利用PECK公式对路基变形规律的研究

崔永辉

摘要：随着我国城市化进程的加快，地面交通已经不能满足人民的出行要求。地铁建设在我国已经进入高峰期。伴随着地铁在各大城市的建设，由于盾构施工引起的地表沉降的问题越来越受到人们的重视。本文结合北京地铁15号线府前街至河东站盾构区间地表监测工程，通過大量数据的分析处理，研究了盾构施工对既有道路路基的影响。本文的主要研究内容及结论如下：

1、根据盾构法施工的基本原理，分析了盾构施工对土体扰动的机理，论述了地表沉降的原因以及控制沉降的基准。

2、结合实际工程制定了盾构施工区间的地表监测方案。

3、根据现场监测结果，通过处理分析实际监测数据，对比实际数据与应用经验公式预测结果，修正了盾构施工沉降参数K。

关键词 ： 盾构施工；沉降监测；PECK公式

绪 论

盾构施工虽然具有很多优点，但是由于施工引起的地层移动进而影响地表结构物的危害和事故仍时有发生。地铁隧道多数位于城市中心的繁华地带，地下管线和地面建筑物众多，施工过程多少都会对土体产生扰动，地表沉降、土体分层沉降、土体水平位移是土体扰动的具体表现[1]。

盾构施工过程的沉降会对地面建筑物的安全造成威胁甚至引起破坏，通过研究盾构施工对路基变形规律，可以及时了解掌握地铁隧道施工后的周围岩土的稳定与支护状态，预测可能出现的施工隐患，及时调整施工方案，保障地铁隧道的施工安全。盾构法施工会不同程度地对周边环境产生一定的影响，因此，通过及时、准确的现场监测结果判断地铁隧道结构的安全及周边环境的安全，并及时反馈施工，调整设计、施工参数，减小结构及周边环境的变形。预测施工引起的地表变形，根据地表变形的发展趋势决定是否采取保护措施，并为经济、合理的保护措施提供依据。通过对盾构隧道施工过程的地表沉降规律及其影响范围进行研究，以期对今后类似工程建（构）筑物的保护、施工参数的优化提供参考依据。

将监测数据与预测预报值比较，判断施工参数是否合理，调整优化下一步的施工参数，实现信息化施工。

地铁隧道盾构施工过程中的监控量测主要是对地表沉降的监控，了解地铁隧道周围岩土的受力状态，判断岩土的稳定性、支护的合理性，对下一步的设计与施工提供指导，实现动态设计与施工。因此对盾构施工对地表路基变形的研究具有十分重大的意义[2]。总之，科学、规范的盾构施工地表监控及预报，可以以极小的投资协助、指导施工顺利进展，避免隧道施工的盲目性，同时还能为新建工程提供重要的参考资料和决策依据，对经济地、高质量地建设地铁隧道十分必要。

一、peck公式对隧道沉降的计算

对于隧道施工所引起的地表沉降问题的研究，起源于对煤矿等矿山巷道上方地表降现象的分析。根据煤矿地区巷道开挖地表下沉的实测结果， 1969年，在当时大量隧道开挖施引起的地表沉降实测基础上，Peck[3]系统地提出了地层损失的概念和估算隧道开挖地表沉降的实用方法，即Peck公式。此后，Peck本人及其他学者和工程技术人员做了大量工作，使之成为目前应用最广泛的预计隧道施工地表沉降的经验公式。Peck认为，不排水的情况下，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。他假定地层损失在整个隧道长度均匀分布，隧道施工所产生的地表沉降横向分布近似为正态分布曲线，因此提出如下地表沉降分布的预测计公式：

二、工程概况

地铁15号线总体呈东西走向，西起海淀区西苑，东到顺义区潮白河河东地区，如图3-1所示。线路全长 45.8公里，其中地下线约32公里，高架线约13.8公里；新建车站22座，新建车辆段和停车场各1座。线路主要经过圆明园南路、清华大学、清华东路、 奥林匹克公园、大屯路、望京地区、新国展、京顺路、顺于路、顺安路。 地铁15号线途经北四环和北五环之间，建成后可以有效缓解奥林匹克中心区和亚运村北部地区的交通压力。本工程“北京地铁十五号线府前街站—河东站区间工程” 沿顺义区府前东街东西向布置。府前街站—河东站区间隧道采用采用盾构施工。

