论文部分内容阅读
摘要：随着我国地铁建设的不断发展，在地下工程施工中人们越来越重视盾构掘进法开挖隧道引起的地表沉降对地面建筑物的影响,而这个问题的关键是要对地表沉降进行预估。本文论述了Peck横向沉降槽经验公式，并与相关工程相结合深入探讨了盾构掘进法施工隧道对地表沉降影响，并提出相关建议。
关键词： 盾构法施工、地表沉降、分析
中图分类号：TF351文献标识码： A 文章编号：
一、前言
现阶段，盾构法施工已成为国内城市地铁隧道施工中一种重要的施工方法。和其他施工方法一样，由盾构法施工导致的地表沉降及对周围环境产的影响是盾构法施工的一个重要问题。目前国内外专家学者对隧道施工引起地表沉降的预测方法主要有：经验公式法、模型试验法、数值分析法、理论预测法等。在实际工程中主要是以建立在实测数据基础上的经验公式法为主，但是这种方法大都局限于预测地表面处的位移，在指导施工中具有很大的局限性。而数值模拟法能动态反应盾构推进过程中土层中各点变形随时间的变化情况，而且可以对影响地表的许多因素进行直观的分析。
二、Peck横向沉降槽经验公式
沉降计算中最经典、常用的公式是Peck公式。Peck认为,不排水情况下隧道开挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积；地层损失在整个隧道长度上均匀分布,隧道施工产生的地表沉降横向分布近似为一正态分布曲线(如下图1)。横向地表沉降的预估公式以及最大沉降量的计算公式为：
式中:S(x)为距隧道中心轴线为x处的地面沉降,m； i 为地表沉降槽宽度,即曲率反弯点与中心的距离,m；Smax为隧道轴线上方地表最大沉降量,m；Vl为盾构隧道单位长度的地层损失量,m3/ m。
图 1地表横向沉降分布曲线
反弯点i处的沉降量S≈0.61Smax,最大曲率半径点的沉降量S≈0.22Smax。沉陷槽断面积A≈。
想要预测地面沉降量,必须先估计出地层损失量。在工程实践中,地层损失量与盾构种类、操作方法、地层条件、地面环境、施工管理等因素有关,一般难以正确估计。所以,常针对施工条件直接类比而定。
Peck公式即用误差函数曲线近似地表现隧道上方地面沉降槽曲线。由于此法简便,只需确定两个参数,从而被广泛应用与地铁工程计算中,然而其存在精度相对不高,无法进行细致分析。因此,国内外很多专家都针对具体情况部分修正了Peck公式。
三、地表沉降影响因素分析
下文中笔者将与郑州地铁一号线工程相结合进行阐述，针对郑州粉土地区地层土质的一般特征，并结合郑州地铁一号线地质勘查报告建立模型，体现的是郑州地铁盾构区间的一般性。但是郑州地区的地层又具有其复杂性，地铁施工各区间又具有其独特性，所以有必要对影响地表沉降量的因素进行分析。
1、地铁隧道轴线埋深的影响
为了反映郑州地铁一号线的实际情况并全面考虑隧道覆土深度对地表沉降的影响，取盾构外径为6m，分别对隧道轴线埋深在8m、10m、12m、14m、16m、18m、20m、22m时进行建模计算分析，由图1可以看出，在相同盾构直径下地表最大沉降随隧道轴线埋深的增加逐渐减小，当隧道轴线埋深在16m以上时，改变隧道埋深对地表的最大沉降影响较小，当隧道轴线埋深在16m以下时，地表最大沉降受隧道埋深的影响较大。
图1 地表最大沉降与隧道轴线埋深的关系图
2、注浆作用的影响
