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長沙起伏板巖地層盾構施工地表沉降預測研究

晁峰1,2，王明年1,2，劉大剛1,2，霍建勛1,2

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；

2.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

摘要:為有效指導起伏板巖地層盾構施工，保證施工安全，以長沙地鐵2號線西延線一期工程為工程背景，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)值模擬等方法對湘江以西地區(qū)起伏板巖地層盾構施工地表沉降預測方法進行研究，包括地表有、無建筑物兩種情況。研究結(jié)果表明：通過對依托工程單線盾構隧道施工地表沉降實測數(shù)據(jù)進行擬合分析，發(fā)現(xiàn)沉降曲線與Peck曲線吻合較好，表明Peck公式在該地區(qū)的適用性；通過計算分析，該地區(qū)無建筑物地表沉降預測沉降槽寬度系數(shù)取值范圍為0.4~0.6，地層損失率取值范圍為0.6%~1.2%；從施工風險控制和工程應用觀點出發(fā)，對于有建筑物時地表沉降預測方法進行了探討，可以保守選用無建筑物預測方法。本文研究成果可為本地區(qū)類似工程施工提供借鑒。

關鍵詞：起伏板巖地層;盾構施工;地表沉降預測;建筑物

1地表沉降預測方法

國內(nèi)外學者提出了一系列預測方法，主要有經(jīng)驗公式法、解析法、數(shù)值模擬分析法、模型實驗法等。經(jīng)驗法主要是根據(jù)隧道開挖后地表沉降槽的大致形狀，采用某一種特定曲線形式來表示，再根據(jù)實測結(jié)果或己有的資料，確定曲線的具體參數(shù)。目前，最常用的經(jīng)驗公式為Peck公式[5-6]。隧道施工引起的橫向地表沉降曲線如圖1所示。

圖1　Peck曲線Fig.1 Peck curve

地表沉降的預測公式如下：

(1)

(2)

式中：S(x)為地表距離隧道中心線距離x處的地表沉降，mm；Smax為隧道中心線上的地表沉降，mm；i為地表沉降槽寬度，m；i=Kz0；K為沉降槽寬度系數(shù)；z0為隧道軸線深度，m；Vs為單位長度地表沉降槽體積；Vl為地層損失率；A為開挖面積，m2。

2依托工程概況

長沙地鐵2號線西延線一期工程包含4站4區(qū)間，總長約4.2 km，見圖2，區(qū)間采用盾構法施工，盾構管片外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，管片厚度300 mm，幅寬1.5 m，分塊方式為”3+2+1”，盾構機采用中鐵重工生產(chǎn)的ZTE6250型復合式土壓平衡盾構機。依托工程盾構穿越的地層主要有強風化板巖、中風化板巖、微風化板巖和粉質(zhì)黏土等，地層分界線空間起伏不均，基巖為板巖，部分區(qū)段微風化板巖強度達70 MPa。圖3為一個代表性區(qū)間的地質(zhì)斷面圖。

圖2　長沙地鐵2號線西延線一期工程Fig.2 First phase of west extension line of Changsha metro line 2

圖3　文-梅區(qū)間典型地質(zhì)斷面圖Fig.3 Typical geological longitudinal section of Wenhua Yishu Zhongxin Station-Meixihu Dong Station

4區(qū)間盾構施工順序依次為望-梅區(qū)間、文-梅區(qū)間、文-麓區(qū)間和麓-梅區(qū)間，由于地層分界線空間起伏不均，本地區(qū)無施工經(jīng)驗，盾構施工地表沉降控制是本工程所面臨的技術難題之一。

