地铁盾构施工引起的地表沉降预测研究

Joural of Securit ad Safet Techolog 安 防 技 术, 013, 1, 8-36 http://dx.doi.org/10.1677/jsst.013.13006 Published Olie December 013 (http://www.haspub.org/joural/jsst.html) Predictio of Groud Subsidece Caused b Metro Shield Costructio * Pegfei Li 1, Ligzhi Yag, Equa Fag 1 Beijig Agile Tech Egieerig Cosultig Co., Ltd., Beijig Guagzhou Metro Corporatio, Gguagzhou Email: lpf8588@163.com Received: Nov. 4 th, 013; revised: Nov. 18 th, 013; accepted: Nov. 4 th, 013 Copright 013 Pegfei Li et al. This is a ope access article distributed uder the Creative Commos Attributio Licese, which permits urestricted use, distributio, ad reproductio i a medium, provided the origial work is properl cited. I accordace of the Creative Commos Attributio Licese all Coprights 013 are reserved for Has ad the ower of the itellectual propert Pegfei Li et al. All Copright 013 are guarded b law ad b Has as a guardia. Abstract: Based o the Guagfo lie subwa project uder costructio of the Guagzhou subwa, the article studies the rules of the shield costructio of surface trasverse ad logitudial settlemet. It refers to a predictio model usig iterpolatio method ad least square method. Ad the model is applied to the iformatio sstem as a predictio tool for shield costructio site ear the groud surface settlemet. Kewords: Shield; Surface Subsidece; Predictio Model * 地 铁 盾 构 施 工 引 起 的 地 表 沉 降 预 测 研 究 李 鹏 飞 1, 杨 玲 芝, 方 恩 权 1 北 京 安 捷 工 程 咨 询 有 限 公 司, 北 京 广 州 市 地 下 铁 道 总 公 司, 广 州 Email: lpf8588@163.com 收 稿 日 期 :013 年 11 月 4 日 ; 修 回 日 期 :013 年 11 月 18 日 ; 录 用 日 期 :013 年 11 月 4 日 摘 要 : 本 文 依 托 广 州 地 铁 广 佛 线 在 建 地 铁 工 程 研 究 了 盾 构 施 工 时 地 表 横 向 纵 向 沉 降 的 规 律 ; 提 出 一 种 利 用 插 值 法 最 小 二 乘 法 的 预 测 模 型, 并 将 模 型 应 用 到 信 息 系 统 实 现 对 盾 构 施 工 时 刀 盘 附 近 地 表 沉 降 的 预 测 关 键 词 : 盾 构 ; 地 表 沉 降 ; 预 测 模 型 1. 