由地鐵隧道工程引起地表橫向沉降的預(yù)測(cè)分析

1、由地鐵隧道工程引起地表橫向沉降的預(yù)測(cè)分析摘要：應(yīng)用Pek法、Lgan-Pulus法、隨機(jī)介質(zhì)理論等方法對(duì)由地鐵隧道工程引起的地表橫向沉降進(jìn)展預(yù)測(cè),并對(duì)上述方法的本質(zhì)加以研究。用STS沉降預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)展分析和計(jì)算,并通過實(shí)測(cè)曲線和預(yù)測(cè)曲線的比對(duì)分析,驗(yàn)證上述方法的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：地鐵隧道;地表橫向沉降;Pek法;Lgan-Pulus法;隨機(jī)介質(zhì)理論;沉降預(yù)測(cè)進(jìn)入21世紀(jì),我國(guó)城市開展的現(xiàn)代化步伐不斷加快,城市規(guī)模也在急劇擴(kuò)大,可供利用的地面城市交通面積越顯缺乏。為解決這一問題,我國(guó)加快開展了地下空間工程的建立。但任何地下工程的開挖勢(shì)必會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng),使其失去原有的平衡狀態(tài),而向

2、新的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化。在這個(gè)過程中地層必然會(huì)發(fā)生不同程度的位移和沉降。該沉降按影響范圍可以分為影響區(qū)和非影響區(qū)。對(duì)非影響區(qū)域的建(構(gòu))筑物認(rèn)為受施工影響的程度可忽略不計(jì),而局部或全部位于影響區(qū)域的建(構(gòu))筑物那么要進(jìn)展影響程度的判斷,對(duì)受影響程度大者需要采取相應(yīng)的處理措施。地鐵隧道在開挖施工中,由于受施工技術(shù)及周圍環(huán)境和巖土介質(zhì)的復(fù)雜性制約,即使采用較為先進(jìn)的盾構(gòu)法和新奧法,其施工引起的地表沉降也是不可防止的。當(dāng)?shù)乇沓两党^一定的限度時(shí)就會(huì)嚴(yán)重危及地表建(構(gòu))筑物的正常使用和地下管線的平安,因此必須對(duì)地表沉降加以控制和預(yù)測(cè)。筆者通過地表橫向沉降的預(yù)測(cè)分析對(duì)這一問題進(jìn)展了研究。1計(jì)算方法預(yù)測(cè)地鐵隧道

3、工程引起地表橫向沉降的方法有經(jīng)歷公式法、隨機(jī)介質(zhì)理論法等。1.1Pek法工程師Pek曾提出過一個(gè)地鐵開挖地面沉降預(yù)計(jì)公式以Pek公式為根底的經(jīng)歷公式法是基于“地層損失提出的,假定基底壓力按45向下擴(kuò)散,影響范圍邊線定在隧道擾動(dòng)區(qū)外,并認(rèn)為隧道擾動(dòng)區(qū)為2R(R隧道半徑)1-3。最初斷面開挖時(shí)的土損失在不排水(即體積不變)的條件下發(fā)生,因此沉降槽的體積非常接近隧道中的土損失(見圖1)。式中:S(x)為橫斷面上與隧道軸線間隔 為x地面點(diǎn)的沉降量;VS為由于隧道開挖引起的地層損失量;Sax為距隧道中心線地面沉降量最大值;i為沉降槽半寬度系數(shù),取為地表沉降曲線反彎點(diǎn)與中心線的間隔 ;Z為隧道中心埋深;K

4、為沉降槽寬度系數(shù);為地層內(nèi)摩擦角,對(duì)于成土取加權(quán)平均值。有了以上的數(shù)據(jù)和經(jīng)歷關(guān)系,只要土損失,沉降槽的形狀和大小也就完全確定了。1.2Lgan-Pulus法1998年Lgannathan和Pulus提出了預(yù)測(cè)地表沉降和地層沉降的解析解,地表沉降的計(jì)算公式為2:式中:0為土層損失率;v為泊松比;R為隧道半徑;Z0為隧道埋深;Z為離地表的深度;X為離隧道中心線的間隔 。1.3隨機(jī)介質(zhì)理論波蘭學(xué)者李特威尼申首先提出了隨機(jī)介質(zhì)理論。在我國(guó)以劉寶琛院士為代表對(duì)隨機(jī)介質(zhì)理論方法進(jìn)展了系統(tǒng)研究和完善,該方法一直被應(yīng)用在礦山工程中,研究開采礦石對(duì)地面的影響。20世紀(jì)90年代以來,隨機(jī)介質(zhì)理論和方法開場(chǎng)被應(yīng)用于

5、地鐵工程,初步解決了地鐵各種開挖方法(NAT、TB、盾構(gòu)、凍結(jié))、地面各點(diǎn)位移(垂直及程度)和變形(傾斜、曲率、程度應(yīng)變)的計(jì)算方法,并獲得了全套計(jì)算公式。土體作為一種復(fù)雜的非線性介質(zhì),具有許多介質(zhì)無(wú)法相比的不確定性;在地鐵隧道施工中,土體工程性質(zhì)的隨機(jī)性包括土體所受荷載的不確定性以及土體反響的隨機(jī)性。根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論,將巖土體視為隨機(jī)介質(zhì),把地層挪動(dòng)過程看作是一種服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)過程,即可用概率積分法研究地表挪動(dòng)。隧道開挖對(duì)地表影響可等效為構(gòu)成這一開挖的無(wú)限多個(gè)微元開挖的影響總和。1.3.1根本理論在開挖程度平面以上的任意程度面Z(ZH)上,把厚度、長(zhǎng)度和寬度均為無(wú)限小單元的開挖定義為單元

