通讯作者: 冯晓光(1982-),男,陕西渭南人,助理工程师,主要从事岩土工程测试技术试验教学及科研工作.
(College of Architecture and Civil Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China)
Xi'an metro; surface subsidence; Peck formula; settlement trough width coefficient; soil loss rate
备注
通讯作者: 冯晓光(1982-),男,陕西渭南人,助理工程师,主要从事岩土工程测试技术试验教学及科研工作.
以西安黄土地区某区间段地铁隧道盾构施工实测数据为基础,通过peck公式的两个重要参数,即沉降槽宽度系数K,地层土体损失率η,对Peck公式进行修正,使其能适用于黄土地区,并为今后黄土地区地铁的盾构施工提供参考依据。研究表明,修正后的沉降槽宽度系数为K=0.42~0.445,地层损失率应根据不同的地层情况和施工参数进行确定,一般情况下取η=0.82%~1.65%是合理的。
Based on a certain interval of metro tunnel shield construction measured data in loses area of Xi'an, the Peck formula is modified through two important parameters of Peck formula, namely the settlement trough width coefficient and soil loss rate, so that it can be applied in loess area and provide the reference for the subway shield construction in the future. The results show that the modified settlement trough width coefficient is K=0.42~0.445, ground loss rate should be identified according to different geologic condition and construction parameters, in the general cases, η=0.82%~1.65% is reasonable.
引言
近年来,我国城市地铁建设迅速发展,正处于蓬勃发展的大好时期。在未来的几十年中,地下交通项目将增加到一个未知的水平。但地下工程施工,都不可避免地产生对土体的扰动,引发不同程度的地层位移和变形(通常表现为地表沉降)。当地层位移和变形超过一定的限度时,就会危及周围临近建筑物及其基础和地下管线的安全,引起一系列岩土环境工程问题。目前国内外科技工作者对地下工程施工引起的地表沉降的预计采用的方法主要有经验法、解析法、半解析半数值法、模型试验法、数值分析法等。但经验法简单实用的优点,使其成为预测地下工程开挖引起地表沉降的首选方法之一,并成为应用最广泛的方法。Peck经验公式是Peck教授在总结众多的工程经验后得出的结论。Peck经验公式是基于某一地区的实测资料提出的,故其具有区域局限性。几十年来,国内外众多科技工作者针对不同的工程背景对Peck经验公式进行了验证,并对其做了相应的修正使其能适应不同地区[1-3]。在本章中,将对西安黄土地区修建地铁时引起的地表沉降规律进行研究,对地表沉降监测数据进行分析,对Peck经验公式进行相应的修正,使其能适用于黄土地区,为今后西安地铁其他线路的修建提供参考依据。
1 关于Peck经验公式的解析
2 基于Peck公式的实测沉降数据回归方法
每一监测点的沉降值都有与其对应的隧道埋深,也就是实测地表沉降数据与测点距隧道轴线的距离存在一一对应关系。通过对实测资料的分析,实测的地表沉降数据并非一条光滑的曲线,但由于沉降值与距轴线距离存在一一对应关系,因此通过一元线性回归分析后可将实测数据拟合成一条曲线。
Peck公式是一个非线性函数,其表达式为
由数学知识,对上式2边同时取对数可得
令(^y)=LnS(x),(^a)=LnSmax,(^b)=1/(i2),则(3-6)可化为
(^a)为回归后常数项;(^b)为回归后线性系数。
以LnS(x)和-(x2)/2为回归变量进行分析,以LnSmax为回归后的常数项,以1/(i2)回归后线性系数。由数理统计知识,回归过程如下
式中 xi为第i个样本点距隧道轴线的代表值; n为样本点个数。
由上述归回后可得
回归曲线为
3 基于典型断面的Peck公式修正
3.1 地层条件本文以西安地铁二号线某区间段盾构施工为工程背景,该区间段的地质条件如下:地表一般分布有厚薄不均全新统人工填土(Qml4); 其下为上更新统风积(Qeol3)新黄土(局部为饱和软黄土)及残积(Qel3)古土壤,再下为中更新统风积(Qeol2)老黄土和冲积(Qal2)粉质黏土、粉土、细砂、中砂及粗砂等,局部见全新统冲积(Qal4)黄土状土。
3.2 实测沉降曲线与Peck公式的拟合对比根据现场监测资料,现选取4个典型区间断面,对实测沉降曲线进行回归分析,可得到如图2~5所示的沉降曲线与Peck拟合曲线的对比图。
图2 断面1实测沉降曲线与Peck拟合曲线对比
Fig.2 Comparison of measured settlement curve with the Peck fitting curve on the section one图3 断面2实测沉降曲线与Peck拟合曲线对比
Fig.3 Comparison of measured settlement curve with the Peck fitting curve on the section two对断面1实测沉降值进行回归分析可得,,对断面2实测沉降曲线进行回归分析可得,K=0.42,η=1.65%,对断面3实测沉降曲线进行回归分析可得,K=0.436,η=0.82%,对断面4实测沉降曲线进行回归分析可得,K=0.445,η=1.18%.