引 言 地 铁 建 设 为 一 个 高 风 险 工 程, 其 投 资 回 报 率 低, 安 全 风 险 高, 专 业 性 要 求 高 特 种 设 备 多, 导 致 安 全 事 故 时 有 发 生, 建 ( 构 ) 筑 物 管 线 遭 到 破 坏 随 着 盾 构 法 在 地 铁 建 设 中 的 普 及, 越 来 越 多 的 地 铁 线 路 采 用 盾 构 法 进 行 施 工, 而 该 方 法 在 岩 层 内 的 施 工 过 程 中, 必 定 造 成 地 层 损 失, 引 发 地 表 沉 降, 进 而 造 成 地 面 建 筑 物 或 者 管 线 的 变 形 破 坏, 从 而 引 发 经 济 纠 纷 与 信 访 * 基 金 项 目 : 广 州 市 科 技 计 划 项 目 资 助 (011Y5-00009) 事 件 的 发 生 因 此 对 盾 构 施 工 引 起 的 地 表 沉 降 进 行 研 究, 建 立 一 种 相 对 准 确 可 应 用 性 高 的 预 测 方 法 并 应 用 到 地 铁 建 设 工 程 中 是 很 有 必 要 的. 研 究 现 状 国 内 外 的 学 者 与 工 程 技 术 人 员 已 经 对 盾 构 施 工 引 起 的 地 表 沉 降 预 测 方 法 研 究 了 半 个 世 纪, 取 得 了 一 些 理 论 成 果 与 方 法 [1], 主 要 有 4 类 : 8 Ope Access

经 验 公 式 法 : 主 要 是 基 于 PECK [] 公 式 进 行 修 正 或 总 结 不 同 地 层 的 经 验 公 式 此 类 方 法 对 地 层 条 件 要 求 较 高, 准 确 率 有 待 提 高 数 值 分 析 法 : 主 要 采 用 有 限 元 法 有 限 差 分 法 加 权 余 量 法 和 边 界 元 法, 结 合 计 算 软 件 进 行 预 测 该 方 法 准 确 率 较 高, 但 该 方 法 对 使 用 者 知 识 水 平 要 求 较 高, 在 工 程 实 践 中 得 到 广 泛 推 广 应 用 并 不 现 实 神 经 网 络 法 : 该 方 法 利 用 已 开 挖 的 隧 道 现 场 实 测 变 形 数 据, 通 过 建 立 数 据 模 型 可 较 好 地 预 测 后 续 开 挖 施 工 引 起 的 地 层 变 形 神 经 网 络 法 将 盾 构 机 掘 进 参 数 与 地 表 沉 降 关 联 起 来 进 行 分 析, 与 信 息 技 术 结 合 后 可 以 更 加 便 捷 直 观 的 指 导 施 工, 但 目 前 只 在 科 研 中 得 到 应 用, 并 未 在 工 程 实 践 中 应 用, 是 未 来 的 发 展 趋 势 模 型 试 验 段 法 : 该 方 法 通 过 相 似 理 论 建 立 模 型, 对 开 挖 进 行 模 拟, 以 实 验 数 据 来 预 测 实 际 沉 降 该 方 法 成 本 较 高, 一 般 适 用 于 特 大 型 工 程 尽 管 国 内 外 对 于 隧 道 施 工 引 起 的 地 表 沉 降 己 经 进 行 了 大 量 的 工 作, 但 是 基 于 经 验 公 式 结 合 信 息 化 技 术 对 地 表 沉 降 进 行 预 测 研 究 的 并 不 多, 有 必 要 研 发 基 于 信 息 化 技 术 的 预 测 模 型 3. 理 论 基 础 Peck [] 系 统 地 提 出 了 地 层 损 失 的 概 念 和 预 测 隧 道 开 挖 引 起 地 表 沉 降 的 实 用 方 法, 即 Peck 公 式 : 隧 道 开 挖 在 不 排 水 情 况 下 所 形 成 的 地 表 沉 降 槽 的 体 积 应 等 于 地 层 损 失 的 体 积, 假 定 地 层 损 失 在 整 个 隧 道 开 挖 方 向 上 均 匀 分 布, 并 提 出 了 横 向 的 地 表 沉 降 槽 近 似 成 正 态 高 斯 分 布 的 概 念, 即 Peck 曲 线 如 式 (1) 所 示 x Sx Smax exp (1) i 式 中 :S(x) 测 点 距 隧 道 轴 线 距 离 为 x 米 的 地 