洪卓眾

(龍巖市緯業(yè)測(cè)繪有限公司，福建 龍巖 364000)

1 引 言

目前城市軌道交通建設(shè)正處于加速發(fā)展階段，越來(lái)越多的城市興建地鐵，盾構(gòu)法地鐵隧道施工由于具有地面作業(yè)少、對(duì)周?chē)h(huán)境影響小、自動(dòng)化程度高、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)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(gòu)施工一般是在地下進(jìn)行，不論隧道埋有多深，都會(huì)對(duì)土體及周邊建筑物產(chǎn)生一定程度影響。因此對(duì)盾構(gòu)施工引起的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)建立相對(duì)準(zhǔn)確、符合規(guī)律的預(yù)測(cè)模型應(yīng)用到地鐵建設(shè)工程中是很有必要的。

2 盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律

2.1 盾構(gòu)施工引起的地表橫向沉降規(guī)律

盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生的擾動(dòng)主要分為橫向與縱向，其中橫向擾動(dòng)范圍一般在隧道軸線 20 m～30 m范圍內(nèi)[1]。據(jù)Peak的研究，其地表的橫向變形呈正態(tài)曲線分布規(guī)律，計(jì)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(nèi)摩擦角；

α——最大沉降量修正系數(shù)，取值范圍0.6～0.8，一般當(dāng)?shù)貙訐p失較大時(shí)取最大值。

2.2 盾構(gòu)施工引起的地表縱向沉降規(guī)律

據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，對(duì)于盾構(gòu)上方某一點(diǎn)的位移變化及變位，歷時(shí)曲線可分為五個(gè)階段：

Ⅰ 先行沉降；

Ⅱ 開(kāi)挖面沉降或隆起；

Ⅲ 盾尾通過(guò)時(shí)沉降；

Ⅳ 尾部空隙沉降；

Ⅴ 后期沉降，后期沉降主要是固結(jié)沉降[2]。

通常情況下，以上五個(gè)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(shí)例分析

本文主要通過(guò)橫向與縱向沉降規(guī)律分析深圳地鐵9號(hào)線鹿丹村至人民南左右線240環(huán)至300環(huán)之間盾構(gòu)施工過(guò)程中的地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該區(qū)間其隧道主要埋深在微風(fēng)化變質(zhì)砂巖層中，地質(zhì)條件良好。

3.1 地表橫向沉降規(guī)律

取該工程左線3個(gè)橫斷面沉降數(shù)據(jù)(具體分布如圖1所示)進(jìn)行分析，其中三角形為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，中間線為隧道中軸線，上下兩邊線為監(jiān)測(cè)范圍線。表1為3個(gè)橫斷面累積沉降量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖2為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量隨離隧道的距離變化，橫坐標(biāo)為離隧道中軸線的距離，單位為m；縱坐標(biāo)為累計(jì)沉降量，單位為mm。

由表1數(shù)據(jù)及圖2可得出，隧道軸線上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降最大，離隧道軸線距離越遠(yuǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量越小，并逐漸趨于 0 mm。當(dāng)離隧道距離超過(guò) 30 m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本趨于穩(wěn)定。由于實(shí)際工程地質(zhì)、施工條件的復(fù)雜性、多變性，其橫向地表變形規(guī)律很難完全符合Peak沉降槽理論，但是其變化趨勢(shì)基本符合該理論特征。

圖1 橫斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

橫斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表 表1

圖2 橫斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)沉降曲線圖

3.2 地表縱向沉降規(guī)律

選取兩個(gè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)RD1和RD2，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于隧道左右線之間(如圖3所示)，監(jiān)測(cè)頻率為1次/天，共監(jiān)測(cè)20期。表2為兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降數(shù)據(jù)表，圖3左圖為RD1點(diǎn)累積沉降散點(diǎn)圖，右圖為RD2點(diǎn)累積沉降散點(diǎn)圖。

圖3 RD1、RD2監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

RD1、RD2監(jiān)測(cè)點(diǎn)各期累計(jì)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù) 表2

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)RD1、RD2散點(diǎn)圖

由RD1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的散點(diǎn)圖可以看出，左線隧道盾構(gòu)穿過(guò)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降為 6 mm，每期平均變化量為 0.3 mm，變化量比較小，不過(guò)在14期～17期間其變化有些微小波動(dòng)，總體呈緩慢下降趨勢(shì)。由RD2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的散點(diǎn)圖可以看出，其累計(jì)沉降變化呈平穩(wěn)下降趨勢(shì)，累計(jì)沉降量為 5 mm。兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降情況可得出該項(xiàng)目盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表影響較小。

3.3 地表縱向沉降監(jiān)測(cè)建模及預(yù)測(cè)

(1)數(shù)學(xué)建模

假定隧道左右線盾構(gòu)施工對(duì)其監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響相當(dāng)。本文以右線隧道盾構(gòu)施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)作為建立模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)該數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)左線隧道施工時(shí)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積沉降量并與實(shí)際采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證該模型的預(yù)測(cè)精度。

(2)數(shù)學(xué)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(duì)該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并預(yù)測(cè)分析。

y=a+bx+ε

(4)

式中a，b，為待估參數(shù)，x，y分別為自變量跟因變量。

②參數(shù)計(jì)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(yàn)

本文計(jì)算采用相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)方法。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

兩個(gè)模型的相關(guān)系數(shù)值 表3

擬定顯著水平(一般取0.05)，查閱相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表(自由度取n-2，此處n=20)，獲得臨界值rα=0.444，計(jì)算結(jié)果|r|>rα，故兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型通過(guò)檢驗(yàn)。

④模型預(yù)測(cè)

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型分別對(duì)這兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的21期～30期數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中21期～30期數(shù)據(jù)是由左線隧道盾構(gòu)施工通過(guò)時(shí)影響的累計(jì)沉降值。預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的比較如表4與表5所示。

點(diǎn)RD1累計(jì)沉降預(yù)測(cè)值與實(shí)際值表 表4

點(diǎn)RD2累計(jì)沉降預(yù)測(cè)值與實(shí)際值表 表5

由表4、表5數(shù)據(jù)可得出預(yù)測(cè)偏差最大值為1.47 mm，最小值為0.03 mm，預(yù)測(cè)精度較高，滿(mǎn)足實(shí)際工程的精度要求。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)的分析，得出地表橫向變形規(guī)律基本符合Peak公式的沉降槽理論。同時(shí)利用對(duì)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)RD1與RD2的右線隧道盾構(gòu)通過(guò)時(shí)影響的累計(jì)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸數(shù)學(xué)建模，預(yù)測(cè)左線隧道盾構(gòu)通過(guò)對(duì)地表的沉降影響，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，得出預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。根據(jù)其預(yù)測(cè)的結(jié)果，可以提前預(yù)知在同等地質(zhì)條件及施工參數(shù)下隧道盾構(gòu)施工對(duì)地表的擾動(dòng)規(guī)律。

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