地铁双隧道施工诱发地表沉降预测研究与应用

地铁双隧道施工诱发地表沉降预测研究与应用
刘 波 , 陶龙光 , 丁城刚 , 李 幻, 潘 强, 高
100083)
霞
( 中国矿业大学 力学与建筑工程学院 , 北京
摘要 : 地铁施工诱发地层沉降与环境损伤的预测与控制是亟待深入研究的重要课题 . 地铁区间隧 道多是同一埋深建造的两条近距离平行隧道 ,两隧道开挖对地层沉降的影响往往相互叠加 , 沉降 预测更加困难 . 本文研究了双孔平行隧道施工诱发地表横向及纵向变形的修正 Peck 法与随机介 质法计算公式 ; 对于地铁双孔平行隧道开挖 , 基于部分实测沉降数据的 Powell 最优化理论方法 , 实现了 Peck 法与随机介质法各自的多参数反分析预测 ; 开发出了地铁隧道施工诱发地层环境损 伤预测评价与控制设计的 S T EAD 系统 ; 对多处双孔平行隧道工程实进行了理论预测和验证 , 实 测沉降证明了理论方法与 S T EAD 程序系统的科学性和有效性 . 关键词 : 地铁 ; 双孔平行隧道 ; 横向沉降 ; Peck 法 ; 随机介质理论法 中图分类号 : TU 921 文献标识码 :A
式中 : S ( X ) 为平行双隧道的横断面上与双隧道轴 中心线距离为 X 处地面点的沉降量 , L 为双孔隧道 之间的中心距 ; S max 为单隧道开挖引起的地表沉降 量最大值 ;V i 为施工引起的隧道单位长度的地层
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第 3 期 刘 波等 : 地铁双隧道施工诱发地表沉降预测研究与应用
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我国地铁等地下工程建设正处于迅猛发展的 重要时期 . 暗挖地铁施工对土体产生不同程度扰动 或破坏 ,造成地层移动与变形 ,甚至诱发地面沉陷 、 基坑垮塌 、 隧道涌水 、 周边建筑物与地下管线损害 等地层环境损伤问题或灾害事故 . 因此 , 地铁施工 诱发地层环境损伤控制问题是亟待深入研究的重 要课题[ 128 ] . 本文开发了地铁隧道施工诱发地层环 境损伤预测评价与控制设计系统 ( subway t unne2 ling2induced gro und2enviro nment2damage assess2 ment and co nt rol design system ,S TEAD) 系统 ; 成 功实现了弹塑性理论分析 、 修正 Peck 法 、 随机介质 理论法等地层横向和纵向变形的正演预测与反分 析计算[ 9 ] ; S T EAD 结合 FL AC3D 的二次开发 , 实现 了不同工况 、 考虑地铁隧道施工过程自动建模与三 维分析 ,并成功应用于多处地铁工程研究 . 在绝大多数地铁区间隧道中 ,常常在同一埋深 地层平行修建两条隧道 ( 上 、 下行线 ) , 通常双隧道 距离较近 ,两平行隧道开挖对地层沉降的影响往往 相互叠加 , 双孔平行隧道建设引起的地层变形比 单一隧道更为复杂 , 沉降预测更加困难 . 由于浅埋 隧道开挖将在隧道周围形成扰动区 ,而通常第二条 隧道要滞后建设 ,如果第二条隧道开挖处于第一条 隧道开挖影响范围之内 ,将导致较大的叠加地表沉 降 . 大部分实例表明 ,在城市地铁区间隧道建设中 , 双孔平行隧道施工的相互影响不可以忽略 . 本文将 在已有研究基础上[ 9212 ] ,探讨双孔平行隧道施工诱 发地表沉降的预测理论与数值实现问题 ,结合地铁 工程实例进行了预测研究与验证 .
Prediction for Ground Subsidence Induced by Subway Double Tube Tunneling
L IU Bo , TAO Lo ng2guang , DIN G Cheng2gang , L I Huan , PAN Qiang , GAO Xia
( School of Mechanics and Civil Engineering , China U niversity of Mining & Technology , Beijing 100083 , China)
损失 .
