進入21世紀,我國城市發(fā)展的現(xiàn)代化步伐不斷加快,城市規(guī)模也在急劇擴大,可供利用的地面城市交通面積越顯不足。為解決這一問題,我國加快發(fā)展了地下空間工程的建設(shè)。但任何地下工程的開挖勢必會對周圍土體產(chǎn)生擾動,使其失去原有的平衡狀態(tài),而向新的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化。在這個過程中地層必然會發(fā)生不同程度的位移和沉降。該沉降按影響范圍可以分為影響區(qū)和非影響區(qū)。對非影響區(qū)域的建(構(gòu))筑物認為受施工影響的程度可忽略不計,而部分或全部位于影響區(qū)域的建(構(gòu))筑物則要進行影響程度的判斷,對受影響程度大者需要采取相應的處理措施。地鐵隧道在開挖施工中,由于受施工技術(shù)及周圍環(huán)境和巖土介質(zhì)的復雜性制約,即使采用較為先進的盾構(gòu)法和新奧法,其施工引起的地表沉降也是不可避免的。當?shù)乇沓两党�過一定的限度時就會嚴重危及地表建(構(gòu))筑物的正常使用和地下管線的安全,因此必須對地表沉降加以控制和預測。筆者通過地表橫向沉降的預測分析對這一問題進行了研究。

 

1計算方法

 

預測地鐵隧道工程引起地表橫向沉降的方法有經(jīng)驗公式法、隨機介質(zhì)理論法等。

 

1.1Peck法

 

工程師Pcek曾提出過一個地鐵開挖地面沉降預計公式以Peck公式為基礎(chǔ)的經(jīng)驗公式法是基于“地層損失”提出的,假定基底壓力按45°向下擴散,影響范圍邊線定在隧道擾動區(qū)外,并認為隧道擾動區(qū)為2R(R隧道半徑)[1-3]。

 

①最初斷面開挖時的土損失在不排水(即體積不變)的條件下發(fā)生,因此沉降槽的體積非常接近隧道中的土損失(見圖1)。式中:S(x)為橫斷面上與隧道軸線距離為x地面點的沉降量;VS為由于隧道開挖引起的地層損失量;Smax為距隧道中心線地面沉降量最大值;i為沉降槽半寬度系數(shù),取為地表沉降曲線反彎點與中心線的距離;Z為隧道中心埋深;K為沉降槽寬度系數(shù);φ為地層內(nèi)摩擦角,對于成土取加權(quán)平均值。

 

⑤有了以上的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗關(guān)系,只要土損失已知,沉降槽的形狀和大小也就完全確定了。

 

1.2Logan-Poulous法

 

1998年Logannathan和Poulous提出了預測地表沉降和地層沉降的解析解,地表沉降的計算公式為[2]:式中:ε0為土層損失率;v為泊松比;R為隧道半徑;Z0為隧道埋深;Z為離地表的深度;X為離隧道中心線的距離。

 

1.3隨機介質(zhì)理論

 

波蘭學者李特威尼申首先提出了隨機介質(zhì)理論。在我國以劉寶琛院士為代表對隨機介質(zhì)理論方法進行了系統(tǒng)研究和完善,該方法一直被應用在礦山工程中,研究開采礦石對地面的影響。20世紀90年代以來,隨機介質(zhì)理論和方法開始被應用于地鐵工程,初步解決了地鐵各種開挖方法(NATM、TBM、盾構(gòu)、凍結(jié))、地面各點位移(垂直及水平)和變形(傾斜、曲率、水平應變)的計算方法,并獲得了全套計算公式。土體作為一種復雜的非線性介質(zhì),具有許多介質(zhì)無法相比的不確定性;在地鐵隧道施工中,土體工程性質(zhì)的隨機性包括土體所受荷載的不確定性以及土體反應的隨機性。根據(jù)隨機介質(zhì)理論,將巖土體視為隨機介質(zhì),把地層移動過程看作是一種服從統(tǒng)計規(guī)律的隨機過程,即可用概率積分法研究地表移動。隧道開挖對地表影響可等效為構(gòu)成這一開挖的無限多個微元開挖的影響總和。

 

1.3.1基本理論

 