表 沉 降 量,mm;S max(x) 测 点 距 隧 道 轴 线 距 离 为 x 米 的 地 表 沉 降 量,mm;i 曲 线 反 弯 点 距 隧 道 中 心 的 距 离,m;x 隧 道 两 侧 横 向 上 距 隧 道 中 心 的 水 平 距 离, m 诸 多 学 者 已 经 证 实 盾 构 隧 道 开 挖 所 引 起 的 横 向 地 表 沉 降 形 状 近 似 服 从 正 态 分 布, 沉 降 曲 线 为 正 态 曲 线 Peck 研 究 了 地 表 沉 降 的 横 向 变 向 规 律, 用 函 数 的 形 式 表 示 地 表 横 向 沉 降 的 曲 线 为 正 态 分 布 曲 线, 即 Peck 曲 线, 如 图 1 所 示 4. 地 表 沉 降 规 律 Figure 1. Peck curve diagram 图 1. Peck 曲 线 示 意 图 由 Peck 理 论 公 式 可 知, 盾 构 施 工 引 起 的 地 表 沉 降 断 面 的 沉 降 槽 曲 线 服 从 高 斯 分 布 [3], 因 此 需 要 计 算 地 表 最 大 沉 降 值 沉 降 槽 宽 度 系 数 对 应 的 曲 线 分 布 4.1. 地 质 概 况 该 盾 构 隧 道 区 间 段 主 要 的 岩 层 有 : 红 色 砂 岩 的 各 风 化 带 ; 侵 入 岩 的 各 风 化 带 ; 炭 质 灰 岩 的 各 风 化 带 ; 灰 岩 的 各 风 化 带 ; 混 合 花 岗 岩 的 各 风 化 带 ; 流 纹 质 英 安 斑 岩 或 英 安 斑 岩 的 各 风 化 带 地 铁 隧 道 期 间 穿 越 几 个 不 同 规 模 的 褶 皱 和 断 裂 带 使 得 地 铁 施 工 过 程 对 地 表 影 响 较 大 且 施 工 存 在 一 定 的 风 险 4.. 沉 降 曲 线 分 析 下 面 分 别 研 究 地 表 最 大 沉 降 值 对 应 的 纵 断 面 地 表 沉 降 变 形 规 律 以 及 沉 降 槽 宽 度 系 数 对 应 的 横 断 面 地 表 沉 降 规 律 4..1. 横 断 面 地 表 变 形 规 律 分 析 1) 数 学 分 析 由 于 Peck 对 盾 构 隧 道 掘 进 引 起 的 地 表 沉 降 分 布 规 律 曲 线 为 非 线 性 函 数, 为 了 便 于 进 行 回 归 分 析 计 算, 需 要 将 Peck 公 式 变 位 线 性 对 Peck 公 式 进 行 对 数 计 算 并 回 归 得 到 Peck 公 式 的 回 归 模 型 为 : l ˆ ˆ x S x a b () 式 中 :x i 第 i 个 监 测 点 距 离 隧 道 轴 线 的 代 数 值 ; 样 本 监 测 点 个 数 ;a 常 数 项 的 最 小 二 乘 估 计 值 ;b 线 性 系 数 的 最 小 二 乘 估 计 值 3i Ope Access 9

由 上 式 可 以 得 到 回 归 后 的 S max 及 i 即 : S expaˆ (3) max b ˆ 0.5 i 1 (4) 将 式 (3) 与 式 (4) 代 入 Peck 即 可 得 到 以 实 测 数 据 回 归 后 的 代 表 实 测 数 据 分 布 的 Peck 曲 线 ) 实 测 数 据 分 析 选 取 某 盾 构 区 间 的 YDK1 + 850 断 面 的 实 测 数 据 为 例 进 行 分 析 如 下 图 所 示 : 其 中 Y 0 为 右 线 隧 道 正 上 方 测 点, 选 其 横 坐 标 为 0,Z 0 为 左 线 隧 道 正 上 方 测 点 M 为 左 右 线 中 间 位 置 其 测 点 布 置 位 置 如 下 图 所 示 实 测 数 据 如 下 表 1 所 示 根 据 表 1 做 地 表 沉 降 曲 线 分 布 散 点 图 如 下 图 3 由 图 3 可 知, 右 线 的 最 大 沉 降 点 并 不 在 右 线 隧 道 正 上 方 位 置, 而 是 在 右 线 靠 右 大 约 4~5 m 的 位 置 发 生 此 现 象 的 原 因 可 能 是 受 左 线 隧 道 先 行 的 影 响 为 了 便 于 