郑州市砂性地层盾构施工的Peck公式参数优化

2021-03-22韩全吉潘文涛黄振磊

河南科技 2021年26期

韩全吉　潘文涛　黄振磊

摘要：地铁盾构隧道上方环境复杂，人流、管线及重要建（构）筑物多，控制地表沉降成为盾构隧道工程的重点问题。河南郑州地铁盾构隧道穿越地层大多数为砂性土层，对砂性地层中盾构隧道掘进导致的地表沉降进行预测，能为郑州市后续地铁建设提供一定的技术指导。

关键词：隧道盾构;地表沉降;Peck公式

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）26-0112-03

Measure and Numerical Simulation Analysis of Surface Settlement

Law in Zhengzhou Metro Shield Construction

HAN Quanji PAN Wentao HUANG Zhenlei

（1.Zhejiang East China Surveying and Mapping and Engineering Safety Technology Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310014;

2.School of Water Conservancy Science and Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract：The environment above Metro shield tunnel is complex， there are many people， pipelines and important buildings （structures）. Controlling surface settlement has become the key problem of shield tunnel engineering. Most of the strata crossed by the shield tunnel of Zhengzhou metro are sandy soil. The prediction of surface settlement caused by shield tunneling in sandy strata can provide some technical guidance for the follow-up subway construction in Zhengzhou.

Keywords： shield tunnel;surfacesettlement;Peck formula

进入21世纪以来，我国以地铁为主导的地下轨道交通、以综合管廊为主导的地下市政等开发项目快速崛起，促使城市地下空间的开发利用呈现规模发展态势。其中，城市轨道交通发展速度位于世界首位[1-2]。

目前，关于盾构隧道开挖造成地表沉降的研究方法有经验公式法、数值分析法、理论解析法及模型试验法，其中经验公式法使用最为普遍[3-6]。本文对河南省郑州市砂性土层中Peck公式的经验参数提出建议值，并对盾构在砂性土中掘进导致的地表沉降进行预测，以期为郑州市后续地铁建设提供一定的技术支撑。

1 对Peck公式回归分析

Peck教授分析了大量隧道施工的工程监测数据，发现地面横断面沉降曲线能够用高斯曲线描述，由此提出了著名的Peck经验公式：

式中：S（x）是隧道轴线上方x处的地表沉降量，mm;S是隧道轴线上方的最大地表沉降量，mm;x是距离隧道中心的水平距离，m;V是单位长度地层损失率，%;i是地面沉降槽宽度，m;R是隧道半径，m。

2 地铁盾构区间的测点布置

研究区间采用两台土压平衡盾构机进行施工作业，盾构主机长为7.5 m，开挖直径为6.45 m，衬砌管片宽为1.5 m，厚为35 cm。整条线路盾构穿越的地层主要为粉质黏土、黏质粉土、粉砂、细砂，每个盾构区间穿越的地层都有粉砂、细砂层。

根据监测设计规范要求，在盾构始发端、接收端0～50 m范围内，每10 m布设一个监测小断面，每30 m布设一个监测大断面;51～100 m范围内，每10 m布设一个中线监测点，每30 m布设一个监测大断面。

3 盾构施工区横向地表沉降预测

3.1 Peck公式的修正

选取该区间埋深为16.5 m（2.5D，其中[D]为盾构隧道直径6.6 m）的5个大监测断面（66环断面、133环断面、168环断面、238环断面、273环断面）数据，对Peck公式经验参数进行拟合求解。根据选取的5个监测断面地表沉降值，可得表1结果和各断面回归后的线性回归函数。

将5个断面的实测数据与回归后的线性方程进行对比可知，这5个断面的线性相关系数均能够准确地反映线性转换后两者的线性关系。

从图1可以看出，各实测横断面沉降曲线与拟合沉降曲线基本吻合，拟合度均在90%以上，可见基于Peck公式的线性拟合方法是可靠的。

通过上述数据，给出埋深16.5 m的砂性地层中Peck公式经验参数最大沉降值和沉降槽宽度的建议值，Smax=11.371 8 mm，i=9.502 0 m，可以得到适用于郑州埋深16.5 m的砂性地层的传统Peck经验公式为：

基于Peck公式对监测数据进行回归分析，获得各断面最终拟合曲线与传统Peck预测公式的对比图，结果如图2和图3所示。修正过的Peck沉降曲线能更准确地反映该埋深的地表沉降规律。

3.2 Peck公式修正后的验证

选取该区间小监测断面隧道轴线上方32个监测点，验证埋深16.5 m的拟合Peck公式预测地表沉降的准确性，选取某监测断面地表沉降值，绘制成不同沉降区间占比柱状图，如图4所示。从图4可以看出，小监测断面地表最大沉降值大多集中在10～12 mm，占比68.75%。此区间平均沉降值为11.019 mm，与修正Peck拟合公式预测的地表最大沉降值11.371 8 mm相差3.1%;32个监测数据地表最大沉降值均值为11.114 mm，与Peck拟合公式预测的地表最大沉降值相差0.306 mm，相差2.27%。

通过将拟合Peck公式预测的地表最大沉降值与该区间32组监测数据对比，验证了修正的拟合Peck公式预测埋深16.5 m地表沉降的准确性。

4 结论

①区间埋深为16.5 m的5个大监测横向断面的地表沉降曲线均为明显的凹型沉降槽，近似为高斯曲线，符合Peck公式的沉降规律。因此，可以通过线性拟合得到5个大监测断面对应的拟合地表最大沉降值、沉降槽宽度、地层损失率。

②拟合得到的区间5个大监测断面地表最大沉降值、沉降槽宽度、地层损失率的均值分别为11.371 8 mm，9.502 0 m、0.794 8 m。

③根据地铁盾构在施工中的地表沉降监测数据得出适用于郑州砂性地层埋深16.5 m的传统Peck经验公式，并验证了其可行性，可为之后类似工程提供参考。

参考文献：

[1]李昌涛.城市轨道交通行业发展现状与趋势[J].交通世界，2019（19）：8-9.

[2]司玉良.我国城市轨道交通发展现状与策略[J].交通世界（运输·车辆），2015（7）：40-41.

[3]璩繼立，葛修润.软土地区盾构隧道施工沉降槽的特征分析[J].工业建筑，2005（1）：42-46.

[4]刘建航，侯学渊.盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社，1991：29.

[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（4）：789-793.

[6]胡长明，冯超，梅源，等.西安富水砂层盾构施工Peck沉降预测公式改进[J].地下空间与工程学报，2018（1）：176-181.