在開挖水平平面以上的任意水平面Z(ZH)上,把厚度、長度和寬度均為無限小單元的開挖定義為單元開挖dξdξdξη;由單元開挖引起的沉降槽定義為單元沉降槽,用We(X,Y,Z)表示單元開挖引起的下沉。最終沉槽體積等于地層損失體積dξdξdη,即開挖單元體積;引入主要影響半徑R(Z)和主要影響范圍角β的概念,可得到單元開挖引起地表沉降槽最終分布表達式為[2-3]:由于隧道周圍巖土體向開挖空間移動導致斷面收縮而引起地表沉降,地鐵隧道施工中,需要采用一定的支護措施嚴格控制地層移動,不允許完全塌落。如圖2所示,隧道開挖初始斷面為Ω,建成后開挖斷面由Ω收縮為ω。根據(jù)疊加原理,實際地表下沉值等于開挖范圍Ω引起的下沉與開挖范圍ω引起的下沉之差:2理論分析

 

Peck公式有VS和i2個參數(shù),合理確定這2個參數(shù)對于正確預測地面沉降的量值和分布情況起著至關(guān)重要的作用。Logan-Poulous法主要是確定土層損失率。隨機介質(zhì)法計算橫向沉降需要確定H、tanβ、ΔA和隧道橫斷面幾何尺寸,在設(shè)計完成后H和隧道橫斷面幾何尺寸是確定的,因而tanβ、ΔA成為影響計算結(jié)果的關(guān)鍵。tanβ和Peck法的沉降槽寬度系數(shù)i都取決于開挖地段所處的地層條件,ΔA和Peck法的VS及Logan-Poulous法的ε0均為隧道施工條件的綜合反映。這幾種方法的關(guān)鍵都是確定土損失,因此它們的求解實質(zhì)都是相同的。

 

3工程實例

 

3.1工程概況

 

某段地鐵隧道工程,該段地層由淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、粘土、風化巖等構(gòu)成,采用雙隧道設(shè)計,新奧法施工,隧道頂面上覆土層厚度9.3m,左右兩隧道中心線距離15m(見圖3)。本工程先開挖左側(cè)隧道,待左段施工完畢后再進行右段隧道施工,該地段地質(zhì)條件較差(見表1),斷面開挖引起較大沉降。

 

3.2橫向地表實測沉降

 

本工程在施工過程中和施工過程后,進行了沉降觀測。在斷面橫向每5m設(shè)置一個觀測點,在沉降較大區(qū)間觀測點進行了加密;共設(shè)置觀測點30個,實測數(shù)據(jù)見(見圖4)。在左側(cè)隧道施工完畢后地表最大沉降達到25.12mm,位于-7.5m處,橫向影響范圍距中心線35~40m;右側(cè)隧道施工完畢后,最大沉降量31.02mm,位于-6.2m處。兩隧道中間沉降較大,右側(cè)沉降最大27.22mm。分析預測,橫向地表沉降主要降影響范圍在距坐標0點45m內(nèi)。

 

3.3橫向地表沉降反分析及預測

 

將上述實測點位置和測點沉降值輸入STS系統(tǒng)中,經(jīng)過調(diào)整計算,得到Peck法預測斷面橫向地表沉降曲線圖(見圖5),Logan-Poulous法預測斷面橫向地表沉降曲線圖(見圖6),隨機介質(zhì)理論法預測斷面橫向地表沉降曲線圖(見圖7)。由計算結(jié)果可以得到如下結(jié)論:①這3種預測方法的計算結(jié)果普遍小于實測沉降值。導致Peck法和Logan-Poulous法預測沉降值較小的主要原因是,這2種方法與巖土體性質(zhì)聯(lián)系不夠密切,影響土層損失率的因素考慮不夠全面,沒有分析地下水降水的影響。而影響隨機介質(zhì)理論法相對不準確的原因是計算參數(shù)與巖土工程地質(zhì)條件之間的關(guān)系不明確;②從整體分析看,3種方法的預測精度基本可以滿足指導工程實踐的要求,經(jīng)過對曲線圖比較分析發(fā)現(xiàn)隨機介質(zhì)理論法的預測比較接近實際沉降,預測精度比前兩種方法高。

 

參考文獻

 

[1]PeckRB.Deepexcavationandtunnelinginsoftground[M].NewYork:PublishedbyASCE,1984:82-84.

 

[2]LogannathanN,PoulosHG.Centrifugemodeltestingoftunneling-inducedgroundandpileeformations[J].Geotechnique,2000,50(3):22-24.

 

[3]劉寶琛,林德璋.淺部隧道開挖引起的地表移動和變形[J].地下空間,1983,3(7):2-3,5-7.