韓全吉　潘文濤　黃振磊

摘 要：地鐵盾構(gòu)隧道上方環(huán)境復(fù)雜，人流、管線及重要建（構(gòu)）筑物多，控制地表沉降成為盾構(gòu)隧道工程的重點(diǎn)問題。河南鄭州地鐵盾構(gòu)隧道穿越地層大多數(shù)為砂性土層，對砂性地層中盾構(gòu)隧道掘進(jìn)導(dǎo)致的地表沉降進(jìn)行預(yù)測，能為鄭州市后續(xù)地鐵建設(shè)提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：隧道盾構(gòu);地表沉降;Peck公式

中圖分類號：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）26-0112-03

Measure and Numerical Simulation Analysis of Surface Settlement

Law in Zhengzhou Metro Shield Construction

HAN Quanji PAN Wentao HUANG Zhenlei

（1.Zhejiang East China Surveying and Mapping and Engineering Safety Technology Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310014;

2.School of Water Conservancy Science and Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract：The environment above Metro shield tunnel is complex， there are many people， pipelines and important buildings （structures）. Controlling surface settlement has become the key problem of shield tunnel engineering. Most of the strata crossed by the shield tunnel of Zhengzhou metro are sandy soil. The prediction of surface settlement caused by shield tunneling in sandy strata can provide some technical guidance for the follow-up subway construction in Zhengzhou.

Keywords： shield tunnel;surfacesettlement;Peck formula

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國以地鐵為主導(dǎo)的地下軌道交通、以綜合管廊為主導(dǎo)的地下市政等開發(fā)項(xiàng)目快速崛起，促使城市地下空間的開發(fā)利用呈現(xiàn)規(guī)模發(fā)展態(tài)勢。其中，城市軌道交通發(fā)展速度位于世界首位[1-2]。

目前，關(guān)于盾構(gòu)隧道開挖造成地表沉降的研究方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值分析法、理論解析法及模型試驗(yàn)法，其中經(jīng)驗(yàn)公式法使用最為普遍[3-6]。本文對河南省鄭州市砂性土層中Peck公式的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)提出建議值，并對盾構(gòu)在砂性土中掘進(jìn)導(dǎo)致的地表沉降進(jìn)行預(yù)測，以期為鄭州市后續(xù)地鐵建設(shè)提供一定的技術(shù)支撐。

1 對Peck公式回歸分析

Peck教授分析了大量隧道施工的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地面橫斷面沉降曲線能夠用高斯曲線描述，由此提出了著名的Peck經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：S（x）是隧道軸線上方x處的地表沉降量，mm;S是隧道軸線上方的最大地表沉降量，mm;x是距離隧道中心的水平距離，m;V是單位長度地層損失率，%;i是地面沉降槽寬度，m;R是隧道半徑，m。

2 地鐵盾構(gòu)區(qū)間的測點(diǎn)布置

研究區(qū)間采用兩臺土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工作業(yè)，盾構(gòu)主機(jī)長為7.5 m，開挖直徑為6.45 m，襯砌管片寬為1.5 m，厚為35 cm。整條線路盾構(gòu)穿越的地層主要為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉砂、細(xì)砂，每個(gè)盾構(gòu)區(qū)間穿越的地層都有粉砂、細(xì)砂層。

根據(jù)監(jiān)測設(shè)計(jì)規(guī)范要求，在盾構(gòu)始發(fā)端、接收端0～50 m范圍內(nèi)，每10 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測小斷面，每30 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測大斷面;51～100 m范圍內(nèi)，每10 m布設(shè)一個(gè)中線監(jiān)測點(diǎn)，每30 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測大斷面。

3 盾構(gòu)施工區(qū)橫向地表沉降預(yù)測

3.1 Peck公式的修正

選取該區(qū)間埋深為16.5 m（2.5D，其中[D]為盾構(gòu)隧道直徑6.6 m）的5個(gè)大監(jiān)測斷面（66環(huán)斷面、133環(huán)斷面、168環(huán)斷面、238環(huán)斷面、273環(huán)斷面）數(shù)據(jù)，對Peck公式經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行擬合求解。根據(jù)選取的5個(gè)監(jiān)測斷面地表沉降值，可得表1結(jié)果和各斷面回歸后的線性回歸函數(shù)。

將5個(gè)斷面的實(shí)測數(shù)據(jù)與回歸后的線性方程進(jìn)行對比可知，這5個(gè)斷面的線性相關(guān)系數(shù)均能夠準(zhǔn)確地反映線性轉(zhuǎn)換后兩者的線性關(guān)系。

從圖1可以看出，各實(shí)測橫斷面沉降曲線與擬合沉降曲線基本吻合，擬合度均在90%以上，可見基于Peck公式的線性擬合方法是可靠的。

通過上述數(shù)據(jù)，給出埋深16.5 m的砂性地層中Peck公式經(jīng)驗(yàn)參數(shù)最大沉降值和沉降槽寬度的建議值，Smax=11.371 8 mm，i=9.502 0 m，可以得到適用于鄭州埋深16.5 m的砂性地層的傳統(tǒng)Peck經(jīng)驗(yàn)公式為：

基于Peck公式對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，獲得各斷面最終擬合曲線與傳統(tǒng)Peck預(yù)測公式的對比圖，結(jié)果如圖2和圖3所示。修正過的Peck沉降曲線能更準(zhǔn)確地反映該埋深的地表沉降規(guī)律。

3.2 Peck公式修正后的驗(yàn)證

選取該區(qū)間小監(jiān)測斷面隧道軸線上方32個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，驗(yàn)證埋深16.5 m的擬合Peck公式預(yù)測地表沉降的準(zhǔn)確性，選取某監(jiān)測斷面地表沉降值，繪制成不同沉降區(qū)間占比柱狀圖，如圖4所示。從圖4可以看出，小監(jiān)測斷面地表最大沉降值大多集中在10～12 mm，占比68.75%。此區(qū)間平均沉降值為11.019 mm，與修正Peck擬合公式預(yù)測的地表最大沉降值11.371 8 mm相差3.1%;32個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)地表最大沉降值均值為11.114 mm，與Peck擬合公式預(yù)測的地表最大沉降值相差0.306 mm，相差2.27%。

通過將擬合Peck公式預(yù)測的地表最大沉降值與該區(qū)間32組監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了修正的擬合Peck公式預(yù)測埋深16.5 m地表沉降的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

①區(qū)間埋深為16.5 m的5個(gè)大監(jiān)測橫向斷面的地表沉降曲線均為明顯的凹型沉降槽，近似為高斯曲線，符合Peck公式的沉降規(guī)律。因此，可以通過線性擬合得到5個(gè)大監(jiān)測斷面對應(yīng)的擬合地表最大沉降值、沉降槽寬度、地層損失率。

②擬合得到的區(qū)間5個(gè)大監(jiān)測斷面地表最大沉降值、沉降槽寬度、地層損失率的均值分別為11.371 8 mm，9.502 0 m、0.794 8 m。

③根據(jù)地鐵盾構(gòu)在施工中的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)得出適用于鄭州砂性地層埋深16.5 m的傳統(tǒng)Peck經(jīng)驗(yàn)公式，并驗(yàn)證了其可行性，可為之后類似工程提供參考。

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