计 算, 将 0 点 向 左 移 5 m, 即 M 测 点 的 位 置 为 坐 标 0 点, 重 新 整 理 及 各 变 量 转 换 表 如 下 表 通 过 上 表 所 示 实 测 地 表 沉 降 数 据, 使 用 公 式 分 别 对 S S 和 S xx x 进 行 计 算 利 用 公 式 对 回 归 后 常 数 项 a 和 回 归 后 线 性 系 数 进 行 计 算, 可 得 a 为 1.3099, b 为 0.0089 则 回 归 后 的 线 性 函 数 为 : X 的 取 值 范 围, 画 出 拟 合 后 的 Peck 曲 线 并 与 实 测 数 据 进 行 对 比, 如 图 4 所 示 Figure. H-S iterval measurig poit laout 图. H-S 区 间 测 点 布 置 图 Table 1. Surface subsidece data 表 1. 地 表 沉 降 数 据 测 点 名 称 Z 0 M Y 0 Y 0 Y X(m) 10 5 0 5 10 地 表 沉 降 量 (mm) 0 0 10 0 10 0 5 测 点 距 轴 线 的 距 离 (m) Figure 3. Surface subsidece profile 图 3. 地 表 沉 降 分 布 曲 线 x l Sx1.3099 0.0089 (3) 用 式 (3) 与 式 (4) 可 以 计 算 得 出 S max 为 3.705803 mm,i 为 10.59998 m 将 S max 与 i 的 值 代 入 公 式 (), 可 以 得 到 经 实 测 数 据 回 归 后 的 Peck 公 式 : x Sx3.705803exp 4.7 (4) 也 就 得 到 了 拟 合 后 的 Peck 曲 线 以 正 负 0 米 为 Figure 4. Peck curve fittig with the measured data after compariso chart 图 4. 拟 合 后 的 Peck 曲 线 与 实 测 数 据 对 比 图 Table. Regressio data coversio table 表. 回 归 数 据 转 换 表 里 程 样 本 点 Z 0 M Y 0 Y 0 Y X/m 5 0 5 10 15 YDK1 + 850 S(X)/mm. 4.6 3.9.4 1.4 x / 1.5 0 1.5 50 11.5 LS(x) 0.78845736 1.560563 1.3609766 0.8754687 0.33647 30 Ope Access

从 图 4 中 发 现, 拟 合 后 的 Peck 曲 线 与 实 测 数 据 点 的 吻 合 程 度 较 高, 因 而 可 以 这 样 认 为 用 实 测 数 据 拟 合 的 Peck 曲 线 可 以 用 来 表 示 实 测 数 据 的 地 表 沉 降 分 布 本 文 所 研 究 的 实 测 数 据 都 将 以 一 元 线 性 回 归 的 方 式 用 沉 降 槽 表 示 [4] 4... 盾 构 掘 进 时 纵 断 面 地 表 变 形 规 律 分 析 选 取 广 佛 线 某 盾 构 区 间 左 右 线 隧 道 正 上 方 的 观 测 点 来 分 析, 根 据 监 测 方 案, 在 线 路 中 线 上 方 地 面 每 隔 10 m 布 设 一 个 沉 降 观 测 点, 当 这 些 点 位 于 盾 构 掘 进 沉 降 影 响 范 围 时, 考 察 在 同 一 时 间 这 些 观 测 点 沉 降 量 的 分 布 情 况 以 刀 盘 位 置 里 程 为 横 坐 标 的 坐 标 0 点, 整 理 6 个 刀 盘 位 置 前 方 5 m 至 后 方 30 m 范 围 内 Y 0 的 沉 降 值 如 下 表 3 所 示 根 据 以 上 数 据 作 出 同 一 时 间 刀 盘 前 后 测 点 沉 降 量 变 化 曲 线, 其 中 横 坐 标 0 点 为 刀 盘 位 置, 纵 坐 标 为 测 点 的 累 计 沉 降 量 由 图 5 中 可 发 现, 在 土 压 平 衡 盾 构 机 采 取 同 步 注 浆 的 掘 