3起伏板巖地層地表沉降預測

受地表建筑物的影響，地表沉降規(guī)律與無建筑物時有所不同，因此，對無建筑物情況、有建筑物情況進行分開討論。

3.1無建筑物時起伏板巖地表沉降預測

3.1.1無建筑物時起伏板巖地層地表沉降特征

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為了對比依托工程范圍均質(zhì)地層與起伏板巖地層地表沉降規(guī)律的不同，選取圖3中一個斷面進行數(shù)值模擬，地層傾斜直線以左、右線軸線地層分界線標高連線獲得。數(shù)值模擬考慮盾構施工過程[7]，盾構掘進參數(shù)取為：總推力為8 000 kN，扭矩為2 200 kN·m，土倉壓力為0.1 MPa，注漿壓力為0.3 MPa，F(xiàn)LAC3D建模如圖4。地層選用摩爾-庫侖模型，各地層厚度根據(jù)兩條隧道軸線的地層高度連線確定，地層圍巖力學參數(shù)如表1所示。將盾構管片等效成均勻剛度圓柱體，用殼體單元模擬。

圖4　三維計算模型Fig.4 Three-dimensional computational model

序號地層名稱體積模量/GPa剪切模量/GPa容重/(kg·m-3)內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/MPa1素填土0.0350.00911900100.0042強風化板巖0.0830.04802140300.0603中風化板巖3.0902.03002390320.0754微風化板巖9.4007.1002660370.400

數(shù)值模擬計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比見圖5。

圖5　實測值與數(shù)值模擬值對比Fig.5 Comparison of measured results and numerical values

從圖5可以看出，數(shù)值模擬地表沉降值和現(xiàn)場實測值是一致的，因此可認為數(shù)值模擬結(jié)果是正確的。將圍巖全部設置成中風化板巖的均質(zhì)地層，將其數(shù)值模擬結(jié)果與起伏板巖地層數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，如圖6所示。由圖6可知，二者在埋深相同時，起伏板巖地層與均質(zhì)地層地表沉降值大小和沉降槽寬度存在明顯區(qū)別。因此，本文對起伏板巖地層盾構施工引起的地表沉降預測進行研究。

圖6　起伏板巖地層與均質(zhì)地層數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.6 Comparison of results of slate-based fluctuated strata

3.1.2地表沉降曲線擬合

4區(qū)間均是左線先行施工，本文選取左線施工對應的單線隧道地表沉降，盾構掘進參數(shù)為：總推力為8 000~10 000 kN，扭矩為2 000~2 600 kN·m，土倉壓力為80~120 kPa，掘進速度為30~50 mm/min，注漿壓力為0.2~0.3 MPa，注漿量約為7 m3。對實測數(shù)據(jù)進行擬合分析，發(fā)現(xiàn)其與Peck公式擬合效果很好，測定系數(shù)R2大于0.80的約占83%，圖7給出R2大于90%的部分回歸結(jié)果。

(a) DB-#1；(b) DB-#2；(c) DB-#3；(d) DB-#4圖7　實測沉降數(shù)據(jù)擬合Fig.7 Curve fitting of measured surface settlements

通過對式(1)進行變換，求解得到了沉降槽寬度i(圖8)，通過式(2)求解地層損失率Vl(圖9)。

圖8　沉降槽寬度系數(shù)散點圖Fig.8 Scatterplot of widths coefficient of settlement tank

圖9　地層損失率散點圖Fig.9 Scatterplot of ground loss ratio

由圖8和圖9可知，起伏板巖地層地表沉降槽寬度系數(shù)合理范圍可取為0.4~0.6，地層損失率取值范圍可取為0.6%~1.2%。

3.2有建筑物時起伏板巖地表沉降預測

3.2.1有建筑物時起伏板巖地層地表沉降特征

采用FLAC3D軟件模擬起伏板巖地層地表有建筑物時地表沉降變化規(guī)律，為了便于比較，在前述無地表建筑物的計算模型地表中加入1棟6層建筑模型，模型如圖10所示，地層參數(shù)與表1一致。

圖10　盾構穿越即有建筑物計算模型Fig.10 Computational model of shield crossing building

圖11為盾構穿越建筑物時地表沉降曲線與無建筑物時的對比，從圖中可以看出，在相同地層條件下，有建筑物時地表沉降槽較寬，最大沉降值較小，這是由于建筑物結(jié)構剛度對地層位移的約束作用。

圖11　有建筑物時地表沉降與無建筑物時地表沉降對比Fig.11 Comparison of results of surface with and without building

