由地鐵隧道工程引起地表橫向沉降的預測分析

1、由地鐵隧道工程引起地表橫向沉降的預測分析摘要：應用Pek法、Lgan-Pulus法、隨機介質理論等方法對由地鐵隧道工程引起的地表橫向沉降進展預測,并對上述方法的本質加以研究。用STS沉降預測系統(tǒng)對實測數(shù)據(jù)進展分析和計算,并通過實測曲線和預測曲線的比對分析,驗證上述方法的預測準確性。關鍵詞：地鐵隧道;地表橫向沉降;Pek法;Lgan-Pulus法;隨機介質理論;沉降預測進入21世紀,我國城市開展的現(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缺乏。為解決這一問題,我國加快開展了地下空間工程的建立。但任何地下工程的開挖勢必會對周圍土體產生擾動,使其失去原有的平衡狀態(tài),而向

2、新的平衡狀態(tài)轉化。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)筑物認為受施工影響的程度可忽略不計,而局部或全部位于影響區(qū)域的建(構)筑物那么要進展影響程度的判斷,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,由于受施工技術及周圍環(huán)境和巖土介質的復雜性制約,即使采用較為先進的盾構法和新奧法,其施工引起的地表沉降也是不可防止的。當?shù)乇沓两党^一定的限度時就會嚴重危及地表建(構)筑物的正常使用和地下管線的平安,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展了研究。1計算方法預測地鐵隧道

3、工程引起地表橫向沉降的方法有經(jīng)歷公式法、隨機介質理論法等。1.1Pek法工程師Pek曾提出過一個地鐵開挖地面沉降預計公式以Pek公式為根底的經(jīng)歷公式法是基于“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。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間隔 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;Sax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間隔 ;Z為隧道中心埋深;K

4、為沉降槽寬度系數(shù);為地層內摩擦角,對于成土取加權平均值。有了以上的數(shù)據(jù)和經(jīng)歷關系,只要土損失,沉降槽的形狀和大小也就完全確定了。1.2Lgan-Pulus法1998年Lgannathan和Pulus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:0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為離隧道中心線的間隔 。1.3隨機介質理論波蘭學者李特威尼申首先提出了隨機介質理論。在我國以劉寶琛院士為代表對隨機介質理論方法進展了系統(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,隨機介質理論和方法開場被應用于

5、地鐵工程,初步解決了地鐵各種開挖方法(NAT、TB、盾構、凍結)、地面各點位移(垂直及程度)和變形(傾斜、曲率、程度應變)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,具有許多介質無法相比的不確定性;在地鐵隧道施工中,土體工程性質的隨機性包括土體所受荷載的不確定性以及土體反響的隨機性。根據(jù)隨機介質理論,將巖土體視為隨機介質,把地層挪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挪動。隧道開挖對地表影響可等效為構成這一開挖的無限多個微元開挖的影響總和。1.3.1根本理論在開挖程度平面以上的任意程度面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

6、開挖ddd;由單元開挖引起的沉降槽定義為單元沉降槽,用e(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ddd,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挪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挪動,不允許完全塌落。如圖2所示,隧道開挖初始斷面為,建成后開挖斷面由收縮為。根據(jù)疊加原理,實際地表下沉值等于開挖范圍引起的下沉與開挖范圍引起的下沉之差:轉貼于論文聯(lián)盟.ll.2理論分析Pek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

7、測地面沉降的量值和分布情況起著至關重要的作用。Lgan-Pulus法主要是確定土層損失率。隨機介質法計算橫向沉降需要確定H、tan、A和隧道橫斷面幾何尺寸,在設計完成后H和隧道橫斷面幾何尺寸是確定的,因此tan、A成為影響計算結果的關鍵。tan和Pek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,A和Pek法的VS及Lgan-Pulus法的0均為隧道施工條件的綜合反映。這幾種方法的關鍵都是確定土損失,因此它們的求解本質都是一樣的。3工程實例3.1工程概況某段地鐵隧道工程,該段地層由淤泥質土、粉質粘土、粘土、風化巖等構成,采用雙隧道設計,新奧法施工,隧道頂面上覆土層厚度9.3,左右兩隧道中

8、心線間隔 15(見圖3)。本工程先開挖左側隧道,待左段施工完畢后再進展右段隧道施工,該地段地質條件較差(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,進展了沉降觀測。在斷面橫向每5設置一個觀測點,在沉降較大區(qū)間觀測點進展了加密;共設置觀測點30個,實測數(shù)據(jù)見(見圖4)。在左側隧道施工完畢后地表最大沉降到達25.12,位于-7.5處,橫向影響范圍距中心線3540;右側隧道施工完畢后,最大沉降量31.02,位于-6.2處。兩隧道中間沉降較大,右側沉降最大27.22。分析預測,橫向地表沉降主要降影響范圍在距坐標0點45內。3.3橫向地表沉降反分析及預測將上述實

9、測點位置和測點沉降值輸入STS系統(tǒng)中,經(jīng)過調整計算,得到Pek法預測斷面橫向地表沉降曲線圖(見圖5),Lgan-Pulus法預測斷面橫向地表沉降曲線圖(見圖6),隨機介質理論法預測斷面橫向地表沉降曲線圖(見圖7)。由計算結果可以得到如下結論:這3種預測方法的計算結果普遍小于實測沉降值。導致Pek法和Lgan-Pulus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聯(lián)絡不夠親密,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。而影響隨機介質理論法相對不準確的原因是計算參數(shù)與巖土工程地質條件之間的關系不明確;從整體分析看,3種方法的預測精度根本可以滿足指導工程理論的要求,經(jīng)過對曲線圖比擬分析發(fā)現(xiàn)隨機介質理論法的預測比擬接近實際沉降,預測精度比前兩種方法高。參考文獻1PekRB.Deepexavatinandtunnelinginsftgrund.NeYrk:PublishedbyASE,1984:82-84.2LgannathanN,PulsH