6、開挖ddd;由單元開挖引起的沉降槽定義為單元沉降槽,用e(X,Y,Z)表示單元開挖引起的下沉。最終沉槽體積等于地層損失體積ddd,即開挖單元體積;引入主要影響半徑R(Z)和主要影響范圍角的概念,可得到單元開挖引起地表沉降槽最終分布表達(dá)式為2-3:由于隧道周圍巖土體向開挖空間挪動(dòng)導(dǎo)致斷面收縮而引起地表沉降,地鐵隧道施工中,需要采用一定的支護(hù)措施嚴(yán)格控制地層挪動(dòng),不允許完全塌落。如圖2所示,隧道開挖初始斷面為,建成后開挖斷面由收縮為。根據(jù)疊加原理,實(shí)際地表下沉值等于開挖范圍引起的下沉與開挖范圍引起的下沉之差:轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.2理論分析Pek公式有VS和i2個(gè)參數(shù),合理確定這2個(gè)參數(shù)對(duì)于正確預(yù)

7、測(cè)地面沉降的量值和分布情況起著至關(guān)重要的作用。Lgan-Pulus法主要是確定土層損失率。隨機(jī)介質(zhì)法計(jì)算橫向沉降需要確定H、tan、A和隧道橫斷面幾何尺寸,在設(shè)計(jì)完成后H和隧道橫斷面幾何尺寸是確定的,因此tan、A成為影響計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵。tan和Pek法的沉降槽寬度系數(shù)i都取決于開挖地段所處的地層條件,A和Pek法的VS及Lgan-Pulus法的0均為隧道施工條件的綜合反映。這幾種方法的關(guān)鍵都是確定土損失,因此它們的求解本質(zhì)都是一樣的。3工程實(shí)例3.1工程概況某段地鐵隧道工程,該段地層由淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、粘土、風(fēng)化巖等構(gòu)成,采用雙隧道設(shè)計(jì),新奧法施工,隧道頂面上覆土層厚度9.3,左右兩隧道中

8、心線間隔 15(見圖3)。本工程先開挖左側(cè)隧道,待左段施工完畢后再進(jìn)展右段隧道施工,該地段地質(zhì)條件較差(見表1),斷面開挖引起較大沉降。3.2橫向地表實(shí)測(cè)沉降本工程在施工過程中和施工過程后,進(jìn)展了沉降觀測(cè)。在斷面橫向每5設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn),在沉降較大區(qū)間觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)展了加密;共設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)30個(gè),實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(見圖4)。在左側(cè)隧道施工完畢后地表最大沉降到達(dá)25.12,位于-7.5處,橫向影響范圍距中心線3540;右側(cè)隧道施工完畢后,最大沉降量31.02,位于-6.2處。兩隧道中間沉降較大,右側(cè)沉降最大27.22。分析預(yù)測(cè),橫向地表沉降主要降影響范圍在距坐標(biāo)0點(diǎn)45內(nèi)。3.3橫向地表沉降反分析及預(yù)測(cè)將上述實(shí)

9、測(cè)點(diǎn)位置和測(cè)點(diǎn)沉降值輸入STS系統(tǒng)中,經(jīng)過調(diào)整計(jì)算,得到Pek法預(yù)測(cè)斷面橫向地表沉降曲線圖(見圖5),Lgan-Pulus法預(yù)測(cè)斷面橫向地表沉降曲線圖(見圖6),隨機(jī)介質(zhì)理論法預(yù)測(cè)斷面橫向地表沉降曲線圖(見圖7)。由計(jì)算結(jié)果可以得到如下結(jié)論:這3種預(yù)測(cè)方法的計(jì)算結(jié)果普遍小于實(shí)測(cè)沉降值。導(dǎo)致Pek法和Lgan-Pulus法預(yù)測(cè)沉降值較小的主要原因是,這2種方法與巖土體性質(zhì)聯(lián)絡(luò)不夠親密,影響土層損失率的因素考慮不夠全面,沒有分析地下水降水的影響。而影響隨機(jī)介質(zhì)理論法相對(duì)不準(zhǔn)確的原因是計(jì)算參數(shù)與巖土工程地質(zhì)條件之間的關(guān)系不明確;從整體分析看,3種方法的預(yù)測(cè)精度根本可以滿足指導(dǎo)工程理論的要求,經(jīng)過對(duì)曲線圖比擬分析發(fā)現(xiàn)隨機(jī)介質(zhì)理論法的預(yù)測(cè)比擬接近實(shí)際沉降,預(yù)測(cè)精度比前兩種方法高。參考文獻(xiàn)1PekRB.Deepexavatinandtunnelinginsftgrund.NeYrk:PublishedbyASE,1984:82-84.2LgannathanN,PulsH