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      一種適用于砂性土地層盾構(gòu)隧道地表沉降理論預(yù)測(cè)方法

      2016-11-16 08:07:44潘濤
      城市道橋與防洪 2016年6期
      關(guān)鍵詞:砂性盾構(gòu)隧道

      潘濤

      (上海隧道工程有限公司,上海市200082)

      一種適用于砂性土地層盾構(gòu)隧道地表沉降理論預(yù)測(cè)方法

      潘濤

      (上海隧道工程有限公司,上海市200082)

      盾構(gòu)法隧道施工廣泛應(yīng)用于城市公路、地鐵、給排水、電力等隧道工程施工中。但是,由于施工工藝質(zhì)量及周圍的施工環(huán)境和土層特點(diǎn),施工引起的地層位移是不可能完全消除的。如果影響過大,勢(shì)必會(huì)引起地表的沉降隆起超限,嚴(yán)重情況會(huì)導(dǎo)致周圍建筑物傾斜倒塌和構(gòu)筑物變形。在現(xiàn)有的沉降理論預(yù)測(cè)方法中選擇適合于砂性土地層盾構(gòu)施工引起的地表沉降預(yù)測(cè)方法,并在該方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),得出砂性土地層特有的不同推進(jìn)參數(shù)下盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降理論預(yù)測(cè)方法。

      砂性土地層;推進(jìn)參數(shù);地表沉降

      0 引言

      盾構(gòu)法隧道施工廣泛應(yīng)用于隧道施工中。由于施工技術(shù)工藝質(zhì)量及周圍的施工環(huán)境和土層特點(diǎn),施工引起的地層位移是不可能完全消除的。

      在地表沉降預(yù)測(cè)方面,國內(nèi)外開展了大量的研究,積累了很多方法,主要可以歸納為:經(jīng)驗(yàn)法、室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法等類型[1.2]。其中,經(jīng)典的地表沉降槽模型為Peck橫向地表沉降槽。他引入類似倒正態(tài)分布曲線的數(shù)學(xué)模型,在沉降預(yù)測(cè)理論研究方面有著重要的指導(dǎo)意義。其他科研工作者在其基礎(chǔ)上引入多項(xiàng)參數(shù),在不同的數(shù)學(xué)方法上驗(yàn)證Peck公式的可行性,同時(shí)也提出了更加精確的沉降模型。但是,許多沉降模型都受實(shí)際環(huán)境的影響,或者多用于實(shí)驗(yàn)室理論驗(yàn)證。

      砂性土地層特點(diǎn)特殊,對(duì)于易坍塌的砂質(zhì)土、含黏土少的砂、砂礫等地層,地表沉降控制是施工質(zhì)量控制的重要指標(biāo)之一。本文依托鄭州城郊鐵路08標(biāo)項(xiàng)目工程,結(jié)合其特有的施工砂性土地層特點(diǎn),在原有的地表沉降預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,引入盾構(gòu)推力,推進(jìn)速度等參數(shù),將橫向沉降槽擴(kuò)展為縱橫相結(jié)合的區(qū)域性沉降槽,得出砂性土條件下盾構(gòu)推進(jìn)區(qū)域的局部沉降槽預(yù)測(cè)模型。

      1 地表沉降預(yù)測(cè)模型

      1.1Peck法沉降預(yù)測(cè)

      早在1969年,Peck[3]提出地層損失的概念和估計(jì)隧道施工引起地面沉降的實(shí)用方法。他的理論基于大量的地表沉降數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)分析,最后得出近似于正態(tài)分布曲線的沉降槽(見圖1)。在后來實(shí)際應(yīng)用中,大量的研究者在Peck的基礎(chǔ)之上對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行改進(jìn),其預(yù)測(cè)公式為:式中:S(X)為地表距離隧道中心線處的地表沉降;Smax為隧道中心線上的地表沉降;i為地表沉降槽寬度系數(shù);Vs為單位長度地表沉降槽體積;H為覆土厚度;為土體內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值。

      圖1 地表橫向沉降槽示意圖

      從公式(3)可以看出,地表沉降槽寬度系數(shù)i與覆土厚度H成正比關(guān)系。代入公式(1)可以知道,地表沉降量與隧道覆土厚度呈一定的函數(shù)關(guān)系,即理論上覆土厚度越大,沉降量越小。

      當(dāng)然,Peck沉降預(yù)測(cè)法傾向于實(shí)驗(yàn)室研究地表沉降,在實(shí)際的施工中,需要對(duì)此進(jìn)行修正,也會(huì)依據(jù)不同的施工環(huán)境進(jìn)行參數(shù)改正,如解析法、數(shù)值模擬法和鏡像法[4]等,本文不一一贅述。

      1.2修正沉降預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型

      盾構(gòu)推進(jìn)過程中引起的地表沉降往往與其他因素有關(guān),例如推進(jìn)速度、推力、刀盤扭矩和地質(zhì)條件等,同時(shí)與同步注漿等施工工藝也有很大的關(guān)系。本文所介紹的數(shù)學(xué)模型主要以盾構(gòu)的推進(jìn)參數(shù)為依據(jù),在原有的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,引入盾構(gòu)推進(jìn)速度和推力兩大因素進(jìn)行探討,構(gòu)建砂性土地層不同推進(jìn)參數(shù)下引起的地表沉降模型。