注浆是否及时对地表的最终沉降会产生影响。在此将利用软件中的荷载释放系数命令对注浆的不及时进行模拟。当注浆不及时时，以不加盾构管片并设定荷载释放系数为30%，让土体自由释放应力，然后在下一施工阶段激活盾构管片并设定荷载释放系数40%，剩下的30%荷载释放系数留到下一施工阶段释放。从图2可以看出，注浆及时与不及时对地表沉降的影响很大。注浆及时情况下地表的最大沉降为仅11.3mm，注浆不及时的情况下地表的最大沉降为16.6mm，比及时情况下大46.9%。所以施工中应该注意及时壁后注浆，并做好养护工作，尽可能降低由施工引起的地层沉降。
图2 注浆及时和不及时地表沉降对比曲线
3、盾构顶推力的影响
郑州地铁一号线盾构机在轴线埋深17m时一般设置的盾构顶推力是0.3MPa。为了研究盾构顶推力对地表最大沉降的影响，下面笔者将分别在F=0.2MPa、0.3MPa和0.4MPa 的情况下，对地表历时位移进行数值分析，得到监测点的位移曲线如图3所示。从图3可以看出，当盾构顶推力小于平衡力时，地表未出现隆起的现象，地表一直处于下沉的状态，在盾构到达前沉降较平缓，盾构到达后沉降明显变大，盾构通过后沉降趋势又有所减缓。当盾构顶推力大于平衡力时，地表在开挖面前出现明显的隆起现象，随着盾构的掘进，在开挖面前不远处地表与原来地面线重合，而后继续下沉。从图中还可以看出，无论是盾构顶推力大于或小于平衡力，最终的地表沉降都有所增加。因此，在盾构施工中应尽量使盾构顶推力与原始土压力保持一致。
图3 不同盾构顶推力下地表沉降历程图
4、土体弹性模量的影响
本文选用的弹性模量是在地质勘探报告的基础上汇总出来的，具有一定的代表性，经验证也是合理的，但是对于个别地段总会出现较大的差异。为了研究隧道周围土层土体的弹性模量强度对地面最大沉降的影响，分别以弹性模量8、12、16、20、25、30、35、40、45MPa 进行有限元数值分析，得到地面最大沉降与取值的关系曲线如图4所示。由图4可以看出，地表沉降随着土层弹性模量增大而逐渐减小。当土层弹性模量较小时地表最大沉降值随弹性模量变化明显，当土层模量较大时地表最大沉降变化不明显。
图4 地基弹性模量与地表最大沉降关系图
四、结语
盾构法施工引起的地表沉降受到多种因素的影响，本文选择与地表沉降密切相关的因素进行施工阶段近似简化模拟，并分别就影响地表最大沉降的因素进行建模数值分析。通过模拟分析，得出结论如下：
1、粉土地层中隧道盾构开挖产生的地表最终横向沉降与Peck 经验公式得出的规律一致，基本上可以由Peck 公式预测。地表沉降主要发生在开挖面前 4 m 至开挖面后32 m。开挖面地表沉降槽宽度随着盾构的推进逐渐增加，在开挖面到达监测面的前的 6 m 和后 32 m 变化较快。
2、注浆及时与不及时对地表沉降的影响很大，在施工中应做到及时注浆和浆体的养护工作。
3、在相同盾构直径下地表最大沉降随隧道轴线埋深的增加逐渐减小，当隧道轴线埋深在16m以上时，改变隧道埋深对地表的最大沉降影响较小，当隧道轴线埋深在16m以下时，地表最大沉降受隧道埋深的影响较大。
4、无论是盾构顶推力大于或小于平衡力，最终的地表沉降都有所增加。在实际的盾构施工过程中应尽量使盾构顶推力与原始土压力保持一致。
5、地表沉降随着土体弹性模量增大而减小，且当土体弹性模量较小时这种影响较明显，当土体模量较大时影响不明显。
参考文献：
［1］ 李庆 杨璐 王场：《地铁隧道盾构施工引起地表沉降分析》，《企业技术开发》， 2011年05期
［2］ 杜建华 王玉林 沈仁强：《浅谈盾构隧道施工引起的地表沉降》，《山西建筑》， 2006年06期
［3］ 黃宏伟 张冬梅：《盾构隧道施工引起的地表沉降及现场监控》，《岩石力学与工程学报》， 2001年S1期
