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預(yù)測(cè)新奧法施工的隧道引起的地面沉降

1　城市隧道施工中估算地面沉降的必要性

在城市地鐵隧道施工中估算地面沉降是工程中必不可少的重要組成部分，通常用以對(duì)既有建筑物進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并提出建議：是否需要進(jìn)行地層改良加固，是否需要對(duì)既有建筑物采取保護(hù)措施，以及如何選擇適當(dāng)?shù)氖┕し椒ā?/p>

由于地鐵沿線建筑物很多，在伊斯坦布爾軟弱巖層中采用新奧法隧道施工，需要有一種快捷的、實(shí)用的估算地層變形的方法。

伊斯坦布爾亞洲一側(cè)的地鐵線路長(zhǎng)約17 km，包括2個(gè)單洞的區(qū)間隧道（每隔250 m 設(shè)1個(gè)橫通道），沿線有若干交叉渡線，以及16座地下車站。區(qū)間有些區(qū)段的隧道采用土壓平衡盾構(gòu)開挖，其中某些地質(zhì)區(qū)段、橫通道和交叉渡線段采用新奧法施工。16座車站采用明挖、暗挖相結(jié)合的方法施工。

隧道最初一段地質(zhì)是黏土巖-砂巖，接著是石灰?guī)r-礫巖，然后是泥巖-黏土巖-長(zhǎng)石砂巖，最后一段是砂黏土-石灰?guī)r，還有幾處斷層。大部分巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)值（RMR）為30～70，斷層處巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)值較低。水文調(diào)查表明，滲透率很低（從10～6 m/s 到10～8 m/s），隧道工作面水流量小于5 L/s。沿線隧道覆蓋層在20～40 m范圍內(nèi)變化。

各類隧道開挖斷面見表1。

對(duì)區(qū)間、車站、交叉渡線隧道設(shè)計(jì)了11種不同的開挖斷面，表1中展示的只是具有代表性的斷面。隧道斷面一般是由多圓心、多半徑確定的，經(jīng)換算可得隧道斷面的換算半徑。圖1是典型的車站隧道斷面（設(shè)站臺(tái)）。

表1　各類隧道開挖面積

圖1　典型的車站隧道斷面（設(shè)站臺(tái)）（單位：mm）

根據(jù)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)值和不同的土工條件對(duì)每種斷面設(shè)計(jì)了5個(gè)等級(jí)的初期支護(hù)，其區(qū)別在于噴混凝土厚度、格柵尺寸及其設(shè)置間距、拱頂錨桿長(zhǎng)度及其數(shù)量，以及是否設(shè)置管棚。在完成初期支護(hù)、鋪設(shè)防水層之后，現(xiàn)澆永久襯砌。防水層由土工布加 PVC 薄膜組成。永久襯砌厚度根據(jù)斷面面積和巖石質(zhì)量設(shè)計(jì)了3種類型。

隧道在建筑物密集的區(qū)域下面開挖，在開工之前，調(diào)查了隧道縱軸線兩側(cè)各50 m 的范圍內(nèi)3000幢建筑物。實(shí)際上隧道施工影響區(qū)是由技術(shù)規(guī)定確定的，那里的地面沉降預(yù)計(jì)會(huì)超過10 mm。根據(jù)第1次預(yù)測(cè)地面沉降值的結(jié)果，最大影響區(qū)寬80 m，小于最初調(diào)查的區(qū)域?qū)挾?00 m。

2　預(yù)測(cè)地面沉降的方法

在工程進(jìn)展中，由于隧道尺寸的多樣性、土工條件的不同，需要有一個(gè)系統(tǒng)分析的方法進(jìn)行沉降值的預(yù)測(cè)。這個(gè)方法需要確定一些公式，選擇輸入?yún)?shù)來計(jì)算沉降曲線。

2.1Peck曲線

計(jì)算地層垂直沉降的表達(dá)式是半經(jīng)驗(yàn)的正態(tài)分布曲線，它的輸入?yún)?shù)是根據(jù)可獲得的幾何、土工信息資料，以及補(bǔ)充計(jì)算（例如收斂—約束法）確定的。