从以上4个典型断面的实测沉降曲线与Peck拟合曲线对比来看,只要对Peck公式进行合理的修正是能准确的运用于西安黄土地区盾构施工引起的地表变形规律预测,从以上4个断面的修正系数来看,沉降槽宽度系数为k=0.42~0.445,地层损失率的取值范围为η=0.82%~1.65%.
图4 断面3实测沉降曲线与Peck拟合曲线对比
Fig.4 Comparison of measured settlement curve with the Peck fitting curve on the section three图5 断面4实测沉降曲线与Peck拟合曲线对比
Fig.5 Comparison of measured settlement curve with the Peck fitting curve on the section four4 修正系数合理性验证
5 结 论
综上所述,只要对Peck经验公式进行合理的修正,是可以运用于西安黄土地区盾构施工引起的地表沉降变形预测的,修正系数为:修正后的沉降槽宽度系数为k=0.42~0.445,地层损失率应根据不同的地层情况和施工参数进行确定,一般情况下取η=0.82%~1.65%是合理的。
1.1 Peck经验公式理论1969年,Peck在统计分析大量不同类型地下工程施工引起的地表沉降实测资料基础上,提出了地层损失的概念,即在不考虑土体排水固结和蠕变的条件下,得出了一系列与地层有关的沉降槽宽度的近似值回归模型,即Peck公式[4]。其理论基础是:在盾构掘进过程中产生了一定的地层损失,相当于从土体中挖去一块土体,从而导致上部的土体移动,在不考虑土体排水固结与蠕变的情况下,认为地层移动是一个随机的过程,在盾构掘进后地表形成的横向沉降槽为一个近似正态分布的曲线。据此理论,他提出了地表沉降分布的预计公式为
式中 S(x)为距离隧道中心轴线为x处地表沉降值; Vl为施工引起的隧道单位长度地层损失; Smax为隧道中心线处地表最大沉降量; i为地表沉降槽宽度系数。
1.2 Peck经验公式的参数确定Peck公式有2个重要参数:沉降槽宽度系数K和单位地层损失Vl(或地层土体损失率η)。这两个参数与隧道开挖深度、断面尺寸、地层条件和施工条件等密切相关[5-7]。
1.2.1 沉降槽宽度系数K的确定O'Reilly和New(1982)分析总结伦敦地区地铁隧道施工的经验,他们认为在单一土层中隧道掘进时引起的近地表沉降和隧道施工方法、隧道直径没有关系,且沉降槽宽度i和隧道轴线埋深z0之间存在以下简单的线性关系
K=i/(z0),(3)
其中 K为沉降槽宽度系数。对介于硬粘土和软粘土之间的土层,K取值范围为:0.4~0.7; 对于砂性土且埋深在6~10 m的浅埋隧道时,K取值范围为:0.2~0.3.
1.2.2 地层土体损失率η的确定单位长度地层损失经常被表示为隧道理论开挖面积与体积损失率的乘积。地层损失率主要与工程地质情况、水文地质情况、隧道施工方法、施工技术水平以及工程管理经验等因素有关。在采用经验预测法进行预测时,地层土体损失率一般是采用反分析法进行确定的。通过地面沉降实测数据,由式(1)反分析可以得到i值,再反分析可以得到η的值
1.3 Peck公式的适用条件通过对现有资料的分析研究,表明Peck公式的适用条件有
1)隧道周围土体是均匀的、不承受拉力的散体介质;
2)埋深相对比较浅,埋深范围应该为3~5倍的开挖半径,使隧道开挖扰动区范围能达到地表;
3)土体在隧道开挖前后不发生张拉。
- [1] 张引合.西安地铁隧道盾构施工诱发的地表沉降规律及其控制技术[D].西安:西安科技大学,2011.
- [2] 朱才辉,李 宁,张志强.西安黄土地层盾构施工诱发地面沉降规律分析与预测[J].岩土工程学报,2010,32(7):1 089-1 095.
- [3] 陈 军,刘 波,陶龙光.暗挖地铁车站引起地表沉降拟合分析与Peck法比较研究[J].岩土工程技术,2005,19(1):1-4.
- [4] Peck R B.Dee Pexcavations and tunnelling in softgroud[C]//Proc.7th Int.Conf.SMFE. Mexico City,1969.
- [5] 姚爱军,赵 强,管 江,等.基于北京地层地铁隧道施工的Peck公式的改进[J].地下空间与工程学报, 2010,6(4):789-793.
- [6] 宋克志,王梦恕,孙 谋.基于Peck公式的盾构隧道地表沉降的可靠性分析[J].北方交通大学学报, 2004, 28(4):30-33.
- [7] 潘海泽,蒋冰玉,黄 涛.Peck公式在天津隧道盾构施工地面沉降预测中的适用性分析[J].测绘科学,2010,35(3):53-55.
- [8] 韩 煊,刘赪炜,Jamie Rstanding.隧道下穿既有线的案例分析与沉降分析方法[J].土木工程学报,2012,45(1):134-141.
- [9] 刘招伟,王梦恕,董新平.地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(8):1 297-1 301.
- [10]王占生,张顶立.浅埋暗挖隧道近距下穿既有地铁的关键技术[J].岩石力学与工程学报,2007,26(增2):4 208-4 214.