［4］ 李建旺 王晓振：《隧道盾构掘进引起的地表沉降研究》，《中国铁路》， 2011年12期
关键词： 盾构法施工、地表沉降、分析
中图分类号：TF351文献标识码： A 文章编号：
一、前言
现阶段，盾构法施工已成为国内城市地铁隧道施工中一种重要的施工方法。和其他施工方法一样，由盾构法施工导致的地表沉降及对周围环境产的影响是盾构法施工的一个重要问题。目前国内外专家学者对隧道施工引起地表沉降的预测方法主要有：经验公式法、模型试验法、数值分析法、理论预测法等。在实际工程中主要是以建立在实测数据基础上的经验公式法为主，但是这种方法大都局限于预测地表面处的位移，在指导施工中具有很大的局限性。而数值模拟法能动态反应盾构推进过程中土层中各点变形随时间的变化情况，而且可以对影响地表的许多因素进行直观的分析。
二、Peck横向沉降槽经验公式
沉降计算中最经典、常用的公式是Peck公式。Peck认为,不排水情况下隧道开挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积；地层损失在整个隧道长度上均匀分布,隧道施工产生的地表沉降横向分布近似为一正态分布曲线(如下图1)。横向地表沉降的预估公式以及最大沉降量的计算公式为：
式中:S(x)为距隧道中心轴线为x处的地面沉降,m； i 为地表沉降槽宽度,即曲率反弯点与中心的距离,m；Smax为隧道轴线上方地表最大沉降量,m；Vl为盾构隧道单位长度的地层损失量,m3/ m。
图 1地表横向沉降分布曲线
反弯点i处的沉降量S≈0.61Smax,最大曲率半径点的沉降量S≈0.22Smax。沉陷槽断面积A≈。
想要预测地面沉降量,必须先估计出地层损失量。在工程实践中,地层损失量与盾构种类、操作方法、地层条件、地面环境、施工管理等因素有关,一般难以正确估计。所以,常针对施工条件直接类比而定。
Peck公式即用误差函数曲线近似地表现隧道上方地面沉降槽曲线。由于此法简便,只需确定两个参数,从而被广泛应用与地铁工程计算中,然而其存在精度相对不高,无法进行细致分析。因此,国内外很多专家都针对具体情况部分修正了Peck公式。
三、地表沉降影响因素分析
下文中笔者将与郑州地铁一号线工程相结合进行阐述，针对郑州粉土地区地层土质的一般特征，并结合郑州地铁一号线地质勘查报告建立模型，体现的是郑州地铁盾构区间的一般性。但是郑州地区的地层又具有其复杂性，地铁施工各区间又具有其独特性，所以有必要对影响地表沉降量的因素进行分析。
1、地铁隧道轴线埋深的影响
为了反映郑州地铁一号线的实际情况并全面考虑隧道覆土深度对地表沉降的影响，取盾构外径为6m，分别对隧道轴线埋深在8m、10m、12m、14m、16m、18m、20m、22m时进行建模计算分析，由图1可以看出，在相同盾构直径下地表最大沉降随隧道轴线埋深的增加逐渐减小，当隧道轴线埋深在16m以上时，改变隧道埋深对地表的最大沉降影响较小，当隧道轴线埋深在16m以下时，地表最大沉降受隧道埋深的影响较大。
图1 地表最大沉降与隧道轴线埋深的关系图
2、注浆作用的影响
注浆是否及时对地表的最终沉降会产生影响。在此将利用软件中的荷载释放系数命令对注浆的不及时进行模拟。当注浆不及时时，以不加盾构管片并设定荷载释放系数为30%，让土体自由释放应力，然后在下一施工阶段激活盾构管片并设定荷载释放系数40%，剩下的30%荷载释放系数留到下一施工阶段释放。从图2可以看出，注浆及时与不及时对地表沉降的影响很大。注浆及时情况下地表的最大沉降为仅11.3mm，注浆不及时的情况下地表的最大沉降为16.6mm，比及时情况下大46.9%。所以施工中应该注意及时壁后注浆，并做好养护工作，尽可能降低由施工引起的地层沉降。
