基于盾構施工的地表監測數據分析及建模預測

洪卓眾

(龍巖市緯業測繪有限公司，福建 龍巖 364000)

1 引 言

目前城市軌道交通建設正處于加速發展階段，越來越多的城市興建地鐵，盾構法地鐵隧道施工由于具有地面作業少、對周圍環境影響小、自動化程度高、施工速度快等優點，越來越受到重視和青睞，已成為地鐵隧道的主要施工方法。

由于地鐵隧道盾構施工一般是在地下進行，不論隧道埋有多深，都會對土體及周邊建筑物產生一定程度影響。因此對盾構施工引起的地表沉降進行監測，并對監測數據進行分析，同時建立相對準確、符合規律的預測模型應用到地鐵建設工程中是很有必要的。

2 盾構施工引起的地表沉降規律

2.1 盾構施工引起的地表橫向沉降規律

盾構機推進過程中對周圍土體產生的擾動主要分為橫向與縱向，其中橫向擾動范圍一般在隧道軸線 20 m～30 m范圍內[1]。據Peak的研究，其地表的橫向變形呈正態曲線分布規律，計算公式為：

S(X)=αSmaxex2/2i2

(1)

(2)

(3)

式中：S(X)——離隧道軸線x處的地表沉降值；

Smax——橫向地面最大沉降值；

x——距離隧道中線的距離；

Vloss——地層損失的體積；

i——沉降槽的寬度；

φ——土的內摩擦角；

α——最大沉降量修正系數，取值范圍0.6～0.8，一般當地層損失較大時取最大值。

2.2 盾構施工引起的地表縱向沉降規律

據國內外學者的研究，對于盾構上方某一點的位移變化及變位，歷時曲線可分為五個階段：

Ⅰ 先行沉降；

Ⅱ 開挖面沉降或隆起；

Ⅲ 盾尾通過時沉降；

Ⅳ 尾部空隙沉降；

Ⅴ 后期沉降，后期沉降主要是固結沉降[2]。

通常情況下，以上五個階段的沉降值分別占總沉降值的(0～4.5)%、(0～44)%、(15～20)%、(20～30)%和(5～30)%[3]。

3 工程實例分析

本文主要通過橫向與縱向沉降規律分析深圳地鐵9號線鹿丹村至人民南左右線240環至300環之間盾構施工過程中的地表沉降監測數據，該區間其隧道主要埋深在微風化變質砂巖層中，地質條件良好。

3.1 地表橫向沉降規律

取該工程左線3個橫斷面沉降數據(具體分布如圖1所示)進行分析，其中三角形為監測點，中間線為隧道中軸線，上下兩邊線為監測范圍線。表1為3個橫斷面累積沉降量監測數據。圖2為各監測點累計沉降量隨離隧道的距離變化，橫坐標為離隧道中軸線的距離，單位為m；縱坐標為累計沉降量，單位為mm。

由表1數據及圖2可得出，隧道軸線上的監測點累計沉降最大，離隧道軸線距離越遠，監測點累計沉降量越小，并逐漸趨于 0 mm。當離隧道距離超過 30 m時，監測點基本趨于穩定。由于實際工程地質、施工條件的復雜性、多變性，其橫向地表變形規律很難完全符合Peak沉降槽理論，但是其變化趨勢基本符合該理論特征。

圖1 橫斷面監測點布置圖

橫斷面監測數據表 表1

圖2 橫斷面各監測點最大累計沉降曲線圖

3.2 地表縱向沉降規律

選取兩個地表監測點RD1和RD2，監測點位于隧道左右線之間(如圖3所示)，監測頻率為1次/天，共監測20期。表2為兩個監測點累計沉降數據表，圖3左圖為RD1點累積沉降散點圖，右圖為RD2點累積沉降散點圖。

圖3 RD1、RD2監測點布置圖

RD1、RD2監測點各期累計沉降觀測數據 表2

圖4 監測點RD1、RD2散點圖

由RD1監測點的散點圖可以看出，左線隧道盾構穿過時監測點累計沉降為 6 mm，每期平均變化量為 0.3 mm，變化量比較小，不過在14期～17期間其變化有些微小波動，總體呈緩慢下降趨勢。由RD2監測點的散點圖可以看出，其累計沉降變化呈平穩下降趨勢，累計沉降量為 5 mm。兩個監測點的沉降情況可得出該項目盾構隧道施工對地表影響較小。

3.3 地表縱向沉降監測建模及預測

(1)數學建模

假定隧道左右線盾構施工對其監測點的影響相當。本文以右線隧道盾構施工過程中監測點的沉降數據作為建立模型的基礎數據，然后根據該數學模型，預測左線隧道施工時地表監測點的累積沉降量并與實際采集的數據進行比對，驗證該模型的預測精度。

(2)數學模型選取

①由圖4可得出地表累積沉降基本成線性緩慢下沉，故本文采用一元線性回歸模型(如式4所示)對該監測數據進行數學建模并預測分析。

y=a+bx+ε

(4)

式中a，b，為待估參數，x，y分別為自變量跟因變量。

②參數計算

RD1一元線性回歸模型為：

y=0.4512-0.2795x

(5)

RD2一元線性回歸模型為：

y=0.7188-0.2711x

(6)

圖5 RD1、RD2模型擬合圖

③模型檢驗

本文計算采用相關系數檢驗方法。計算結果如表3所示。

兩個模型的相關系數值 表3

擬定顯著水平(一般取0.05)，查閱相關系數檢驗表(自由度取n-2，此處n=20)，獲得臨界值rα=0.444，計算結果|r|>rα，故兩個監測點模型通過檢驗。

④模型預測

根據建立的數學模型分別對這兩個監測點的21期～30期數據進行預測，其中21期～30期數據是由左線隧道盾構施工通過時影響的累計沉降值。預測結果與實際監測值的比較如表4與表5所示。

點RD1累計沉降預測值與實際值表 表4

點RD2累計沉降預測值與實際值表 表5

由表4、表5數據可得出預測偏差最大值為1.47 mm，最小值為0.03 mm，預測精度較高，滿足實際工程的精度要求。

4 結 論

通過對地表監測點實際數據的分析，得出地表橫向變形規律基本符合Peak公式的沉降槽理論。同時利用對地表監測點RD1與RD2的右線隧道盾構通過時影響的累計沉降數據進行一元線性回歸數學建模，預測左線隧道盾構通過對地表的沉降影響，并與實際監測值進行比對，得出預測結果準確。根據其預測的結果，可以提前預知在同等地質條件及施工參數下隧道盾構施工對地表的擾動規律。

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