因此，無建筑物時地表沉降預測方法不能反映有建筑物的情況，有必要對盾構隧道穿越既有建筑物沉降預測進行研究。

3.2.2有建筑物時起伏板巖地層地表沉降預測

盾構穿越建筑物時，由于建筑物與隧道之間的空間位置關系、建筑物基礎剛度等因素影響，導致地表沉降曲線與無建筑物時有所不同。文獻[8]中提出了有建筑物時地表沉降預測公式，稱之為“剛度修正法”，該方法參數(shù)較多，且參數(shù)取值影響因素較多。文獻[9]對“剛度修正法”做了簡化，僅存在一個參數(shù)，即建筑物剛度修正系數(shù)ηM：

(3)

式中:KM為結(jié)構剛度影響下的沉降槽寬度系數(shù)；K為無建筑物時地表沉降槽寬度系數(shù)。該文中對ηM做了計算，離散性較大。實際工程中，有建筑物時對于變形控制較無建筑物嚴格，若采用無建筑物地表沉降預測方法則較為保守，但從風險控制角度來講，采用無建筑物地表沉降預測方法等同于在一定程度上放大了建筑物的沉降，有利于施工過程中建筑物沉降控制。因此，本文認為，為了便于工程應用，有建筑物時可以保守采用無建筑時地表沉降預測方法。采用保守方法預測后，針對重點保護建筑物，為了有效的控制盾構掘進過程中的建筑物變形，還需要選取合理的掘進參數(shù)，采取相應的控制措施，進行必要的監(jiān)控量測。

4結(jié)論

1)通過對比無建筑物時均質(zhì)地層與起伏板巖地層地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出二者沉降值和沉降槽存在明顯區(qū)別；對實測數(shù)據(jù)進行擬合分析，發(fā)現(xiàn)實測沉降與Peck公式吻合較好，說明Peck公式在長沙地鐵板起伏板巖地層是適用的。

2)通過望-梅區(qū)間和文-梅區(qū)間部分實測數(shù)據(jù)計算分析，給出了起伏板巖地層盾構施工無建筑物地表沉降預測沉降槽寬度系數(shù)取值范圍為0.4~0.6，地層損失率取值范圍為0.6%~1.2%。

3)通過數(shù)值模擬對比分析，起伏板巖地層盾構施工地表有建筑物時，由于建筑物剛度影響地表沉降與無建筑物時不同。為了控制施工風險和便于工程應用，有建筑物時盾構施工地表沉降預測可保守采用無建筑物時地表沉降預測公式進行沉降預測。

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(編輯蔣學東)

A study on predicting the surface settlement caused by shield tunneling in slate-basedfluctuated strata in ChangshaCHAO Feng1,2, WANG Mingnian1,2, LIU Dagang1,2, HUO Jianxun1,2

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：Prediction method of surface settlements of slate-based fluctuated strata in west of Xiangjiang river area is studied to guide the construction and ensure safety. This research program based on project of first phase of west extension line of Changsha metro line 2, and the settlement prediction work is in the conditions of with and without buildings. The following 3 research conclusions are obtained: Settlement curve is in good agreement with Peck curve by fitting analysis, and Peck formula is testified applicable in this area. Through calculation and analysis of surface without building, the results show value of widths coefficient of settlement tank ranges from 0.4 to 0.6, value of ground loss ratio ranges from 0.6% to 1.2%. Prediction method of surface settlements with buildings is discussed from in terms of tunneling risk control and engineering applications. Prediction method of surface without buildings is recommended. It can provide a reference for the follow-up constructions in this area.

Key words：slate-based fluctuated strata; tunneling construction; prediction of surface settlements; building

中圖分類號：U451

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)01-0125-06

通訊作者：劉大剛(1979-)，男，遼寧黑山人，副教授，博士，從事地下工程的教學與科研工作；E-mail:82384975@qq.com

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(SWJTU11ZT33)；國家自然科學基金資助項目(51108384)

收稿日期：*2015-05-21