隧道礦山法施工引起的地表沉降預(yù)測研究

朱麗玲，李永寧，張佳琪

(新疆大學，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

地鐵隧道施工必然會引起土體擾動，使地表發(fā)生變形。精準預(yù)測該變形是地鐵安全施工、順利運營的前提。目前，預(yù)測這類變形的方法有公式法[1-5]、數(shù)值法[6- 8]、解析法[9-12]以及隨機介質(zhì)法[13-14]等。其中，Peck公式法以其合理、簡便的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于隧道開挖引起的地表沉降預(yù)測中。陳春舒等[15]研究了適用于長江一帶地層的Peck公式；張碧雪等[16]結(jié)合徐州地區(qū)地層特性對Peck公式進行了修正；劉金慧等[17]以長株潭城際高鐵盾構(gòu)隧道為例，分析了地層損失率的影響因素；一些研究[18-22]將Peck公式運用于地表沉降過程產(chǎn)生的位移與變形規(guī)律的研究中。

由于烏魯木齊地區(qū)地鐵建設(shè)起步較晚，還未有學者針對烏魯木齊地區(qū)巖石復(fù)合地層、礦山法施工引起的地表沉降做出Peck公式的修正。為此，本文以烏魯木齊軌道交通1號線新興街站～南湖廣場站區(qū)間地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，借助線性回歸法對經(jīng)典Peck公式進行了參數(shù)修正，為烏魯木齊地區(qū)及類似地質(zhì)條件下隧道開挖沉降預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 工程概況

烏魯木齊市軌道交通1號線新興街站～南湖廣場站為礦山法施工區(qū)間，主要地層為雜填土、卵石填土組成的第四系全新統(tǒng)人工填筑土；粉質(zhì)黏土、卵石組成的第四系沖、洪積層以及侏羅系基巖層。地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 新興街站～南湖廣場站區(qū)間地質(zhì)剖面

該區(qū)間監(jiān)測點分別布設(shè)在垂直斷面和水平斷面上。垂直斷面上，監(jiān)測點之間距離為20～40 m；水平斷面上，遵循近密遠疏原則，共布設(shè)7～11個點。量測點斷面布置見圖2。

圖2 量測點斷面布置

2 數(shù)據(jù)回歸分析

2.1 Peck公式

Peck公式假定土體損失體積等于沉降槽體積，且認為隧道開挖引起的沉降曲線符合正態(tài)分布曲線，即

(1)

(2)

式中，Smax為隧道中心線正上方的沉降，是理論最大沉降值；x為隧道中心線到計算點的水平距離；i為沉降槽寬度；vl為地層損失率。

對式(1)進行回歸處理，分別得到最大沉降量Smax與沉降槽寬度i的取值，即

(3)

(4)

基于上述公式，使用相關(guān)系數(shù)R2對各量測點監(jiān)測數(shù)據(jù)與Peck公式的擬合程度進行評價，結(jié)果見表1。從表1可知，14組實測數(shù)據(jù)的擬合相關(guān)系數(shù)均達到了90%以上，表明本區(qū)間的多數(shù)量測數(shù)據(jù)符合Peck曲線，可采用Peck公式進行地表沉降預(yù)測。

表1 各斷面線性分析結(jié)果

2.2 Peck公式修正

受特定地層條件、施工方法等因素的影響，每個地區(qū)的地表沉降規(guī)律略有差異，套用其他地區(qū)的經(jīng)驗公式會使預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生偏差，無法精準地預(yù)測烏魯木齊市地鐵開挖引起的地表沉降?，F(xiàn)引入修正系數(shù)α、β對Peck公式中地表最大沉降量和沉降槽寬度進行修正，修正后的Peck公式如下

(5)

式中，Smax′為地表最大沉降修正值；i′為沉降槽寬度修正值。

表2 修正系數(shù)匯總

圖3 修正系數(shù) α、β分布

根據(jù)上述分析結(jié)果對地表沉降進行預(yù)測，并將預(yù)測曲線與實測數(shù)據(jù)、未修正的Peck曲線進行對比，結(jié)果見圖4。從圖4可知，2.6%的實測數(shù)據(jù)分布于預(yù)測曲線下限“α=0.813、β=0.857”之上，1.95%的實測數(shù)據(jù)分布于預(yù)測曲線上限“α=1.164、β=1.379”之下，即95.5%的實測數(shù)據(jù)分布在預(yù)測曲線上下限之間，表明當最大沉降量修正參數(shù)α取值范圍為0.818 3～1.164 4、沉降槽寬度系數(shù)修正參數(shù)β取值范圍為0.857～1.379 2，采用修正Peck公式能準確預(yù)測地表沉降。

圖4 Peck預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比

3 地表沉降預(yù)測

3.1 公式預(yù)測

選取與新興街站～南門廣場站區(qū)間地層條件相似的南湖廣場站～南湖北路站區(qū)間進行修正公式驗證，該區(qū)間地表沉降實測數(shù)據(jù)與修正的Peck曲線見圖5。從圖5可知，92%的實測數(shù)據(jù)均分布于修正曲線的上、下限之間，說明修正后Peck曲線與實測數(shù)據(jù)吻合度較高，即可以運用上述修正的Peck公式對烏魯木齊地區(qū)巖石復(fù)合地層、礦山法施工引起的地表沉降進行預(yù)測。

圖5 Peck預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比

3.2 數(shù)值模擬

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測、地勘資料、施工工法等，獲取了區(qū)間上覆土層的物理力學參數(shù)，見表3。采用M-C本構(gòu)模型，礦山法施工，建立了三維隧道開挖模型，見圖6。通過計算無支護開挖對圍巖的擾動變形情況，將數(shù)值模擬結(jié)果與實測值、修正Peck公式預(yù)測結(jié)果進行對比分析，結(jié)果見圖7。從圖7可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實測值吻合度高，曲線變化趨勢基本一致，相對誤差整體處于0.47%～25.5%之間，說明數(shù)值模擬可靠度較高，能夠反應(yīng)工程實際情況。數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)點均分布在修正Peck公式預(yù)測結(jié)果的上、下限之間，說明修正Peck公式的預(yù)測區(qū)間具有較高的合理性，能準確預(yù)測地表沉降。

表3 土層物理力學參數(shù)

圖6 數(shù)值模擬

圖7 數(shù)值模擬結(jié)果、預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比

4 結(jié) 語

本文以烏魯木齊地鐵為例，采用修正Peck公式法對隧道施工引起的地表沉降進行預(yù)測，主要結(jié)論如下：

(1)Peck公式需要根據(jù)地區(qū)環(huán)境、地層條件以及施工方法進行一定的修正。本文對最大沉降修正系數(shù)α以及沉降槽寬度修正系數(shù)β進行修正，修正后的Peck公式沉降曲線與實際沉降值吻合情況良好。

(2)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，采用Peck公式對巖石復(fù)合地層礦山法施工引起的沉降進行預(yù)測時，α值處于0.818 3～0.857，β值處于1.164 4～1.379 2時，預(yù)測結(jié)果準確度較高。

(3)在綜合考慮實際施工情況和土層情況下，選取合理的本構(gòu)模型和邊界條件進行數(shù)值模擬分析，得出的結(jié)果可靠度高，能反映地表沉降的真實情況。