徐小馬, 朱大勇, 盧坤林

Peck公式在合肥地鐵盾構(gòu)施工地面變形監(jiān)測中的適用性分析

徐小馬1,2, 朱大勇1,2, 盧坤林1,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

采用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道施工,難免會(huì)引起地層移動(dòng)而導(dǎo)致不同程度的沉降,而采用Peck公式進(jìn)行沉降預(yù)測時(shí),首先要利用實(shí)測數(shù)據(jù)對該公式進(jìn)行驗(yàn)證,并給出適合該地域的計(jì)算參數(shù)。文章利用合肥軌道交通盾構(gòu)施工中的地表監(jiān)測數(shù)據(jù)對Peck公式進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)計(jì)算出沉降槽寬度參數(shù)和地層損失率,為該公式在合肥盾構(gòu)施工過程中預(yù)測地表沉降值提供了依據(jù)。

地鐵;盾構(gòu)隧道;Peck公式;地面變形;沉降

從技術(shù)原理角度來說,盾構(gòu)法隧道施工會(huì)引起地層移動(dòng)而導(dǎo)致不同程度的沉降,即使采用先進(jìn)的土壓平衡和泥水平衡式盾構(gòu),并輔以盾尾注漿技術(shù),也難以完全防止地面沉降,地面沉降過大對地表建構(gòu)筑物會(huì)產(chǎn)生巨大風(fēng)險(xiǎn)[1]。在眾多預(yù)測地面變形形態(tài)和沉降量的方法中,Peck公式應(yīng)用最為廣泛[2-6]。1969年美國土力學(xué)專家Peck教授提出了預(yù)測地面變形的公式,該公式是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式,是基于有限的地區(qū)實(shí)測資料得到的,在使用該公式時(shí)要結(jié)合地區(qū)特點(diǎn)確定相關(guān)參數(shù)來對沉降變形進(jìn)行預(yù)測。近年來,我國興起地鐵建設(shè)的熱潮,各地地鐵盾構(gòu)隧道施工中逐漸積累了一些實(shí)測資料,但仍比較零散,也沒有形成比較統(tǒng)一的結(jié)論[6-7]。我國研究者根據(jù)各地盾構(gòu)施工中公開的資料分析了該公式的適用性,并且給出了初步的建議值[6]。但是我國地域遼闊,各地地質(zhì)條件差異性很大,很難用統(tǒng)一的參數(shù)預(yù)測各地盾構(gòu)施工沉降。很多研究者根據(jù)各地的地鐵施工沉降數(shù)據(jù)對Peck公式適用性進(jìn)行分析,對沉降槽計(jì)算方法進(jìn)行修正[8-11]。各地應(yīng)利用各自的數(shù)據(jù)對該公式做適用性分析并給出參數(shù),而目前對于合肥地區(qū)的相關(guān)研究很少。合肥軌道交通1號線已經(jīng)完成土建工程,進(jìn)入鋪軌和電氣設(shè)備安裝階段,3號線也已經(jīng)開工建設(shè),在盾構(gòu)施工中積累了很多監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文結(jié)合合肥地區(qū)已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)對該公式在本地區(qū)的適應(yīng)性進(jìn)行分析并確定相關(guān)參數(shù)。

1 Peck公式及其適用性檢驗(yàn)方法

1.1 Peck公式

Peck在分析大量地表沉降觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,提出了地表沉降槽符合高斯分布的假設(shè),認(rèn)為地層變形由地層損失引起,施工引起的地面沉降是在不排水的條件下發(fā)生的,從而假定地表沉降槽體積等于地層損失體積[2]。其計(jì)算公式為:

(1)

其中,s為地面任一點(diǎn)y處的沉降量;smax為地面最大沉降量,位于沉降曲線的對稱中心上(對應(yīng)于隧洞軸線位置,y=0);y為從沉降曲線對稱中心到計(jì)算點(diǎn)的距離;i為從沉降曲線對稱中心到曲線拐點(diǎn)的距離,一般稱為“沉降槽寬度”。沉降槽示意圖如圖1所示。

圖1 沉降槽示意圖

對于沉降槽寬度的取值,很多研究者給出了不同的方法[7]。目前最常用的是根據(jù)文獻(xiàn)[3]在倫敦地區(qū)的經(jīng)驗(yàn),i和隧道深度z0之間存在以下簡單的線性關(guān)系:

i=Kz0

(2)

其中,K為沉降槽寬度參數(shù),主要取決于土性。對于無黏性土,K值為0.2～0.3;對于硬黏土,K值為0.4～0.5;而對于軟的粉質(zhì)黏土，K值可高達(dá)0.7[3]。

