(南通理工學(xué)院 建筑工程學(xué)院 江蘇 南通 226002）

隧道施工引起地表沉降槽寬度預(yù)測方法研究

吳銘輝 嚴(yán)桂鳳

(南通理工學(xué)院 建筑工程學(xué)院 江蘇 南通 226002）

在隧道施工引起上覆土體變形的預(yù)測中，地表沉降槽寬度系數(shù)的計(jì)算是其中的一個(gè)重要問題，它將確定地表變形的影響范圍。本文依據(jù)大量工程實(shí)測數(shù)據(jù)，反分析得到了地表沉降槽寬度系數(shù)i更準(zhǔn)確的計(jì)算計(jì)算方法，以及推導(dǎo)了地表最大沉降與拱頂沉降之比隨深度變化的關(guān)系式，通過案例反分析求得到了關(guān)系式中的計(jì)算參數(shù)，為采用土體變形擴(kuò)散傳播模型預(yù)測隧道施工引起上覆土體的變形規(guī)律提供了支持。

隧道施工；土體變形；地表沉降槽；拱頂沉降

在城市中進(jìn)行隧道施工會引起地表沉降，為了減少隧道施工對地表和周圍環(huán)境造成的不良影響，必須對其沉降進(jìn)行正確預(yù)測，有效掌握隧道上覆土體的變形規(guī)律[1]。

自18世紀(jì)后半葉起，西方國家相繼進(jìn)行了大量地鐵隧道的建設(shè)。我國的很多城市的地鐵也在建設(shè)當(dāng)中。國內(nèi)外學(xué)者對于隧道施工引起的土體變形問題進(jìn)行了許多研究，積累了豐富的實(shí)測資料。統(tǒng)計(jì)分析法是目前工程界中廣泛應(yīng)用的變形分析法，它以實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于所測得的影響因素和變形值，用回歸分析的方法建立兩者之間的函數(shù)關(guān)系，這種經(jīng)驗(yàn)的函數(shù)關(guān)系不僅能夠預(yù)測變形，還可以對變形進(jìn)行一定的物理解釋[2]。實(shí)測資料的數(shù)量愈豐富，其所得的結(jié)果就愈可靠。

本文依據(jù)工程實(shí)測數(shù)據(jù)，反分析地表沉降槽寬度系數(shù)i的計(jì)算公式中的計(jì)算參數(shù)，從而有助于求取土體變形擴(kuò)散傳播模型的參數(shù)，為預(yù)測隧道施工引起的上覆土體變形提供支持。

在隧道施工引起上覆土體變形的預(yù)測中，地表沉降槽寬度系數(shù)的計(jì)算是其中的一個(gè)重要問題，它將確定地表變形的影響范圍。對地表沉降槽寬度系數(shù)的合理計(jì)算，不僅能夠預(yù)防和控制隧道施工對道路和建筑物等變形的不利影響，還能在其數(shù)值基礎(chǔ)上反分析土體變形擴(kuò)散傳播模型中的計(jì)算參數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算隧道上覆土體的變形分布。

地表沉降預(yù)測方法的不同決定了沉降槽寬度系數(shù)定義的不同，目前具有代表性的方法有兩類，即Peck公式法和隨機(jī)介質(zhì)理論法。由于兩類計(jì)算方法從根本上有著明確的對應(yīng)關(guān)系，因此本文選取Peck公式中的寬度系數(shù)i進(jìn)行分析和討論。

在Peck公式中，定義沉降槽的寬度系數(shù)i為由沉降槽中心至曲線反彎點(diǎn)處的水平距離。從上世紀(jì)中葉以來，很多學(xué)者對沉降槽寬度i的變化規(guī)律做了大量的研究工作，提出了許多種不同的計(jì)算公式[3]。在Tan和Ranjith研究工作的基礎(chǔ)上，本文總結(jié)了一般土體條件下地表沉降槽寬度系數(shù)的兩類計(jì)算方法。

