據

2.1節和2.2節主要討論了在不同推力和推進速度的情況下沉降槽預測情況，總體看來，沉降槽沿推進方向沉降量逐漸增大，在盾尾處沉降量達到最大，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。根據模型計算和實測值進行對比，得出的數據列于表4。

表3　不同推進速度下地表沉降槽模型沉降量一覽表

表4　沉降模型理論計算值與實測值對比表　mm

從表4可以看出，理論計算模型與實測數據差值最大為0.12 mm，在實際應用中，可以利用理論模型做相關的地層沉降分析，為施工提供相應的指導建議。

3　結　論

地表沉降預測在實際操作中很難控制，諸如地質條件因素、施工參數因素、后期注漿維穩因素

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A

1009-7716（2016）06-0319-03

2016-02-23

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