定義地層損失率Vl為單位長度的地表沉降槽的斷面面積(假設(shè)單位長度上的沉降斷面一致)占隧道開挖面積的百分比。在不排水條件下,地層損失體積和地面沉降體積應(yīng)該是相等的。地層損失率Vl與最大位移之間的關(guān)系可以通過對(1)式的積分得到[5],設(shè)單位長度為1,則有:

(3)

其中

由(3)式可得:

(4)

由(1)式、(2)式及(4)式可得:

(5)

1.2 檢驗(yàn)公式適用性的方法

要判斷觀測數(shù)據(jù)是否符合Peck公式,并獲得相關(guān)參數(shù),可以采用如下方法[5]。

(6)

(7)

根據(jù)以上方法,可以判別沉降曲線是否符合高斯分布,同時(shí)還可以獲得相關(guān)的擬合參數(shù),包括地層損失率Vl和沉降槽寬度參數(shù)K。

2 Peck公式在合肥地區(qū)的適用性分析

2.1 合肥軌道交通概況與樣本數(shù)據(jù)獲取

合肥軌道交通線路規(guī)劃[12]及樣本來源如圖2所示,軌道交通遠(yuǎn)景線網(wǎng)總長586 km,其中市區(qū)線路7條,全長215.3 km;市域線路5條(含1條機(jī)場專用線),全長107.2 km。遠(yuǎn)期中心城區(qū)城市軌道交通規(guī)劃方案由6條城市軌道交通線路組成,共設(shè)置了15個(gè)軌道交通樞紐。

截止目前,合肥已經(jīng)動(dòng)工3條線路。其中1號線施工建設(shè)基本結(jié)束,即將通車;2號線全線土建施工中;3號線大部分站點(diǎn)開始施工。本文樣本數(shù)據(jù)主要來自合肥軌道交通1、2號線施工和第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)。

本次驗(yàn)證數(shù)據(jù)來自1號線土建4標(biāo)段(圖2中區(qū)段1)、6標(biāo)段(圖2中區(qū)段2)和2號線9標(biāo)段(圖2中區(qū)段3)。3個(gè)標(biāo)段分布在合肥市中、南和西北方向3個(gè)位置,每隔40～60 m左右取1個(gè)監(jiān)測斷面,共計(jì)112個(gè)樣本,盡可能選擇周邊建筑物少、平坦無堆載的斷面,具體位置分布見表1所列。盾構(gòu)施工時(shí)都采用直徑6 m的土壓平衡和泥水平衡式盾構(gòu),并輔以盾尾注漿技術(shù)進(jìn)行施工。

圖2 合肥軌道交通線路規(guī)劃及樣本來源 表1 樣本數(shù)據(jù)分布

區(qū)段標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間區(qū)間長度/m樣本數(shù)量主要穿越地層11號線土建4標(biāo)段(合肥中部)大東門站—蕪湖路站740.8512強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、粉細(xì)砂蕪湖路站—南一環(huán)站878.4817粉土、細(xì)砂、泥質(zhì)砂巖南一環(huán)站—太湖路站1449.6729粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、粉細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖21號線土建6標(biāo)段(合肥南)繁華大道站—大連路站990.1019粉土、細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖32號線土建9標(biāo)段(合肥西北)玉蘭大道站—天柱路站1043.1120硬塑狀黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖天柱路站—科學(xué)大道站777.3015強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖

2.2 適用性分析

按照如下步驟分析判斷Peck公式的適用性,并計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

(1) 通過實(shí)地測量獲取監(jiān)測斷面最終沉降量數(shù)據(jù)。

(3) 若是線性關(guān)系,則利用(4)式反算出地層損失率Vl,利用(7)式計(jì)算沉降槽寬度i,利用(2)式計(jì)算沉降槽寬度參數(shù)K。

表2 DB-16監(jiān)測斷面沉降數(shù)據(jù)

注:*數(shù)據(jù)為DB-16監(jiān)測斷面沉降數(shù)據(jù)最大值smax。

圖3 DB-16監(jiān)測斷面沉降曲線

圖4 DB-16監(jiān)測斷面關(guān)系

從圖3可以看出,由DB-16斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)的沉降曲線能較好地?cái)M合成高斯分布。

由上述結(jié)果可知,沉降基本滿足Peck公式時(shí),“l(fā)n(s/smax)-y2”關(guān)系的相關(guān)系數(shù)接近于-1,由于相關(guān)文獻(xiàn)并未給出具體判斷標(biāo)準(zhǔn),通過分析,本文設(shè)定左、右側(cè)擬合相關(guān)系數(shù)R2≤-0.95時(shí)認(rèn)為沉降滿足Peck公式。同樣,相關(guān)文獻(xiàn)也未對滿足Peck公式的地表沉降對稱性進(jìn)行相關(guān)研究,為了評價(jià)沉降左、右對稱性的情況,本文引入對稱參數(shù)C,計(jì)算公式為：