exp H+ b H- b
π tan2β( L ξ 2 X - ) d ξ ηd 2 η 2
2 ) 2 +L/ 2 b - ( H-η 2 ) 2 +L/ 2 b - ( H-η
式中 : S ( y ) 为纵向地表沉降量 , m ; y 为沉降点至坐 标轴原点的距离 , m ; y i 为盾构推进起点处盾构开 挖面至坐标轴原点的距离 , m ; y l 为盾构开挖面至 坐标轴原点的距离 , m ; y i′= y i - l ; y l′= y l - l ;
V L 1 为盾构开挖面引起的地层损失 , m / m ( 盾构欠
3
挖时为负值) ; V L 2 为盾构开挖面后因盾尾 “建筑空 隙” 压浆不足及盾构改变推进方向为主的所有施 工因素而引起的地层 损失 , m3 / m ; l 为 盾构 机长 度 , m ;Φ( x ) 为正态函数 ; 由式 ( 3) 计算纵向沉降需 要参数 i 和 V L 1 及 V L 2 3 个参数 . 修正 Peck 法用于双孔平行隧道施工的地表沉 降预测方法如下 . 在大多数地铁区间隧道中 , 常在 地层同一埋深平行修建两条隧道 ( 上 、 下行线) , 如 图 2 所示 ,通常双隧道距离较近 , 开挖相距不远的 两条平行隧道 ,开挖顺序不同 , 双隧道影响往往相 互叠加 . 只有当两条隧道相隔较远时 , 相互影响才 较小 . 如果考虑地表所发生的最终变形 , 可假设叠 加原理仍然适用 , 基于图 2 所示坐标系 , 得到在同 一埋深双孔平行隧道修正 Peck 公式为 ( X + 0. 5L ) 2 S ( X ) = S max exp + 2 i2 ( 4) , ( X - 0. 5L ) 2 S max exp 2 i2 S max =
第 35 卷 第 3 期 中国矿业大学学报 Vol. 35 No . 3 2006 年 5 月 Journal of China U niversity of Mining & Technology May 2006 文章编号 :100021964 ( 2006) 0320356206
在隧道横向沉降 Peck 法基础上 , 刘建航院士 提出负地层损失的概念 [ 2 ] ,得出沿隧道纵轴线的纵 向地表沉降的预测公式
S ( y) = V L1
πi 2
V L2
Φ Φ
y - yi y - yl - Φ i i y - y i′ y - y l′ - Φ i i
+ , ( 3)
πi 2
Vi i
1 修正 Peck 法用于双孔平行隧道施工
的地表沉降预测
图 1 Peck 法地面沉降曲线 Fig. 1 Surface subsidence curve ( After Peck)
1969 年 ,Peck 提出了地层损失的概念和估计
π 2 〗
≈
Vi
2. 5 i
,
( 5)
单隧道施工引起地面沉降的实用方法 . 通过对大量 地表沉降实测数据分析后 , Peck 认为地表沉降槽 近似正态分布曲线 ,假定地面沉降槽的体积等于隧 道施工中产生的地层损失的体积 ,Peck 公式为[ 6 ]
Abstract : The p redictio n and co nt rol of t he gro und surface subsidence are o nes of t he mo st cru2 cial p ro blems in all enviro nmental damages induced by subway t unneling excavatio n. The sub2 way t unnel s are usually excavated and co nst ructed as do uble parallel t ube t unnel s at t he same buried dept h. The space bet ween t he do uble t unnel s is generally sho rt distance. The gro und subsidence2induced by t wo staged t unneling is usually overlapped and is al so hard to p redict co n2 sequently. On t he basis of stochastic medium model and revised Peck gro und volume2lo ss model , t his paper p resent s t he analytical formulatio n for cro ss2sectio nal and lo ngit udinal gro und subsidence p redictio n for do uble parallel t ube t unneling. The Powell optimizatio n t heory was employed fo r subsidence back2analysis for do uble t ube t unneling using f ractio nal field measured settlement result s. The multi2parameter s back2analysis for bot h stochastic medium model and Peck mo del can be f ulfilled easily. Furt hermore , a subway t unneling induced gro und2enviro n2 ment2damage assessment and co nt rolling design ( S TEAD) sof t ware code was developed and in2 t roduced. Finally , t wo case st udies for t he do uble parallel t ube t unneling p roject s were carried o ut to verif y t he validit y and reliabilit y of t he p ropo sed t heory app roaches and sof t ware system. Key words : subway , do uble t ube t unneling excavatio n , cro ss2sectio nal gro und subsidence , Peck mo del , stochastic medium t heo ry
收稿日期 : 2005 09 22 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (50304012) 作者简介 : 刘 波 (19702) ,男 ,湖南省湘潭市人 ,副教授 ,硕士生导师 ,工学博士 ,从事土木工程方面的研究 . E2mail : liub @cumt b. edu. cn Tel : 0102623312922203
S ( x) =
Vl
πi 2
exp -
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x 2 i2
2
,
( 1)
式中 : S ( x ) 为横断面上与隧道轴线距离为 x 地面 点的沉降量 ; V l 为由于隧道开挖引起的地层损失 量 ; i 为沉降槽宽度系数 , 即地表沉降曲线反弯点与 原点的距离 , i 值由下式计算
( 2) , πtan ( 45° 2 - φ / 2) 式中 : H 为覆土厚度 ;φ 为土体内摩擦角加权平均 值. i = H