盾构隧道下穿既有隧道地面变形分析

杨新强

（中铁十六局集团有限公司，北京 100018）

0 引言

地铁和隧道的开挖与修建是缓解城市交通压力的重要手段[1]。考虑到已经开挖和修建的各种地下建筑物及地下管网纵横交错,在此基础上如果继续开挖和修建,会对已有地层及地上建筑物产生扰动。而且，随着隧道开挖的进行，其深度会不断增加,这对隧道和地层的扰动影响也就更大,尤其是对于地表的影响[2]。

本文以郑州地铁为例，通过Peck公式进行沉降预测，并将结果与实测数据分析结果进行对比，验证Peck公式在本地区的适用性，为本地区地铁施工沉降预测提供参考。

1 工程案例

1.1 工程概况

郑州地铁14号线市民大道站～市委党校站区间起点里程右K3+605.316（左K3+605.316），终点里程右K4+468.874（左K4+468.874），左线长度为863.593单线延米，右线长度为863.376单线延米，全长1726.969延米。线路纵坡设计为单坡，最大坡度为5.271‰，最小坡度为2‰。区间地面标高约121.30～126.80m，盾构隧道埋深约10.8～20.6m。本区间结构为单线单洞隧道，采用盾构法施工。

1.2 监测点布设

在地面上布设平行于隧道轴线的沉降监测点和垂直于隧道轴线的沉降断面监测点。平行于隧道轴线的沉降监测点布设在市民大道隧道底板位置，每3m布设一个监测断面，每个断面布设9个测点，监测点布设可以根据现场实际情况进行适当调整。

2 地表沉降值理论计算

在预测隧道施工中引起的地表变形的全部经验方法中，Peck公式的计算预测是利用率最高的[3]。地下隧道在开挖过程中引起的土体位移曲线称为沉降槽，如图1所示。

图1 沉降槽曲线

R.B. Peck在大量实测数据的基础上提出了沉降槽近似正态分布的概念[4]。Peck所参与搜集的30多组实际测量数据都可以较好地直接采用高斯分布曲线进行拟合。Peck猜想在非排水的情况下，隧道的施工开挖可能导致的沉降槽体积应近似等于土体损失的体积，由此提出了沉降槽的横断面基本遵循高斯分布拟合曲线的规律，其相应的位移变形预测方法见式（1）：

式中：S(x)—距隧道中心线x(m)处的沉降值；Smax—沉降曲线顶点处的沉降量(mm)，理论上为沉降的最大值；x—从中心线对应的地面点为起始点到所计算点的距离；i—沉降槽宽度，表示从中心线(x=0)对应的地面点为起始点到曲线拐点处的距离(m)。

最大沉降量Smax的计算见式（2）：

式中：Vs—隧道单位长度上的地层损失(m3/m)。

2.1 沉降槽宽度i的影响因素

通常认为，盾构法施工过程中沉降槽宽度i与隧道的埋深Z0存在比例系数为K的线性关系[5]，即：

式中：K-沉降槽宽度系数，主要由开挖土体的力学特性决定，一般在不同的土层中K值不同。

2.2 Vs的确定

Vs是隧道理论开挖面积与地层土体体积损失率V1的乘积[6]，即：

3 采集数据分析

本次数据采集了右线盾构穿越市民大道地下隧道工期（2017年12月30日～2018年1月1日）前后三周的纵、横向48个监测点的现场监测数据，得到了累计沉降量曲线。

第一周共测取5次数值。本阶段变形在-21.5mm（DBC-1-08）～0.6mm（DBC-40-08）之间变化，平均变化速率在-3.1mm/d～0.1mm/d之间变化；累计变化量在-21.5mm（DBC-1-08）～0.6mm（DBC-40-08）之间变化；绘制累计位移曲线见图2所示。

图2 第一周右线盾构推进中地表累计沉降值曲线

第二周共测取5次数值。本阶段变形在-8.7mm（DBC-67-06）～0.5mm（DBC-54-02）之间变化，平均变化速率在-1.2mm/d～0.1mm/d之间变化；累计变化量在-22.7mm（DBC-1-08）～0.5mm（DBC-54-02）之间变化；绘制累计位移曲线见图3所示。

图3 第二周右线盾构推进中地表累计沉降值曲线

第三周共测取5次数值。本阶段变形在-44.6mm（DBC-127-07）～2.8mm（DBC-54-02）之间变化，平均变化速率在-6.4mm/d～0.5mm/d之间变化；累计变化量在-44.6mm（DBC-127-07）～2.8mm（DBC-54-02）之间变化；绘制累计位移曲线见图4所示。

图4 第三周右线盾构推进中地表累计沉降值曲线

由图2-图4可见，除去第三周DBC-107-01,DBC-117-01,DBC-127-07,DBC-127-08累计沉降超过30mm,其他下穿施工引起的地表累计沉降值均在控制范围内（-30/10mm）。地表沉降监测断面的累计沉降曲线与Peck经验公式法得到的沉降槽曲线变化规律相同，可以分为微小沉降阶段、急剧沉降阶段、缓慢沉降阶段、沉降稳定阶段。

4 结论

通过Peck公式的计算预测结果和监测数据分析结果对比得到：1）Peck公式的计算预测结果满足规范要求，且与监测数据分析结果误差较小，验证了Peck公式在本地区的适用性。2）Peck沉降槽是目前预测地表沉降值时常用的相对简单的方法，能够较准确地预测盾构开挖引起的地面沉降。3）地表沉降变形规律显示可以分为微小沉降阶段、急剧沉降阶段、缓慢沉降阶段、沉降稳定阶段。