进 情 况 下, 在 机 头 前 方 0 m 到 前 方 9 m 范 围 内 地 面 呈 正 沉 降 状 态, 并 向 靠 近 刀 盘 方 向 在 原 有 的 沉 降 上 逐 渐 相 对 隆 起, 但 仍 未 超 过 0, 地 面 发 生 轻 微 沉 降, 沉 降 值 未 超 过 5 mm; 在 刀 盘 前 方 8~9 m 处, 相 对 隆 起 到 达 最 大 值, 接 近 0 mm, 地 面 基 本 无 沉 降 迹 象, 部 分 出 现 轻 微 沉 降 ( 沉 降 量 小 于 1 mm) 大 约 在 刀 盘 前 方 8 m( 三 菱 盾 构 机 长 度 约 为 8.7 m) 左 右 开 始 产 生 相 对 沉 降 趋 势, 一 直 到 机 头 后 方 16 m 左 右, 是 沉 降 的 主 要 发 展 阶 段, 这 个 范 围 的 地 层 主 要 受 盾 构 刀 盘 旋 转 及 开 挖 面 出 土 卸 载 影 响 ( 刀 盘 前 方 5 m 左 右 ) 以 及 盾 构 机 通 过 时 盾 壳 对 围 岩 扰 动 的 影 响 ( 刀 盘 后 方 约 15 m) 在 刀 盘 后 方 15 m 以 后 逐 渐 趋 于 稳 定, 或 者 出 现 相 对 隆 起 的 现 象 在 这 个 范 围 盾 构 机 机 体 已 通 过, 减 少 了 地 层 的 扰 动, 再 者 盾 尾 脱 出 后 产 生 的 建 筑 空 隙 被 盾 尾 同 步 注 浆 的 浆 液 迅 速 补 充, 减 少 了 地 层 的 损 失 从 而 有 效 的 减 少 了 地 表 的 进 一 步 沉 降 [5] ( 说 明 : 以 上 结 果 是 盾 尾 同 步 注 浆 正 常 发 挥 作 用 的 情 况, 如 注 浆 压 力 设 置 过 大 或 者 过 小, 注 浆 量 速 率 偏 大 或 偏 小 注 浆 A 液 与 注 浆 B 液 比 例 不 合 理 时, 盾 尾 过 后 还 会 产 生 相 当 大 的 后 期 沉 降, 根 据 实 践 表 明 : 只 要 注 浆 不 正 常, 往 往 会 出 现 比 较 大 的 沉 降 量 [6] ) Table 3. Statistics sectio settlemet 表 3. 断 面 沉 降 统 计 表 刀 盘 里 程 坐 标 测 值 (Y/m, S()/mm) YDK + 60 YDK + 6 YDK + 64 YDK + 67 YDK + 93 YDK + 30 Y 10 0 10 0 30 S() 1.97 1.85 1.9.9.57 Y 1 8 18 8 S() 1.68 1. 1.06.0 1.08 Y 14 4 6 16 6 S() 1.85 0.55 1.1 1.69 1.15 Y 17 7 3 13 3 S().05 0.59 1.8 1.96 1.39 Y 3 13 3 7 17 S().97 3.98 4.13 1.6 3.7 Y 3 1 8-18 S() 3.46 4.69 4.7 1.4 3.37 Figure 5. Vertical distributio of surface subsidece curves 图 5. 地 表 沉 降 纵 向 分 布 曲 线 Ope Access 31

5. 预 测 模 型 施 工 期 的 地 表 沉 降 分 为 沿 掘 进 方 向 的 纵 向 沉 降 以 及 垂 直 掘 进 方 向 的 横 向 沉 降 其 中 某 个 点 的 沉 降 值 最 终 以 该 处 所 处 的 沉 降 槽 来 表 示 因 此 施 工 期 的 地 表 沉 降 主 要 是 以 沿 掘 进 方 向 刀 盘 前 5 m 到 刀 盘 后 5 m 距 离 间, 任 意 横 向 沉 降 槽 的 沉 降 曲 线 及 方 程 根 据 Peck 公 式, 要 想 求 得 某 点 的 沉 降 预 测 值, 需 要 知 道 该 点 所 处 断 面 的 最 大 沉 降 值 S 以 及 沉 降 槽 宽 度 系 数 i 5.1. 