單曲線隧道地表不均勻沉降計(jì)算方法

馮 浩

(中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司，上海 200436)

0 引言

近年來地鐵曲線型隧道在實(shí)際工程中得到越來越多的應(yīng)用。觀察發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)在隧道曲線段施工時(shí)產(chǎn)生的地表不均勻沉降，與Peck[1]公式所預(yù)測的沉降槽分布形態(tài)存在很大的區(qū)別，而不均勻沉降會(huì)對(duì)建筑物造成更大的危害。由于曲線段盾構(gòu)施工時(shí)對(duì)周圍土體的擾動(dòng)程度要多于直線段盾構(gòu)施工，對(duì)曲線段地表沉降的預(yù)測存在更多的不確定性。因此，深入研究盾構(gòu)隧道曲線段施工過程中引起的地表沉降規(guī)律及預(yù)測方法顯得尤為重要。本文以某地鐵區(qū)間盾構(gòu)施工項(xiàng)目為背景，在隧道施工線路上多個(gè)曲線段分別設(shè)置了地表沉降觀測面。通過沉降實(shí)測數(shù)據(jù)擬合計(jì)算回歸方式驗(yàn)證了假設(shè)沉降公式的適用性。

1 工程概況

該項(xiàng)目地鐵區(qū)間隧道線路總長2 716 m。采用土壓平衡盾構(gòu)施工，平均覆土厚度約為13 m。隧道管片內(nèi)徑為5.8 m，管片厚度為275 mm，管片長度為1.4 m。刀盤直徑6 670 mm，盾構(gòu)外徑6 630 mm、內(nèi)徑6 490 mm。盾構(gòu)機(jī)平均掘進(jìn)速度為8環(huán)/d。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料顯示，該施工段隧道主要處于風(fēng)化的肯尼山殘積土層之中。隧道掘進(jìn)范圍存在高度風(fēng)化的石英巖、千枚巖、泥巖等巖體，巖石等級(jí)基本為四級(jí)，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體強(qiáng)度大部分在30 MPa以內(nèi)。

2 觀測面及施工參數(shù)

2.1 觀測面

該隧道區(qū)間施工段含多處曲線。為監(jiān)測隧道施工引起的地表沉降，沿隧道縱向布置了多個(gè)沉降觀測面及沉降觀測點(diǎn)。為研究隧道施工引起的地表沉降，本文選取四個(gè)位于不同半徑曲線段的觀測面作為研究對(duì)象。觀測面里程及相應(yīng)的曲線半徑分別為CH 1+448(R=500 m),CH 1+518(R=400 m),CH 1+960(R=700 m)和 CH 2+400(R=300 m)。沉降觀測點(diǎn)分別布置在各沉降觀測面上，并在各觀測面上各自建立相應(yīng)的直角坐標(biāo)系記錄沉降值。

2.2 土倉壓力值

盾構(gòu)機(jī)通過CH 1+448(R=500 m)時(shí)，土倉壓力平均值為1.2 bar；通過CH 1+518(R=400 m)時(shí)，土倉壓力由1.0 bar提高到1.4 bar，平均為1.09 bar；通過觀測面CH 1+1 960(R=700 m)和CH 2+400(R=300 m)時(shí)，平均土倉壓力分別為1.55 bar和1.78 bar。

3 地表沉降

3.1 隧道曲線段盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律

盾構(gòu)機(jī)到達(dá)觀測面后，沉降觀測點(diǎn)的地表沉降值以觀測面CH 1+448(R=500 m)如圖1所示。應(yīng)用Gaussamp函數(shù)對(duì)各觀測面實(shí)測沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合計(jì)算，擬合度分別為-0.71，-0.84，0.28及0.78，說明擬合曲線與實(shí)測數(shù)據(jù)的偏離度很大。這一結(jié)果說明應(yīng)用Peck公式不能良好的估算該項(xiàng)目曲線段的地表沉降，也進(jìn)一步說明了曲線段地表沉降存在不均勻沉降。

3.2 計(jì)算公式推理假設(shè)

隧道盾構(gòu)施工過程地表沉降的形成主要是由于地層損失造成，而地表沉降的不對(duì)稱現(xiàn)象主要是由于隧道軸線兩邊地層損失的不對(duì)稱而造成的。地表沉降的計(jì)算公式是以正態(tài)分布函數(shù)為框架構(gòu)成的。因此，我們可以推想，曲線段地表沉降估算公式可以隧道軸線為中線，在兩側(cè)分別建立半?yún)^(qū)間的正態(tài)分布函數(shù)框架，構(gòu)成整個(gè)沉降槽的計(jì)算公式。由沉降槽曲線連續(xù)性特征可以得知在沉降最大值處必定是連續(xù)的。所以式(1)可表達(dá)如下：

(1)

其中，Sx為距隧道中心線橫向距離x處的地表沉降，m；ii，io分別為隧道中心軸沿曲線內(nèi)、外兩側(cè)沉降槽寬度系數(shù)，分別取為隧道中心軸內(nèi)、外兩側(cè)地表沉降曲線反彎點(diǎn)與原點(diǎn)的距離；Vi，Vo分別為盾構(gòu)隧道中軸線沿曲線內(nèi)、外兩側(cè)單位長度地層損失量，m/m；yoi，yoo分別為曲線內(nèi)、外側(cè)可能的負(fù)地層損失。

3.3 計(jì)算公式驗(yàn)證

應(yīng)用式(1)對(duì)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)各觀測面時(shí)的地表沉降數(shù)據(jù)再次進(jìn)行擬合,仍然以觀測面CH 1+448(R=500 m)為例，見圖2。通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)各觀測面的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，擬合曲線與實(shí)際工程數(shù)據(jù)的擬合度非常理想，擬合度分別為0.99，0.96，0.97和0.99，基本都接近1。這個(gè)結(jié)果表明采用式(1)對(duì)隧道曲線段的地表沉降進(jìn)行計(jì)算時(shí)，結(jié)果與工程實(shí)測數(shù)據(jù)吻合，證明公式適用。

4 結(jié)語

為研究曲線隧道盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律及計(jì)算方法，本文通過工程的實(shí)測數(shù)據(jù)分析推理及數(shù)值計(jì)算得出如下結(jié)論：1)曲線隧道盾構(gòu)施工地表沉降存在不均勻沉降，曲線內(nèi)側(cè)的沉降量往往大于外側(cè)。應(yīng)用Peck公式Gauss函數(shù)計(jì)算曲線段沉降已經(jīng)不再適用；2)隧道曲線段盾構(gòu)施工地表沉降可用分段函數(shù)表示，以隧道軸線處為中線，沉降槽左、右半?yún)^(qū)間曲線可以分別用不同系數(shù)的高斯函數(shù)表示。

參考文獻(xiàn):

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