估算地面沉降的半經(jīng)驗(yàn)法首先是由 Peck 于1969年提出的，他假定軟土中的地層垂直沉降槽可以用高斯正態(tài)分布曲線來描述。之后，高斯模型得到進(jìn)一步發(fā)展，提出了沉降槽寬度參數(shù) K 和地層損失量 Vp的概念，給出了半經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)隧道埋深、巖土特性、地層沉降特性做了適當(dāng)處理。

根據(jù)高斯正態(tài)分布曲線計(jì)算垂直沉降的公式為：

公式（1）中：S （ x ） 是離隧道軸線距離 x 處的沉降；i 是反彎點(diǎn)到隧道軸線的距離，它可以用公式 i = Z0K計(jì)算，Z0是隧道軸線的深度，K 是沉降槽的寬度參數(shù)；Smax是隧道軸線上的最大沉降，它可以表達(dá)為：

公式（2）中：Vs是隧道單位長(zhǎng)度沉降槽的體積；Vtunnel是隧道理論開挖量，VL是超過隧道理論開挖量的體積，見圖2。

圖2　沉降槽的高斯曲線和 VS、Vtunnel、VL的定義

2.2沉降槽寬度參數(shù) K

經(jīng)驗(yàn)的 K 參數(shù)描述沉降槽的寬度，它取決于地層的土工特性、隧道深度，在某些情況下還與開挖方法有關(guān)。K 可以根據(jù)隧道深度和土壤黏性來估算：

類似的研究表明：對(duì)顆粒土壤：K =0.2～0.3；對(duì)硬黏土：K =0.4～0.5；對(duì)非常軟的砂黏土：K =0.7。

考慮了開挖地層的巖石特性和摩擦性狀，K 參數(shù)根據(jù)隧道深度按黏性土壤公式（4）計(jì)算。考慮本工程最小和最大覆蓋層分別為13 m和80 m，經(jīng)估算 K 參數(shù)在0.495～0.443之間變化。

2.3地層損失量 Vp

地層沉降的原因是隧道開挖產(chǎn)生的地層損失量，它主要取決于地質(zhì)構(gòu)造及其應(yīng)力狀態(tài)、開挖速度、隧道斷面大小和支護(hù)類型。它通常是用超過隧道理論開挖量的體積 VL除以隧道理論開挖量 Vtunnel的百分比表示的。

3　區(qū)間隧道上方地面的沉降曲線

采用收斂—約束法可以迅速計(jì)算沉降曲線和地層損失量。收斂—約束法，也稱為應(yīng)力—變形曲線法，它考慮了軟弱巖體的變形和強(qiáng)度，以及支護(hù)能力和特性。

對(duì)7+640區(qū)段的區(qū)間隧道，可以根據(jù) RMR 的最大、最小值確定相應(yīng)的2套參數(shù)（表2），對(duì)有利和不利條件下2套參數(shù)進(jìn)行地面變形曲線計(jì)算，采用的地層損失量 Vp為0.18% 和0.68%；K =0.471是采用公式（4）計(jì)算的，考慮了隧道深度27 m。圖3展示了計(jì)算得到的有利和不利情況下的2條不同的地面變形曲線?？梢酝茰y(cè)，實(shí)際的地面變形就在這兩者之間。

表2　7+640區(qū)段巖體參數(shù)

兩隧道軸線距離小于3倍隧道直徑時(shí)，應(yīng)考慮2個(gè)隧道的相互干擾，第2個(gè)隧道的地層損失量應(yīng)增加10%，這是由第1個(gè)隧道引起的早期地層松弛，由此產(chǎn)生不對(duì)稱的沉降曲線。

4　車站隧道上方地面的沉降曲線

以7+640區(qū)段的 Umraniye 車站隧道為例，車站隧道由2個(gè)站臺(tái)隧道組成，每個(gè)站臺(tái)隧道的開挖面積為75.6 m2，等效半徑為4.91 m，平均覆蓋層為26.9 m，2個(gè)站臺(tái)隧道的軸線距離為29.1 m。半經(jīng)驗(yàn)法采用的Vp為0.51%（有利情況）和3.9%（不利情況），K =0.460。計(jì)算出有利和不利情況下2條不同的沉降曲線。利用監(jiān)測(cè)的地面沉降數(shù)據(jù)擬合的高斯曲線反分析得出：Vp=2.0%，K =0.460。

