隧道施工引起地表沉降槽寬度預測方法研究

(南通理工學院 建筑工程學院 江蘇 南通 226002）

隧道施工引起地表沉降槽寬度預測方法研究

吳銘輝 嚴桂鳳

(南通理工學院 建筑工程學院 江蘇 南通 226002）

在隧道施工引起上覆土體變形的預測中，地表沉降槽寬度系數的計算是其中的一個重要問題，它將確定地表變形的影響范圍。本文依據大量工程實測數據，反分析得到了地表沉降槽寬度系數i更準確的計算計算方法，以及推導了地表最大沉降與拱頂沉降之比隨深度變化的關系式，通過案例反分析求得到了關系式中的計算參數，為采用土體變形擴散傳播模型預測隧道施工引起上覆土體的變形規律提供了支持。

隧道施工；土體變形；地表沉降槽；拱頂沉降

在城市中進行隧道施工會引起地表沉降，為了減少隧道施工對地表和周圍環境造成的不良影響，必須對其沉降進行正確預測，有效掌握隧道上覆土體的變形規律[1]。

自18世紀后半葉起，西方國家相繼進行了大量地鐵隧道的建設。我國的很多城市的地鐵也在建設當中。國內外學者對于隧道施工引起的土體變形問題進行了許多研究，積累了豐富的實測資料。統計分析法是目前工程界中廣泛應用的變形分析法，它以實測數據為基礎，基于所測得的影響因素和變形值，用回歸分析的方法建立兩者之間的函數關系，這種經驗的函數關系不僅能夠預測變形，還可以對變形進行一定的物理解釋[2]。實測資料的數量愈豐富，其所得的結果就愈可靠。

本文依據工程實測數據，反分析地表沉降槽寬度系數i的計算公式中的計算參數，從而有助于求取土體變形擴散傳播模型的參數，為預測隧道施工引起的上覆土體變形提供支持。

在隧道施工引起上覆土體變形的預測中，地表沉降槽寬度系數的計算是其中的一個重要問題，它將確定地表變形的影響范圍。對地表沉降槽寬度系數的合理計算，不僅能夠預防和控制隧道施工對道路和建筑物等變形的不利影響，還能在其數值基礎上反分析土體變形擴散傳播模型中的計算參數，進一步計算隧道上覆土體的變形分布。

地表沉降預測方法的不同決定了沉降槽寬度系數定義的不同，目前具有代表性的方法有兩類，即Peck公式法和隨機介質理論法。由于兩類計算方法從根本上有著明確的對應關系，因此本文選取Peck公式中的寬度系數i進行分析和討論。

在Peck公式中，定義沉降槽的寬度系數i為由沉降槽中心至曲線反彎點處的水平距離。從上世紀中葉以來，很多學者對沉降槽寬度i的變化規律做了大量的研究工作，提出了許多種不同的計算公式[3]。在Tan和Ranjith研究工作的基礎上，本文總結了一般土體條件下地表沉降槽寬度系數的兩類計算方法。

第一類公式表示i的相對寬度與隧道的相對埋深之間呈冪函數關系，第二類公式表示i與隧道的絕對埋深呈線性關系。同時，可以看出i顯然與隧道埋深z0之間有明確的正相關關系，即隨著埋深的增大，i也增大，這與工程實踐經驗相一致。

地表沉降槽寬度系數計算公式大多為當時學者基于已有工程案例的實測數據總結得出。由于當時學者掌握的工程案例數量有限，研究所得的計算參數不能適用于更為普遍的工程案例，本文擬在更多工程案例數據的基礎上，擬合反分析地表沉降槽寬度系數的計算參數值。

（1）第一類計算方法的案例反分析

（2）第二類計算方法的案例反分析

沉降槽寬度系數第二類計算方法的通用公式形如：

根據國外隧道工程資料和變形數據，得到地表沉降槽寬度系數與隧道埋深的關系圖，如圖2所示。

線性擬合得到第二類通式下的地表沉降槽寬度系數計算公式：

上述案例反分析結果表明，地表沉降槽寬度系數的兩類計算通式在工程案例中具有一定的適用性。通過大量案例實測數據的反分析重新求得了寬度系數i的計算參數，代入通式后得到地表沉降槽寬度系數的計算公式(1)和(3)。

針對兩類計算通式，結合本文得出的計算公式和前人總結的公式，分別求取i/R和i的相關系數R2。對比表明，兩類計算通式下，本文計算公式的相關系數最大，相對于前人的計算公式，其計算結果更為準確，更適合于用來預測地表沉降槽的寬度系數。

依據上述地表沉降槽寬度系數的計算公式，利用實際工程中隧道開挖半徑和隧道埋深等數據，能夠預測地表沉降槽寬度系數，為進一步計算隧道上覆土體變形提供支持。

圖1 地表沉降槽相對寬度系數與隧道相對埋深的關系圖

圖2 地表沉降槽寬度系數與隧道埋深的關系圖

依據工程實測數據，反分析得到了地表沉降槽寬度系數i更準確的計算參數，得到了寬度系數i更準確的計算公式，以便在工程中計算地表沉降槽的寬度系數。推導了地表最大沉降與拱頂沉降之比隨深度變化的關系式，通過案例反分析求得到了關系式中的計算參數。得到了地表沉降槽寬度系數和地表最大沉降及隧道拱頂沉降的計算公式，為采用土體變形擴散傳播模型預測隧道施工引起上覆土體的變形規律提供支持。

[1]尹德潛等. 城市地下工程開挖地表移動與變形的隨機介質模型及監測[J].礦冶工程, 2004, 24(6): 13-17.

[2]王鐵生，張利平，華錫生. 地鐵隧道施工變形預測研究綜述[J]. 水利水電科技進展，2003，23(5): 62-65.

[3]韓煊，李寧. 隧道施工引起地層位移預測模型的對比分析與思考[J]. 巖石力學與工程學報，2007, 26(3): 594-600.

U45

B

1007-6344（2017）06-0028-01

校級科研基金（2015021）

吳銘輝(1988-)，男，江蘇東臺人，碩士研究生，主要研究方向為環境巖土工程