盾构区间全长约为2.3公里区间纵向呈单向坡度，最大坡度0.9%，隧道埋置较深，其结构覆土为9.1m～14.6m。从环境条件、施工条件、施工设备费用等多方面比较，选用加泥式土压平衡盾构（Ф6000mm）1台。隧道衬砌采用单层钢筋混凝土装配式衬砌，整环衬砌由六块钢筋混凝土管片组成，即三块标准块（A1、A2、A3），两块邻接块（B1，B2）和一块封顶块（K）。各管片之间用螺栓连接。为了提高装配式衬砌的纵向刚度和拼装精度，管片的纵向接缝内设凹凸榫槽，考虑到接缝密封防水的需要，在管片的环、纵向接缝内同时设弹性密封垫沟槽及内弧侧的嵌缝槽，衬砌环拼装采用错峰拼装形式，衬砌环宽度采用1.2m。

三、地表沉降监测及结果分析

在人口密集、建筑设施密布的城市中进行盾构法施工，由于岩土开挖不可避免地产生对岩土体的扰动并引起洞室周围地表发生位移和变形，当位移和变形超过一定的限度时，势必危及周围地面建筑设施、道路和地下管线的安全。因此，研究城市盾构施工过程中地表影响范围的问题，对于地表环境保护具有十分重要的意义。本章通过对盾构施工对地表影响机理的综合分析，结合北京地铁15号线府前街站至河东站盾构区间的理论分析，比较了经验公式的计算值和实测值。利用大量的实测数据，改进了沉降槽系数k，使其更加符合北京顺义地区的实际情况。

地表沉降作为判断施工对地面影响程度的重要指标，在盾构施工过程中尤其是在盾构通过时应加强监测，根据监测的数据通过分析处理找出盾构引起的地面沉降规律，为下步施工提供数据支持。

根据隧道不同的埋深等条件，本文选取了6个不同的横向地表监测断面的沉降数据来进行分析处理，找出规律。

透过上述数据和实测沉降曲线可以看出：

（1）、上述6个断面的实测沉降曲线其变化规律基本一致。说明该盾构方式可以很好地控制横向地表沉降，各个断面的最大沉降值均低于设计要求。施工参数选取的当。

（2）、各断面的最大沉降均发生在隧道轴线上方。在隧道轴线10m范围内是沉降的主要区域。

（3）、总体看来隧道埋深大的断面地表沉降相对较小。

2、沉降系数K的改进

根据上述沉降曲线可以看出，该区段的最终地表沉降槽曲线与正态分布曲线基本一致。因此采用Peck公式进行拟合。选取H1、H3、H6三个不同埋深的断面进行验证。H1断面埋深9.2m，VL取0.75%，K取0.57。则：

通过对比可以发现实际沉降曲线与应用Peck公式计算曲线存在一定的差异，从H1、H3、H6三个断面的对比图中可以发现计算曲线与实际曲线符合的还是比较好的，H3、H6断面中最大沉降值比计算值稍小。说明应用现有参数及Peck公式预估本地区的盾构横向曲线会产生误差。因此需要根据实测曲线对Peck公式中的参数进行校正。

根据最小二乘法对公式中的参数K进行标定。通过计算得出本地区K值取为0.55-0.63较为合适。调整K值后可以看出计算沉降曲线与实测沉降曲线拟合的更加全面。通過更改参数，本文认为VL取0.75%，K取0.53-0.60符合本工程盾构区间的地表沉降观测。

四、结论

本文结合北京地铁15号线的工程实践，对盾构施工中路基变形的监测技术、路基沉降产生的机理、路基变形的预测等进行了深入的探讨，经过对比实测数据、经验公式预测数据以及数值模型模拟结果取得了主要结论如下：

1、地层原始应力状态的改变、地层损失、受扰动土体的固结及土体的蠕变效应、衬砌结构的变形等是引起地表沉降的主要原因。

2、通过比较不同埋深断面的实际监测数据，发现在相同的地层条件下隧道埋深大的断面横向地表沉降的最大值相对较小。

3、通过对比实测数据和经验公式预测数据得知本盾构区间的地表沉降参数K取值0.55-0.62之间可以较好地与实际相符合。

参考文献

[1] 罗衍俭.隧道工程世纪之梦[J].世界隧道，1997，（6）：2-3

[2] 唐益群，叶为民，张庆贺.上海地铁盾构施工引起地面沉降的分析研究 [J].地下空间，1995.12（3）

[3] Peek R B. Deep excavation and tunneling in soft ground. State of the Art Report.Proc.7th Int. Conf. on soil Mechanics and Foundation Engineering.Meiieo. 1969.225-290.