第一類公式表示i的相對寬度與隧道的相對埋深之間呈冪函數(shù)關(guān)系，第二類公式表示i與隧道的絕對埋深呈線性關(guān)系。同時(shí)，可以看出i顯然與隧道埋深z0之間有明確的正相關(guān)關(guān)系，即隨著埋深的增大，i也增大，這與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相一致。

地表沉降槽寬度系數(shù)計(jì)算公式大多為當(dāng)時(shí)學(xué)者基于已有工程案例的實(shí)測數(shù)據(jù)總結(jié)得出。由于當(dāng)時(shí)學(xué)者掌握的工程案例數(shù)量有限，研究所得的計(jì)算參數(shù)不能適用于更為普遍的工程案例，本文擬在更多工程案例數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，擬合反分析地表沉降槽寬度系數(shù)的計(jì)算參數(shù)值。

（1）第一類計(jì)算方法的案例反分析

（2）第二類計(jì)算方法的案例反分析

沉降槽寬度系數(shù)第二類計(jì)算方法的通用公式形如：

根據(jù)國外隧道工程資料和變形數(shù)據(jù)，得到地表沉降槽寬度系數(shù)與隧道埋深的關(guān)系圖，如圖2所示。

線性擬合得到第二類通式下的地表沉降槽寬度系數(shù)計(jì)算公式：

上述案例反分析結(jié)果表明，地表沉降槽寬度系數(shù)的兩類計(jì)算通式在工程案例中具有一定的適用性。通過大量案例實(shí)測數(shù)據(jù)的反分析重新求得了寬度系數(shù)i的計(jì)算參數(shù)，代入通式后得到地表沉降槽寬度系數(shù)的計(jì)算公式(1)和(3)。

針對兩類計(jì)算通式，結(jié)合本文得出的計(jì)算公式和前人總結(jié)的公式，分別求取i/R和i的相關(guān)系數(shù)R2。對比表明，兩類計(jì)算通式下，本文計(jì)算公式的相關(guān)系數(shù)最大，相對于前人的計(jì)算公式，其計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，更適合于用來預(yù)測地表沉降槽的寬度系數(shù)。

依據(jù)上述地表沉降槽寬度系數(shù)的計(jì)算公式，利用實(shí)際工程中隧道開挖半徑和隧道埋深等數(shù)據(jù)，能夠預(yù)測地表沉降槽寬度系數(shù)，為進(jìn)一步計(jì)算隧道上覆土體變形提供支持。

圖1 地表沉降槽相對寬度系數(shù)與隧道相對埋深的關(guān)系圖

圖2 地表沉降槽寬度系數(shù)與隧道埋深的關(guān)系圖

依據(jù)工程實(shí)測數(shù)據(jù)，反分析得到了地表沉降槽寬度系數(shù)i更準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù)，得到了寬度系數(shù)i更準(zhǔn)確的計(jì)算公式，以便在工程中計(jì)算地表沉降槽的寬度系數(shù)。推導(dǎo)了地表最大沉降與拱頂沉降之比隨深度變化的關(guān)系式，通過案例反分析求得到了關(guān)系式中的計(jì)算參數(shù)。得到了地表沉降槽寬度系數(shù)和地表最大沉降及隧道拱頂沉降的計(jì)算公式，為采用土體變形擴(kuò)散傳播模型預(yù)測隧道施工引起上覆土體的變形規(guī)律提供支持。

[1]尹德潛等. 城市地下工程開挖地表移動(dòng)與變形的隨機(jī)介質(zhì)模型及監(jiān)測[J].礦冶工程, 2004, 24(6): 13-17.

[2]王鐵生，張利平，華錫生. 地鐵隧道施工變形預(yù)測研究綜述[J]. 水利水電科技進(jìn)展，2003，23(5): 62-65.

[3]韓煊，李寧. 隧道施工引起地層位移預(yù)測模型的對比分析與思考[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007, 26(3): 594-600.

U45

B

1007-6344（2017）06-0028-01

校級科研基金（2015021）

吳銘輝(1988-)，男，江蘇東臺人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境巖土工程