Peck公式在合肥地鐵盾構施工地面變形監測中的適用性分析

徐小馬, 朱大勇, 盧坤林

Peck公式在合肥地鐵盾構施工地面變形監測中的適用性分析

徐小馬1,2, 朱大勇1,2, 盧坤林1,2

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業大學 土木工程結構與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230009)

采用盾構法進行隧道施工,難免會引起地層移動而導致不同程度的沉降,而采用Peck公式進行沉降預測時,首先要利用實測數據對該公式進行驗證,并給出適合該地域的計算參數。文章利用合肥軌道交通盾構施工中的地表監測數據對Peck公式進行驗證,同時計算出沉降槽寬度參數和地層損失率,為該公式在合肥盾構施工過程中預測地表沉降值提供了依據。

地鐵;盾構隧道;Peck公式;地面變形;沉降

從技術原理角度來說,盾構法隧道施工會引起地層移動而導致不同程度的沉降,即使采用先進的土壓平衡和泥水平衡式盾構,并輔以盾尾注漿技術,也難以完全防止地面沉降,地面沉降過大對地表建構筑物會產生巨大風險[1]。在眾多預測地面變形形態和沉降量的方法中,Peck公式應用最為廣泛[2-6]。1969年美國土力學專家Peck教授提出了預測地面變形的公式,該公式是一個經驗公式,是基于有限的地區實測資料得到的,在使用該公式時要結合地區特點確定相關參數來對沉降變形進行預測。近年來,我國興起地鐵建設的熱潮,各地地鐵盾構隧道施工中逐漸積累了一些實測資料,但仍比較零散,也沒有形成比較統一的結論[6-7]。我國研究者根據各地盾構施工中公開的資料分析了該公式的適用性,并且給出了初步的建議值[6]。但是我國地域遼闊,各地地質條件差異性很大,很難用統一的參數預測各地盾構施工沉降。很多研究者根據各地的地鐵施工沉降數據對Peck公式適用性進行分析,對沉降槽計算方法進行修正[8-11]。各地應利用各自的數據對該公式做適用性分析并給出參數,而目前對于合肥地區的相關研究很少。合肥軌道交通1號線已經完成土建工程,進入鋪軌和電氣設備安裝階段,3號線也已經開工建設,在盾構施工中積累了很多監測數據。本文結合合肥地區已有的監測數據對該公式在本地區的適應性進行分析并確定相關參數。

1 Peck公式及其適用性檢驗方法

1.1 Peck公式

Peck在分析大量地表沉降觀測數據的基礎上,提出了地表沉降槽符合高斯分布的假設,認為地層變形由地層損失引起,施工引起的地面沉降是在不排水的條件下發生的,從而假定地表沉降槽體積等于地層損失體積[2]。其計算公式為:

(1)

其中,s為地面任一點y處的沉降量;smax為地面最大沉降量,位于沉降曲線的對稱中心上(對應于隧洞軸線位置,y=0);y為從沉降曲線對稱中心到計算點的距離;i為從沉降曲線對稱中心到曲線拐點的距離,一般稱為“沉降槽寬度”。沉降槽示意圖如圖1所示。

圖1 沉降槽示意圖

對于沉降槽寬度的取值,很多研究者給出了不同的方法[7]。目前最常用的是根據文獻[3]在倫敦地區的經驗,i和隧道深度z0之間存在以下簡單的線性關系:

i=Kz0

(2)

其中,K為沉降槽寬度參數,主要取決于土性。對于無黏性土,K值為0.2～0.3;對于硬黏土,K值為0.4～0.5;而對于軟的粉質黏土，K值可高達0.7[3]。

定義地層損失率Vl為單位長度的地表沉降槽的斷面面積(假設單位長度上的沉降斷面一致)占隧道開挖面積的百分比。在不排水條件下,地層損失體積和地面沉降體積應該是相等的。地層損失率Vl與最大位移之間的關系可以通過對(1)式的積分得到[5],設單位長度為1,則有:

(3)

其中

由(3)式可得:

(4)

由(1)式、(2)式及(4)式可得:

(5)

1.2 檢驗公式適用性的方法

要判斷觀測數據是否符合Peck公式,并獲得相關參數,可以采用如下方法[5]。

(6)

(7)

根據以上方法,可以判別沉降曲線是否符合高斯分布,同時還可以獲得相關的擬合參數,包括地層損失率Vl和沉降槽寬度參數K。

2 Peck公式在合肥地區的適用性分析

2.1 合肥軌道交通概況與樣本數據獲取

合肥軌道交通線路規劃[12]及樣本來源如圖2所示,軌道交通遠景線網總長586 km,其中市區線路7條,全長215.3 km;市域線路5條(含1條機場專用線),全長107.2 km。遠期中心城區城市軌道交通規劃方案由6條城市軌道交通線路組成,共設置了15個軌道交通樞紐。

截止目前,合肥已經動工3條線路。其中1號線施工建設基本結束,即將通車;2號線全線土建施工中;3號線大部分站點開始施工。本文樣本數據主要來自合肥軌道交通1、2號線施工和第三方監測數據。

本次驗證數據來自1號線土建4標段(圖2中區段1)、6標段(圖2中區段2)和2號線9標段(圖2中區段3)。3個標段分布在合肥市中、南和西北方向3個位置,每隔40～60 m左右取1個監測斷面,共計112個樣本,盡可能選擇周邊建筑物少、平坦無堆載的斷面,具體位置分布見表1所列。盾構施工時都采用直徑6 m的土壓平衡和泥水平衡式盾構,并輔以盾尾注漿技術進行施工。