(8)

其中,mL、mR為左、右側(cè)擬合斜率。

通過分析認(rèn)為，當(dāng)C≤5%時(shí)為對稱性好；當(dāng)C≥20%時(shí)為無對稱性；當(dāng)5%

2.3 沉降槽寬度參數(shù)與地層損失率計(jì)算

在表1所列的6個(gè)盾構(gòu)監(jiān)測區(qū)間上共選取112個(gè)監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù),按照2.2節(jié)DB-16斷面數(shù)據(jù)的處理方法進(jìn)行計(jì)算,共計(jì)98個(gè)符合高斯分布(R2≤-0.95),占樣本數(shù)量的87.5%。利用(2)式計(jì)算得到沉降槽寬度參數(shù)K,在98個(gè)數(shù)據(jù)中有89個(gè)在0.5～0.7之間,約占樣本數(shù)量的91%。

對實(shí)測數(shù)據(jù)分析可知,合肥地鐵盾構(gòu)施工中的地面沉降基本滿足高斯分布的規(guī)律。K主要分布在0.5～0.7之間,其中穿越地層為粉細(xì)砂、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖時(shí)K在0.5～0.6之間,穿越地層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖時(shí)K在0.6～0.7之間。

同樣選取以上98個(gè)斷面利用(4)式反算出地層損失率Vl,有90個(gè)數(shù)據(jù)在0.8%～1.8%之間,占92%。

大東門站—蕪湖路站區(qū)間12個(gè)斷面K與Vl計(jì)算結(jié)果見表3所列。

表3 大東門站—蕪湖路站區(qū)間監(jiān)測斷面K與Vl計(jì)算結(jié)果

3 Peck公式驗(yàn)證

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以確定合肥地區(qū)的沉降槽寬度參數(shù)K為0.5～0.7,地層損失率Vl為0.8%～1.8%。

下面對正在開挖斷面(1號線土建8標(biāo)段,大連路站—花園大道站區(qū)間,圖2中區(qū)段4)進(jìn)行地表沉降預(yù)測,K取統(tǒng)計(jì)結(jié)果的中值0.6;Vl取中值1.3%,預(yù)測結(jié)果見表4所列。

由表4可知，采用監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出的K和Vl值作為Peck公式計(jì)算參數(shù)，能較準(zhǔn)確地預(yù)測盾構(gòu)施工中地表沉降量的大小。

表4 Peck公式預(yù)測地表沉降結(jié)果

4 結(jié) 論

本文計(jì)算分析了112組監(jiān)測樣本數(shù)據(jù),證實(shí)了Peck公式適用于合肥軌道交通建設(shè)。根據(jù)相關(guān)公式求解統(tǒng)計(jì)出合肥地區(qū)的沉降槽寬度參數(shù)K的范圍為0.5～0.7,建議計(jì)算時(shí)取0.6;盾構(gòu)隧道的地層損失率Vl的范圍為0.8%～1.8%,建議計(jì)算時(shí)取1.3%。

為了判斷沉降對稱性,本文引入對稱參數(shù)C,能較好地判斷出地表沉降的對稱情況。在監(jiān)測過程中仍然有部分?jǐn)?shù)據(jù)和預(yù)測值相差較大,說明盾構(gòu)施工受多種因素影響,并且在某些情況下并不可控。下一步研究工作將探尋各種因素和條件對沉降的影響,不斷完善Peck公式的適用范圍和計(jì)算方法。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

Applicability analysis of Peck formula in ground deformation monitoring of Hefei metro shield construction

XU Xiaoma1,2, ZHU Dayong1,2, LU Kunlin1,2

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China; 2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

The application of shield tunneling method in tunnel construction will inevitably generate the strata movement， which will lead to different degrees of settlement. When using the Peck formula for settlement predication， the formula needs to be verified by the experimental data. And the calculation parameters suitable for the region should be gotten. In this paper， the formula is verified by the surface monitoring data of Hefei metro shield construction. And the trough width parameter and volume loss ratio are calculated. The study provides a basis for the predication of the value of surface settlement in the process of shield construction in Hefei.

metro; shield tunnel; Peck formula; ground deformation; settlement

2015-10-30；

2015-11-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179043;41402256);軌道交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站科研資助項(xiàng)目(2015FFCZ0617)

徐小馬(1990-),男,安徽蕪湖人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 朱大勇(1965-),男,安徽樅陽人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.014

TU433

A

1003-5060(2017)02-0210-05