单曲线隧道地表不均匀沉降计算方法

冯 浩

(中铁上海工程局集团有限公司，上海 200436)

0 引言

近年来地铁曲线型隧道在实际工程中得到越来越多的应用。观察发现，盾构机在隧道曲线段施工时产生的地表不均匀沉降，与Peck[1]公式所预测的沉降槽分布形态存在很大的区别，而不均匀沉降会对建筑物造成更大的危害。由于曲线段盾构施工时对周围土体的扰动程度要多于直线段盾构施工，对曲线段地表沉降的预测存在更多的不确定性。因此，深入研究盾构隧道曲线段施工过程中引起的地表沉降规律及预测方法显得尤为重要。本文以某地铁区间盾构施工项目为背景，在隧道施工线路上多个曲线段分别设置了地表沉降观测面。通过沉降实测数据拟合计算回归方式验证了假设沉降公式的适用性。

1 工程概况

该项目地铁区间隧道线路总长2 716 m。采用土压平衡盾构施工，平均覆土厚度约为13 m。隧道管片内径为5.8 m，管片厚度为275 mm，管片长度为1.4 m。刀盘直径6 670 mm，盾构外径6 630 mm、内径6 490 mm。盾构机平均掘进速度为8环/d。根据地质钻孔资料显示，该施工段隧道主要处于风化的肯尼山残积土层之中。隧道掘进范围存在高度风化的石英岩、千枚岩、泥岩等岩体，岩石等级基本为四级，岩层节理裂隙发育，岩体强度大部分在30 MPa以内。

2 观测面及施工参数

2.1 观测面

该隧道区间施工段含多处曲线。为监测隧道施工引起的地表沉降，沿隧道纵向布置了多个沉降观测面及沉降观测点。为研究隧道施工引起的地表沉降，本文选取四个位于不同半径曲线段的观测面作为研究对象。观测面里程及相应的曲线半径分别为CH 1+448(R=500 m),CH 1+518(R=400 m),CH 1+960(R=700 m)和 CH 2+400(R=300 m)。沉降观测点分别布置在各沉降观测面上，并在各观测面上各自建立相应的直角坐标系记录沉降值。

2.2 土仓压力值

盾构机通过CH 1+448(R=500 m)时，土仓压力平均值为1.2 bar；通过CH 1+518(R=400 m)时，土仓压力由1.0 bar提高到1.4 bar，平均为1.09 bar；通过观测面CH 1+1 960(R=700 m)和CH 2+400(R=300 m)时，平均土仓压力分别为1.55 bar和1.78 bar。

3 地表沉降

3.1 隧道曲线段盾构施工引起的地表沉降规律

盾构机到达观测面后，沉降观测点的地表沉降值以观测面CH 1+448(R=500 m)如图1所示。应用Gaussamp函数对各观测面实测沉降数据进行了拟合计算，拟合度分别为-0.71，-0.84，0.28及0.78，说明拟合曲线与实测数据的偏离度很大。这一结果说明应用Peck公式不能良好的估算该项目曲线段的地表沉降，也进一步说明了曲线段地表沉降存在不均匀沉降。

3.2 计算公式推理假设

隧道盾构施工过程地表沉降的形成主要是由于地层损失造成，而地表沉降的不对称现象主要是由于隧道轴线两边地层损失的不对称而造成的。地表沉降的计算公式是以正态分布函数为框架构成的。因此，我们可以推想，曲线段地表沉降估算公式可以隧道轴线为中线，在两侧分别建立半区间的正态分布函数框架，构成整个沉降槽的计算公式。由沉降槽曲线连续性特征可以得知在沉降最大值处必定是连续的。所以式(1)可表达如下：

(1)

其中，Sx为距隧道中心线横向距离x处的地表沉降，m；ii，io分别为隧道中心轴沿曲线内、外两侧沉降槽宽度系数，分别取为隧道中心轴内、外两侧地表沉降曲线反弯点与原点的距离；Vi，Vo分别为盾构隧道中轴线沿曲线内、外两侧单位长度地层损失量，m/m；yoi，yoo分别为曲线内、外侧可能的负地层损失。

3.3 计算公式验证

应用式(1)对盾构机到达各观测面时的地表沉降数据再次进行拟合,仍然以观测面CH 1+448(R=500 m)为例，见图2。通过对盾构机到达各观测面的沉降数据进行拟合计算，拟合曲线与实际工程数据的拟合度非常理想，拟合度分别为0.99，0.96，0.97和0.99，基本都接近1。这个结果表明采用式(1)对隧道曲线段的地表沉降进行计算时，结果与工程实测数据吻合，证明公式适用。

4 结语

为研究曲线隧道盾构施工引起的地表沉降规律及计算方法，本文通过工程的实测数据分析推理及数值计算得出如下结论：1)曲线隧道盾构施工地表沉降存在不均匀沉降，曲线内侧的沉降量往往大于外侧。应用Peck公式Gauss函数计算曲线段沉降已经不再适用；2)隧道曲线段盾构施工地表沉降可用分段函数表示，以隧道轴线处为中线，沉降槽左、右半区间曲线可以分别用不同系数的高斯函数表示。

参考文献:

[1] Peck,RB.Deep excavations and tunneling in soft ground. In Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Mexico City, 1969,pp. 225-290.

[2] 魏 纲，王 霄.基于统一解的近距离双线平行盾构地面沉降计算[J].现代盾构技术,2017,54(2):87-95.

[3] 韩昌瑞，贺光宗，王贵宾.双线并行隧道施工影响地表沉降的因素分析[J].岩土力学，2011,32(S2)：484-487.

[4] 魏 纲，庞思远.双线平行盾构隧道施工引起的三维土体变形研究[J].岩土力学,2014,35(9):2562-2568.

[5] 陈春来，赵城丽，魏 纲，等.基于Peck公式的双线盾构引起的土体沉降预测[J].岩土力学,2014(358):2212-2218.