單曲線隧道地表不均勻沉降計算方法

馮 浩

(中鐵上海工程局集團有限公司，上海 200436)

0 引言

近年來地鐵曲線型隧道在實際工程中得到越來越多的應用。觀察發現，盾構機在隧道曲線段施工時產生的地表不均勻沉降，與Peck[1]公式所預測的沉降槽分布形態存在很大的區別，而不均勻沉降會對建筑物造成更大的危害。由于曲線段盾構施工時對周圍土體的擾動程度要多于直線段盾構施工，對曲線段地表沉降的預測存在更多的不確定性。因此，深入研究盾構隧道曲線段施工過程中引起的地表沉降規律及預測方法顯得尤為重要。本文以某地鐵區間盾構施工項目為背景，在隧道施工線路上多個曲線段分別設置了地表沉降觀測面。通過沉降實測數據擬合計算回歸方式驗證了假設沉降公式的適用性。

1 工程概況

該項目地鐵區間隧道線路總長2 716 m。采用土壓平衡盾構施工，平均覆土厚度約為13 m。隧道管片內徑為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，盾構外徑6 630 mm、內徑6 490 mm。盾構機平均掘進速度為8環/d。根據地質鉆孔資料顯示，該施工段隧道主要處于風化的肯尼山殘積土層之中。隧道掘進范圍存在高度風化的石英巖、千枚巖、泥巖等巖體，巖石等級基本為四級，巖層節理裂隙發育，巖體強度大部分在30 MPa以內。

2 觀測面及施工參數

2.1 觀測面

該隧道區間施工段含多處曲線。為監測隧道施工引起的地表沉降，沿隧道縱向布置了多個沉降觀測面及沉降觀測點。為研究隧道施工引起的地表沉降，本文選取四個位于不同半徑曲線段的觀測面作為研究對象。觀測面里程及相應的曲線半徑分別為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的直角坐標系記錄沉降值。

2.2 土倉壓力值

盾構機通過CH 1+448(R=500 m)時，土倉壓力平均值為1.2 bar；通過CH 1+518(R=400 m)時，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，平均土倉壓力分別為1.55 bar和1.78 bar。

3 地表沉降

3.1 隧道曲線段盾構施工引起的地表沉降規律

盾構機到達觀測面后，沉降觀測點的地表沉降值以觀測面CH 1+448(R=500 m)如圖1所示。應用Gaussamp函數對各觀測面實測沉降數據進行了擬合計算，擬合度分別為-0.71，-0.84，0.28及0.78，說明擬合曲線與實測數據的偏離度很大。這一結果說明應用Peck公式不能良好的估算該項目曲線段的地表沉降，也進一步說明了曲線段地表沉降存在不均勻沉降。

3.2 計算公式推理假設

隧道盾構施工過程地表沉降的形成主要是由于地層損失造成，而地表沉降的不對稱現象主要是由于隧道軸線兩邊地層損失的不對稱而造成的。地表沉降的計算公式是以正態分布函數為框架構成的。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，在兩側分別建立半區間的正態分布函數框架，構成整個沉降槽的計算公式。由沉降槽曲線連續性特征可以得知在沉降最大值處必定是連續的。所以式(1)可表達如下：

(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、外兩側沉降槽寬度系數，分別取為隧道中心軸內、外兩側地表沉降曲線反彎點與原點的距離；Vi，Vo分別為盾構隧道中軸線沿曲線內、外兩側單位長度地層損失量，m/m；yoi，yoo分別為曲線內、外側可能的負地層損失。

3.3 計算公式驗證

應用式(1)對盾構機到達各觀測面時的地表沉降數據再次進行擬合,仍然以觀測面CH 1+448(R=500 m)為例，見圖2。通過對盾構機到達各觀測面的沉降數據進行擬合計算，擬合曲線與實際工程數據的擬合度非常理想，擬合度分別為0.99，0.96，0.97和0.99，基本都接近1。這個結果表明采用式(1)對隧道曲線段的地表沉降進行計算時，結果與工程實測數據吻合，證明公式適用。

4 結語

為研究曲線隧道盾構施工引起的地表沉降規律及計算方法，本文通過工程的實測數據分析推理及數值計算得出如下結論：1)曲線隧道盾構施工地表沉降存在不均勻沉降，曲線內側的沉降量往往大于外側。應用Peck公式Gauss函數計算曲線段沉降已經不再適用；2)隧道曲線段盾構施工地表沉降可用分段函數表示，以隧道軸線處為中線，沉降槽左、右半區間曲線可以分別用不同系數的高斯函數表示。

參考文獻:

[1] Peck,RB.Deep excavations and tunneling in soft ground. In Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Mexico City, 1969,pp. 225-290.

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[4] 魏 綱，龐思遠.雙線平行盾構隧道施工引起的三維土體變形研究[J].巖土力學,2014,35(9):2562-2568.

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