隧道施工引起地表沉降槽宽度预测方法研究

(南通理工学院 建筑工程学院 江苏 南通 226002）

隧道施工引起地表沉降槽宽度预测方法研究

吴铭辉 严桂凤

(南通理工学院 建筑工程学院 江苏 南通 226002）

在隧道施工引起上覆土体变形的预测中，地表沉降槽宽度系数的计算是其中的一个重要问题，它将确定地表变形的影响范围。本文依据大量工程实测数据，反分析得到了地表沉降槽宽度系数i更准确的计算计算方法，以及推导了地表最大沉降与拱顶沉降之比随深度变化的关系式，通过案例反分析求得到了关系式中的计算参数，为采用土体变形扩散传播模型预测隧道施工引起上覆土体的变形规律提供了支持。

隧道施工；土体变形；地表沉降槽；拱顶沉降

在城市中进行隧道施工会引起地表沉降，为了减少隧道施工对地表和周围环境造成的不良影响，必须对其沉降进行正确预测，有效掌握隧道上覆土体的变形规律[1]。

自18世纪后半叶起，西方国家相继进行了大量地铁隧道的建设。我国的很多城市的地铁也在建设当中。国内外学者对于隧道施工引起的土体变形问题进行了许多研究，积累了丰富的实测资料。统计分析法是目前工程界中广泛应用的变形分析法，它以实测数据为基础，基于所测得的影响因素和变形值，用回归分析的方法建立两者之间的函数关系，这种经验的函数关系不仅能够预测变形，还可以对变形进行一定的物理解释[2]。实测资料的数量愈丰富，其所得的结果就愈可靠。

本文依据工程实测数据，反分析地表沉降槽宽度系数i的计算公式中的计算参数，从而有助于求取土体变形扩散传播模型的参数，为预测隧道施工引起的上覆土体变形提供支持。

在隧道施工引起上覆土体变形的预测中，地表沉降槽宽度系数的计算是其中的一个重要问题，它将确定地表变形的影响范围。对地表沉降槽宽度系数的合理计算，不仅能够预防和控制隧道施工对道路和建筑物等变形的不利影响，还能在其数值基础上反分析土体变形扩散传播模型中的计算参数，进一步计算隧道上覆土体的变形分布。

地表沉降预测方法的不同决定了沉降槽宽度系数定义的不同，目前具有代表性的方法有两类，即Peck公式法和随机介质理论法。由于两类计算方法从根本上有着明确的对应关系，因此本文选取Peck公式中的宽度系数i进行分析和讨论。

在Peck公式中，定义沉降槽的宽度系数i为由沉降槽中心至曲线反弯点处的水平距离。从上世纪中叶以来，很多学者对沉降槽宽度i的变化规律做了大量的研究工作，提出了许多种不同的计算公式[3]。在Tan和Ranjith研究工作的基础上，本文总结了一般土体条件下地表沉降槽宽度系数的两类计算方法。

第一类公式表示i的相对宽度与隧道的相对埋深之间呈幂函数关系，第二类公式表示i与隧道的绝对埋深呈线性关系。同时，可以看出i显然与隧道埋深z0之间有明确的正相关关系，即随着埋深的增大，i也增大，这与工程实践经验相一致。

地表沉降槽宽度系数计算公式大多为当时学者基于已有工程案例的实测数据总结得出。由于当时学者掌握的工程案例数量有限，研究所得的计算参数不能适用于更为普遍的工程案例，本文拟在更多工程案例数据的基础上，拟合反分析地表沉降槽宽度系数的计算参数值。

（1）第一类计算方法的案例反分析

（2）第二类计算方法的案例反分析

沉降槽宽度系数第二类计算方法的通用公式形如：

根据国外隧道工程资料和变形数据，得到地表沉降槽宽度系数与隧道埋深的关系图，如图2所示。

线性拟合得到第二类通式下的地表沉降槽宽度系数计算公式：

上述案例反分析结果表明，地表沉降槽宽度系数的两类计算通式在工程案例中具有一定的适用性。通过大量案例实测数据的反分析重新求得了宽度系数i的计算参数，代入通式后得到地表沉降槽宽度系数的计算公式(1)和(3)。

针对两类计算通式，结合本文得出的计算公式和前人总结的公式，分别求取i/R和i的相关系数R2。对比表明，两类计算通式下，本文计算公式的相关系数最大，相对于前人的计算公式，其计算结果更为准确，更适合于用来预测地表沉降槽的宽度系数。

依据上述地表沉降槽宽度系数的计算公式，利用实际工程中隧道开挖半径和隧道埋深等数据，能够预测地表沉降槽宽度系数，为进一步计算隧道上覆土体变形提供支持。

图1 地表沉降槽相对宽度系数与隧道相对埋深的关系图

图2 地表沉降槽宽度系数与隧道埋深的关系图

依据工程实测数据，反分析得到了地表沉降槽宽度系数i更准确的计算参数，得到了宽度系数i更准确的计算公式，以便在工程中计算地表沉降槽的宽度系数。推导了地表最大沉降与拱顶沉降之比随深度变化的关系式，通过案例反分析求得到了关系式中的计算参数。得到了地表沉降槽宽度系数和地表最大沉降及隧道拱顶沉降的计算公式，为采用土体变形扩散传播模型预测隧道施工引起上覆土体的变形规律提供支持。

[1]尹德潜等. 城市地下工程开挖地表移动与变形的随机介质模型及监测[J].矿冶工程, 2004, 24(6): 13-17.

[2]王铁生，张利平，华锡生. 地铁隧道施工变形预测研究综述[J]. 水利水电科技进展，2003，23(5): 62-65.

[3]韩煊，李宁. 隧道施工引起地层位移预测模型的对比分析与思考[J]. 岩石力学与工程学报，2007, 26(3): 594-600.

U45

B

1007-6344（2017）06-0028-01

校级科研基金（2015021）

吴铭辉(1988-)，男，江苏东台人，硕士研究生，主要研究方向为环境岩土工程