合肥地区粘性土地基沉降分析

朱正兴,雷庆关,杨本水

(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601)

地铁项目的建设周期长,地质条件和周围环境会影响施工质量。地面沉降过大会使地表建构筑物处于风险之中[1]。目前,预测地面沉降的方法有很多,既有Peck公式预测、三点法、分层总和法等传统方法,又有BP神经网络预测法新型预测方法[2]。由于Peck公式、三点法适用范围广,本文对比分析在特殊地层情况下两种方法的差异性,并结合合肥肥东地区2号线的监测数据通过计算对比得到该地区地基沉降情况。

1 工程概述

根据《合肥市城市轨道交通第三期建设规划(2020～2025年)》,到2030年,合肥市地铁到的线网总长度为436.4 km,包括9条线路和1条机场专用线路;远景铁路网络包括15条铁路和1条机场专用线路,总长度578.9 km,其中,2号线东延线、3号线南延线、4号线南延线、6号线一期、7号线一期、8号线一期属于新建线路,共计109.96 km。文中数据来自肥东地区2号线东延段施工的监测数据,监测时每隔50 m取1个监测断面,采用直径为6.26 m的土压平衡盾构施工。

2 粘性土地基处理施工监测

2.1 监测目的

为了确保粘性土施工工程质量,对地基进行沉降监测,可实现如下目标：①对路基地基的施工动态进行监测,并依据实测资料指导施工单位调整填筑速度,确保工程正常进行;根据监测资料,对粘性地基的稳定性进行判定,确保工程的安全与稳定;②利用实测的沉降数据,计算粘性土的固结程度和预压卸荷时间,判断粘质地基的治理效果;③对粘性地基的沉降趋势进行预报,并计算其基坑沉降;④依据现场监测资料,对地基处理方法、施工工艺对施工质量的影响进行评估;检验设计原理,制定施工质量控制规范,并对设计和施工进行指导。

2.2 监测内容

监测的内容有路基沉降观测、桩点监测、管线沉降监测、拱底隆沉监测。各监测工程的工程数量、监测点布置和监测频次都按照设计图纸和技术要求进行。

3 实测数据预测推算粘性土地基沉降结果

由于实际工程中粘性土地基的理论沉降与实测沉降存在较大差异,因此必须根据后期沉降情况,对其固结度和施工后沉降进行估算,对比研究估算结果,以指导后期施工及卸载。

3.1 沉降监测数据

选取盾构机穿越带河桥梁的前、中、后3处断面(在2号线东延线桥头集路站——撮镇路站),桩号分别是DBC50-M、DBC54-M、DBC58-M。3个监测点的沉降示意图如图1所示,累积沉降量见表1。

表1 累计沉降量 mm

(a) DBC50-M

(c) DBC58-M

3.2 沉降预测推算

利用三点法和 Peck公式法对实测资料进行分析和统计,计算粘性土层的最终沉降和固结程度。

1)三点法

由三点法理论做假设,利用最小二乘法对监测数据进行指数拟合。三点法计算结果见表2。

表2 三点法计算结果

由表2可知,3个监测点的理论沉降均略大于实际沉降,说明三点法预测沉降的可行性比较高。

2)Peck公式法

Peck在1969年提出,假定在施工时不排水条件下地层中的含水量没有流失,地铁工程造成的地面沉降应与地面沉降槽的容积相符合,并且假设隧道所在的地层为均匀的连续介质,则在隧道施工中产生的地面沉降曲线,可以近似为正态分布[3]。地表沉降预测公式为：

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中,S为地表任一点x处的沉降量;Smax为地表最大沉降量,在沉降曲线的对称中心处(在轴线位置,即x=0处);x为计算点到轴线位置的距离;i为从沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离,一般称为“沉降槽宽度”;vi为单位长度地层损失(v1为地层损失率);R为隧道半径,2R等效为盾构机直径。沉降槽示意图如图2所示。

图2 沉降槽示意图

Peck公式表明,地面沉降量和最大沉降量是由参量和决定的。每段长度的地层损失和凹槽宽度都与隧道埋深、围岩地质、隧道直径等因素有关,不能进行理论上的计算。根据大量的地面沉陷资料,结合相关的工程资料,得到新的沉降槽宽度公式 ：

(4)

式(4)中,z为隧道深度;θ为反弯角度。

肥东地区反弯角度很难测出,可以用修正公式：

i=kz

(5)

由式(1)～(3)和式(5)可得：

(6)

土压平衡盾构隧道实测数据反分析结果见表3。由表3可知,不同区域隧道施工造成的地层损失,通过反分析计算沉降槽宽度系数的区间和平均值,为今后在各个区域的工程设计和预报工作提供依据。

表3 土压平衡盾构隧道实测数据反分析结果

将式(1)改写成：

(7)

两边取对数：

(8)

Peck法计算结果见表4。由表4可知,DBC50-M、DBC54-M、DBC58-M 3个监测点的理论最终沉降小于实际沉降量,符合世界大部分地区往期实验结论。其原因是沉降槽的宽度系数(K)取值由于地质的不同而存在差异性,且粘性土具有塑性变形的特性,不够稳定。文中选取的穿越带有河流的桥梁区间断面,地层含水量比普通地层高,Peck法对此类地层环境预测计算到的值偏小。3处断面计算得到的固结度均为100%。

表4 Peck法计算结果

4 结论

Peck法预测出的最终沉降值小于三点法拟合出的值,Peck法得出的固结度为100%,大于三点法。Peck法计算的最终沉降量要比实测值小。采用预测推算法计算最后沉降时,三点法与实测值最相近,Peck法计算得到的沉降值与实测值相近,但比实际值要小。地质条件是复杂多变的,且Peck法是在假定施工不排水的情况下提出的,然而施工时,特别是文中选取的截面是穿桥过程中的数据,必然会造成大量排水,后续沉降预测还有待研究。