圖2 合肥軌道交通線路規劃及樣本來源 表1 樣本數據分布

區段標段盾構區間區間長度/m樣本數量主要穿越地層11號線土建4標段(合肥中部)大東門站—蕪湖路站740.8512強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖、粉細砂蕪湖路站—南一環站878.4817粉土、細砂、泥質砂巖南一環站—太湖路站1449.6729粉質黏土、黏土、粉土、粉細砂、強風化砂質泥巖21號線土建6標段(合肥南)繁華大道站—大連路站990.1019粉土、細砂、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖32號線土建9標段(合肥西北)玉蘭大道站—天柱路站1043.1120硬塑狀黏土、全風化泥質砂巖、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖天柱路站—科學大道站777.3015強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖

2.2 適用性分析

按照如下步驟分析判斷Peck公式的適用性,并計算相關參數。

(1) 通過實地測量獲取監測斷面最終沉降量數據。

(3) 若是線性關系,則利用(4)式反算出地層損失率Vl,利用(7)式計算沉降槽寬度i,利用(2)式計算沉降槽寬度參數K。

表2 DB-16監測斷面沉降數據

注:*數據為DB-16監測斷面沉降數據最大值smax。

圖3 DB-16監測斷面沉降曲線

圖4 DB-16監測斷面關系

從圖3可以看出,由DB-16斷面監測數據的沉降曲線能較好地擬合成高斯分布。

由上述結果可知,沉降基本滿足Peck公式時,“ln(s/smax)-y2”關系的相關系數接近于-1,由于相關文獻并未給出具體判斷標準,通過分析,本文設定左、右側擬合相關系數R2≤-0.95時認為沉降滿足Peck公式。同樣,相關文獻也未對滿足Peck公式的地表沉降對稱性進行相關研究,為了評價沉降左、右對稱性的情況,本文引入對稱參數C,計算公式為：

(8)

其中,mL、mR為左、右側擬合斜率。

通過分析認為，當C≤5%時為對稱性好；當C≥20%時為無對稱性；當5%

2.3 沉降槽寬度參數與地層損失率計算

在表1所列的6個盾構監測區間上共選取112個監測斷面的監測數據,按照2.2節DB-16斷面數據的處理方法進行計算,共計98個符合高斯分布(R2≤-0.95),占樣本數量的87.5%。利用(2)式計算得到沉降槽寬度參數K,在98個數據中有89個在0.5～0.7之間,約占樣本數量的91%。

對實測數據分析可知,合肥地鐵盾構施工中的地面沉降基本滿足高斯分布的規律。K主要分布在0.5～0.7之間,其中穿越地層為粉細砂、中風化泥質砂巖時K在0.5～0.6之間,穿越地層為強風化泥質砂巖時K在0.6～0.7之間。

同樣選取以上98個斷面利用(4)式反算出地層損失率Vl,有90個數據在0.8%～1.8%之間,占92%。

大東門站—蕪湖路站區間12個斷面K與Vl計算結果見表3所列。

表3 大東門站—蕪湖路站區間監測斷面K與Vl計算結果

3 Peck公式驗證

根據上述統計結果可以確定合肥地區的沉降槽寬度參數K為0.5～0.7,地層損失率Vl為0.8%～1.8%。

下面對正在開挖斷面(1號線土建8標段,大連路站—花園大道站區間,圖2中區段4)進行地表沉降預測,K取統計結果的中值0.6;Vl取中值1.3%,預測結果見表4所列。

由表4可知，采用監測數據統計得出的K和Vl值作為Peck公式計算參數，能較準確地預測盾構施工中地表沉降量的大小。

表4 Peck公式預測地表沉降結果

4 結 論

本文計算分析了112組監測樣本數據,證實了Peck公式適用于合肥軌道交通建設。根據相關公式求解統計出合肥地區的沉降槽寬度參數K的范圍為0.5～0.7,建議計算時取0.6;盾構隧道的地層損失率Vl的范圍為0.8%～1.8%,建議計算時取1.3%。

為了判斷沉降對稱性,本文引入對稱參數C,能較好地判斷出地表沉降的對稱情況。在監測過程中仍然有部分數據和預測值相差較大,說明盾構施工受多種因素影響,并且在某些情況下并不可控。下一步研究工作將探尋各種因素和條件對沉降的影響,不斷完善Peck公式的適用范圍和計算方法。

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(責任編輯 張淑艷)

Applicability analysis of Peck formula in ground deformation monitoring of Hefei metro shield construction

XU Xiaoma1,2, ZHU Dayong1,2, LU Kunlin1,2

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China; 2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

The application of shield tunneling method in tunnel construction will inevitably generate the strata movement， which will lead to different degrees of settlement. When using the Peck formula for settlement predication， the formula needs to be verified by the experimental data. And the calculation parameters suitable for the region should be gotten. In this paper， the formula is verified by the surface monitoring data of Hefei metro shield construction. And the trough width parameter and volume loss ratio are calculated. The study provides a basis for the predication of the value of surface settlement in the process of shield construction in Hefei.

metro; shield tunnel; Peck formula; ground deformation; settlement

2015-10-30；

2015-11-19

國家自然科學基金資助項目(51179043;41402256);軌道交通建設工程質量安全監督站科研資助項目(2015FFCZ0617)

徐小馬(1990-),男,安徽蕪湖人,合肥工業大學碩士生; 朱大勇(1965-),男,安徽樅陽人,博士,合肥工業大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.014

TU433

A

1003-5060(2017)02-0210-05