      式中:Smax0為隧道中心線上的地表沉降;y為縱向距離刀盤切口距離;X為橫向距離隧道中心線距離;dH為盾構(gòu)刀盤至盾構(gòu)距離;F為盾構(gòu)推力,kN;ν為盾構(gòu)推進(jìn)速度,cm/min;S(X)為地表沉降量。

      1.3地表沉降槽寬度系數(shù)

      在模型中,假定沉降理論模型為楔形槽,如圖2所示。則隧道起拱點(diǎn)與地面沉槽寬度邊緣點(diǎn)連線的水平仰角β為地層影響角[5]。

      圖2 地表沉降模型

      中南大學(xué)楊小禮[5]認(rèn)為:粘土地層中地層影響角β隨著地質(zhì)條件的變化而變化。在粘性土中,軟粘土的沉降寬度系數(shù)(0.6~0.7)要大于硬裂隙粘土的地表沉降寬度系數(shù)(0.4~0.5)。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上,得出沉降模型的不同地層影響角β的建議值,如表1所列。

      表1 不同地層條件下地層影響角β建議值一覽表

      表中,為土體內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值,基于上文提到的地層影響角在不同地層的取值范圍,可取砂性土地層土體內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值為45°。

      1.4地表沉降預(yù)測(cè)模型

      改正后的數(shù)學(xué)模型將單一的橫向沉降槽轉(zhuǎn)化為區(qū)域性沉降槽,可以在已知覆土厚度、盾構(gòu)推力、推進(jìn)速度等參數(shù)條件下,預(yù)測(cè)盾構(gòu)機(jī)所在區(qū)域的局部地表沉降情況,如圖3所示。

      圖3 改正后地表沉降槽模型示意圖

      改正后的數(shù)學(xué)模型并不可以預(yù)測(cè)大范圍地表沉降,距離盾構(gòu)越近,預(yù)測(cè)值可信度越高。一般采用距離盾尾約10 m處的沉降點(diǎn)數(shù)值作為模型構(gòu)建基礎(chǔ)。

      2 實(shí)例分析

      本文在從改變模型參數(shù)得到理論沉降值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證模型的可行性及適用性。本文的數(shù)據(jù)來源為鄭州市南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路工程一期工程08標(biāo)段地表沉降數(shù)據(jù)。08標(biāo)段位于一期工程規(guī)劃線路最南端,區(qū)間線路主要下穿機(jī)場二期規(guī)劃用地和機(jī)場捷運(yùn)區(qū)間。盾構(gòu)穿越地層主要以粉砂、細(xì)砂為主,隧道埋深在14 m~21 m。

      本文數(shù)據(jù)分析工具為Matlab R2010b版本,通過編程構(gòu)建數(shù)據(jù)計(jì)算模型,引入不同變量值進(jìn)行模型構(gòu)建,并輸出三維網(wǎng)格圖。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)縱向間距為4 m,共布設(shè)5個(gè)斷面,橫向分別以3 m,2 m,2 m,2 m,3 m布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見圖4)。

      圖4 改正后地表沉降槽模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

      2.1不同推力下的沉降模型

      盾構(gòu)推力是影響切口處地表沉降的重要因素之一。推力過大會(huì)引起地表的隆起,推力過小會(huì)引起地表的超限沉降。推力值取13 500~15 000 kN之間,計(jì)算結(jié)果見表2所列。

      表2 不同推力下地表沉降槽模型沉降量一覽表

      由表2統(tǒng)計(jì)可以看出:推力增大會(huì)引起地表的隆起,沉降槽在盾構(gòu)切口處呈隆起狀態(tài),在盾尾處沉降值最大。

      2.2不同推進(jìn)速度下的沉降模型

      不同的推進(jìn)速度對(duì)沉降槽有相應(yīng)的影響,從沉降槽公式(4)可以看出,沉降量會(huì)隨著推進(jìn)速度的變化而變化,通過沉降槽公式計(jì)算沉降數(shù)據(jù)如表3所列。

      2.3理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

      2.1節(jié)和2.2節(jié)主要討論了在不同推力和推進(jìn)速度的情況下沉降槽預(yù)測(cè)情況,總體看來,沉降槽沿推進(jìn)方向沉降量逐漸增大,在盾尾處沉降量達(dá)到最大,在切口附近,地層由于刀盤的推力作用,地表呈輕微隆起狀態(tài)。根據(jù)模型計(jì)算和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,得出的數(shù)據(jù)列于表4。

      表3 不同推進(jìn)速度下地表沉降槽模型沉降量一覽表

      表4 沉降模型理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比表 mm

      從表4可以看出,理論計(jì)算模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差值最大為0.12 mm,在實(shí)際應(yīng)用中,可以利用理論模型做相關(guān)的地層沉降分析,為施工提供相應(yīng)的指導(dǎo)建議。

      3 結(jié) 論

      地表沉降預(yù)測(cè)在實(shí)際操作中很難控制,諸如地質(zhì)條件因素、施工參數(shù)因素、后期注漿維穩(wěn)因素

      451

      A

      1009-7716(2016)06-0319-03

      2016-02-23

      潘濤(1985-),男,江蘇人,工程師,項(xiàng)目總工程師,從事城市軌道交通工程和地下工程技術(shù)研究工作。

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