图2 注浆及时和不及时地表沉降对比曲线
3、盾构顶推力的影响
郑州地铁一号线盾构机在轴线埋深17m时一般设置的盾构顶推力是0.3MPa。为了研究盾构顶推力对地表最大沉降的影响，下面笔者将分别在F=0.2MPa、0.3MPa和0.4MPa 的情况下，对地表历时位移进行数值分析，得到监测点的位移曲线如图3所示。从图3可以看出，当盾构顶推力小于平衡力时，地表未出现隆起的现象，地表一直处于下沉的状态，在盾构到达前沉降较平缓，盾构到达后沉降明显变大，盾构通过后沉降趋势又有所减缓。当盾构顶推力大于平衡力时，地表在开挖面前出现明显的隆起现象，随着盾构的掘进，在开挖面前不远处地表与原来地面线重合，而后继续下沉。从图中还可以看出，无论是盾构顶推力大于或小于平衡力，最终的地表沉降都有所增加。因此，在盾构施工中应尽量使盾构顶推力与原始土压力保持一致。
图3 不同盾构顶推力下地表沉降历程图
4、土体弹性模量的影响
本文选用的弹性模量是在地质勘探报告的基础上汇总出来的，具有一定的代表性，经验证也是合理的，但是对于个别地段总会出现较大的差异。为了研究隧道周围土层土体的弹性模量强度对地面最大沉降的影响，分别以弹性模量8、12、16、20、25、30、35、40、45MPa 进行有限元数值分析，得到地面最大沉降与取值的关系曲线如图4所示。由图4可以看出，地表沉降随着土层弹性模量增大而逐渐减小。当土层弹性模量较小时地表最大沉降值随弹性模量变化明显，当土层模量较大时地表最大沉降变化不明显。
图4 地基弹性模量与地表最大沉降关系图
四、结语
盾构法施工引起的地表沉降受到多种因素的影响，本文选择与地表沉降密切相关的因素进行施工阶段近似简化模拟，并分别就影响地表最大沉降的因素进行建模数值分析。通过模拟分析，得出结论如下：
1、粉土地层中隧道盾构开挖产生的地表最终横向沉降与Peck 经验公式得出的规律一致，基本上可以由Peck 公式预测。地表沉降主要发生在开挖面前 4 m 至开挖面后32 m。开挖面地表沉降槽宽度随着盾构的推进逐渐增加，在开挖面到达监测面的前的 6 m 和后 32 m 变化较快。
2、注浆及时与不及时对地表沉降的影响很大，在施工中应做到及时注浆和浆体的养护工作。
3、在相同盾构直径下地表最大沉降随隧道轴线埋深的增加逐渐减小，当隧道轴线埋深在16m以上时，改变隧道埋深对地表的最大沉降影响较小，当隧道轴线埋深在16m以下时，地表最大沉降受隧道埋深的影响较大。
4、无论是盾构顶推力大于或小于平衡力，最终的地表沉降都有所增加。在实际的盾构施工过程中应尽量使盾构顶推力与原始土压力保持一致。
5、地表沉降随着土体弹性模量增大而减小，且当土体弹性模量较小时这种影响较明显，当土体模量较大时影响不明显。
参考文献：
［1］ 李庆 杨璐 王场：《地铁隧道盾构施工引起地表沉降分析》，《企业技术开发》， 2011年05期
［2］ 杜建华 王玉林 沈仁强：《浅谈盾构隧道施工引起的地表沉降》，《山西建筑》， 2006年06期
［3］ 黃宏伟 张冬梅：《盾构隧道施工引起的地表沉降及现场监控》，《岩石力学与工程学报》， 2001年S1期
［4］ 李建旺 王晓振：《隧道盾构掘进引起的地表沉降研究》，《中国铁路》， 2011年12期