盾構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]。考慮到已經開挖和修建的各種地下建筑物及地下管網縱橫交錯,在此基礎上如果繼續開挖和修建,會對已有地層及地上建筑物產生擾動。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，并將結果與實測數據分析結果進行對比，驗證Peck公式在本地區的適用性，為本地區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。線路縱坡設計為單坡，最大坡度為5.271‰，最小坡度為2‰。區間地面標高約121.30～126.80m，盾構隧道埋深約10.8～20.6m。本區間結構為單線單洞隧道，采用盾構法施工。

1.2 監測點布設

在地面上布設平行于隧道軸線的沉降監測點和垂直于隧道軸線的沉降斷面監測點。平行于隧道軸線的沉降監測點布設在市民大道隧道底板位置，每3m布設一個監測斷面，每個斷面布設9個測點，監測點布設可以根據現場實際情況進行適當調整。

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在大量實測數據的基礎上提出了沉降槽近似正態分布的概念[4]。Peck所參與搜集的30多組實際測量數據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存在比例系數為K的線性關系[5]，即：

式中：K-沉降槽寬度系數，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 采集數據分析

本次數據采集了右線盾構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個監測點的現場監測數據，得到了累計沉降量曲線。

第一周共測取5次數值。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 第一周右線盾構推進中地表累計沉降值曲線

第二周共測取5次數值。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 第二周右線盾構推進中地表累計沉降值曲線

第三周共測取5次數值。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（-30/10mm）。地表沉降監測斷面的累計沉降曲線與Peck經驗公式法得到的沉降槽曲線變化規律相同，可以分為微小沉降階段、急劇沉降階段、緩慢沉降階段、沉降穩定階段。

4 結論

通過Peck公式的計算預測結果和監測數據分析結果對比得到：1）Peck公式的計算預測結果滿足規范要求，且與監測數據分析結果誤差較小，驗證了Peck公式在本地區的適用性。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開挖引起的地面沉降。3）地表沉降變形規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、沉降穩定階段。