計(jì)算地層變形曲線采用的巖體參數(shù)見表2。半經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算的有利和不利情況下2條車站隧道上方地面沉降曲線和擬合的高斯曲線見圖4。

圖3　區(qū)間隧道上方地面的沉降曲線

圖4　車站隧道上方地面沉降曲線

5　交叉渡線隧道上方地面沉降曲線

交叉渡線段隧道的施工采用頂部導(dǎo)坑和臺(tái)階分部開挖，采取拱部和側(cè)部設(shè)置錨桿的支護(hù)系統(tǒng)，有限單元模型可以模擬實(shí)際的土工情況、斷面的幾何形狀、復(fù)制開挖步驟和支護(hù)系統(tǒng)。

有限元分析的地面垂直沉降可與半經(jīng)驗(yàn)法預(yù)測(cè)的沉降、監(jiān)測(cè)的地面沉降進(jìn)行比較。在圖5中，展示了有限元分析的垂直沉降曲線、用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的高斯曲線，以及半經(jīng)驗(yàn)法在有利和不利情況下的計(jì)算曲線。

圖5　交叉渡線隧道上方地面沉降曲線

用半經(jīng)驗(yàn)法預(yù)測(cè)地面沉降采用的地層損失量 Vp為0.18%（有利情況下）和0.47%（不利情況下），K =0.468是采用黏性土壤公式（4）計(jì)算得到的。用監(jiān)測(cè)地面沉降值擬合的高斯曲線反分析得出，Vp為0.19%，K =0.468。這表明對(duì)交叉渡線開挖面積，采用半經(jīng)驗(yàn)法預(yù)測(cè)地面沉降也是適用的。

6　對(duì)反分析結(jié)果的分析

反分析是在半經(jīng)驗(yàn)法預(yù)測(cè)沉降分析的基礎(chǔ)上，利用從橫向斷面水準(zhǔn)點(diǎn)獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使 Vp和 K 參數(shù)達(dá)到精細(xì)化，證實(shí)高斯曲線的適用性。

反分析的第1個(gè)結(jié)論是車站隧道上方地面運(yùn)動(dòng)的形狀可以用高斯分布曲線來描述。值得注意的是 RMR 值越小（最差的巖體），這種情況就越明顯，見圖4。所記錄到的地層運(yùn)動(dòng)能相當(dāng)精確地用高斯曲線描述。

另一方面，根據(jù)反分析結(jié)果，由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的曲線校正的 K 寬度參數(shù)，與用黏性土壤公式（4）估算的 K 值是相等的。

反分析和有限元分析說明，在弱巖中用高斯曲線預(yù)測(cè)地面沉降有很好的近似性。

7　結(jié)束語

預(yù)測(cè)隧道施工引起的地面沉降，對(duì)于減小和預(yù)防既有建筑物的損害風(fēng)險(xiǎn)有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。半經(jīng)驗(yàn)的高斯正態(tài)分布曲線是最早的研究成果，采用有利、不利情況2套數(shù)據(jù)得出2條沉降曲線是一種有益嘗試，可以界定實(shí)際的沉降曲線的上下限。利用監(jiān)測(cè)地面沉降數(shù)據(jù)擬合高斯曲線的反分析更加貼近實(shí)際。有限元的分析模型，可以更加真實(shí)地進(jìn)行數(shù)值模擬，它對(duì)半經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算的曲線起到驗(yàn)證的作用。比較這些方法，可以看出它們各有特色，又能相互印證、相互補(bǔ)充。

在這些研究成果與評(píng)估既有建筑物的損害風(fēng)險(xiǎn)之間，建立一種定量關(guān)系，使既有建筑物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更可信、更簡(jiǎn)捷，這是一個(gè)值得注意的研究方向。

參考文獻(xiàn)

［1］ Sara Bech Padrosa，Nicola Della Valle. Predicting settlements from conventional tunnelling［J］. Tunnels & Tunnelling International，2015（2）：37-43.

邵根大 編譯

責(zé)任編輯 冒一平

收稿日期2015-12-14