纵 向 沉 降 值 S 盾 构 施 工 引 起 的 地 表 沉 降 是 由 多 种 原 因 综 合 作 用 而 成, 包 括 地 质 情 况 盾 构 机 掘 进 参 数, 刘 建 航 的 地 表 沉 降 预 测 公 式 也 是 考 虑 土 体 盾 构 机 外 径 等 并 没 有 对 千 斤 顶 总 推 力 掘 进 速 度 出 土 量 注 浆 量 等 因 素 进 行 分 析, 它 是 多 种 因 素 综 合 作 用 的 结 果, 因 此 对 刀 盘 前 后 方 的 预 测 难 度 较 大 本 文 中 利 用 施 工 时 采 集 的 5 个 纵 向 地 表 沉 降 监 测 值 来 进 行 预 测, 准 确 率 较 高 施 工 时 的 地 表 沉 降 纵 向 断 面 监 测 值 采 用 的 方 法 是 沿 隧 道 掘 进 方 向 的 轴 线 上, 每 隔 10 m 布 设 一 个 监 测 点, 刀 盘 前 后 通 常 有 5 组 监 测 点, 即 有 5 组 数 据 本 文 利 用 施 工 时 采 集 的 若 干 点 实 测 值, 利 用 拉 格 朗 日 插 值 法 对 刀 盘 前 后 的 纵 向 地 表 沉 降 进 行 拟 合, 得 到 地 表 纵 向 最 大 沉 降 的 预 测 值 为 了 构 造 通 过 + 1 个 互 异 点 上 的 次 数 不 超 过 的 插 值 多 项 式 S m (), 可 以 设 想 将 插 值 多 项 式 S m () 表 示 成 +1 个 次 多 项 式 的 线 性 组 合, 即 其 中 S i0 0 0 1 1 i i i j (7) j0 ji 为 次 多 项 式 将 式 (7) 代 入 式 (6) 后 得 到 i j (8) S i0 j0 ji (6) 将 给 定 的 条 件 S f i 代 入 式 (8) 后 得 到 :, 0,1,, i i 从 中 可 以 解 出 j f i i j0 ji i f x 1 i i j (9) j0 ji 最 后 将 式 (9) 代 入 式 (8) 后 得 到 : x x i0 j0 xi x j j i j i (10) S f x 式 (10) 为 构 造 的 监 测 数 据 拟 合 多 项 式, 利 用 已 知 监 测 数 据 可 以 得 到 该 区 间 范 围 内 任 意 点 的 测 值 5.. 横 向 沉 降 槽 宽 度 系 数 i 盾 构 施 工 引 起 的 地 表 沉 降 槽 宽 度 并 不 是 一 成 不 变 的, 而 是 随 着 盾 构 掘 进 不 断 变 化 的, 表 现 为 刀 盘 前 无 穷 远 处 i = 0, 越 靠 近 刀 盘 越 大, 然 后 刀 盘 通 过 后 趋 于 稳 定 下 表 4 统 计 了 某 盾 构 区 间 离 刀 盘 不 同 距 离 的 断 面 沉 降 值 距 刀 盘 距 离 /m Table 4. Sectios settlemet data 表 4. 断 面 沉 降 数 据 Z 0 沉 降 值 /mm M 沉 降 值 /mm Y 0 沉 降 值 /mm Y 1 沉 降 值 /mm 10 1.1 0.9 0.7 0.1 6 1. 1.3 0.6 0. 5 1.1 1.3 0.5 0.5 35 0.6 1.0 0.9 0.7 19 1.3 1.0 0.6 0. 1 0.7.6 0.1 0. 1 1.5 3.5 0.1 0. 18 1.8 1.9 1. 0.4 10. 1.4 1.5 0.7 9.4 1.5 1.5 0.7 0 0.6.5 0.5 0. 8 1.1.3 0. 0.1.3 1.5 1.3 0. 1 0. 1.3 0.1 0.4 9.8 0.8 1.6 0.4 3 Ope Access

采 用 线 性 回 归 方 法 得 出 这 些 断 面 的 宽 度 系 数, 具 体 如 下 表 5 所 示 基 于 表 5 的 数 据 做 散 点 图 6, 观 察 沉 降 槽 宽 度 系 数 与 断 面 到 刀 盘 距 离 的 关 系 由 表 可 知, 在 5 m 外 沉 降 槽 宽 度 为 0, 从 5 m 到 刀 盘 逐 渐 增 大, 大 约 在 刀 盘 前 L(L 恰 好 等 于 盾 构 机 长 度 ) 处 时, 趋 于 稳 定, 该 曲 线 类 似 于 对 数 函 数 曲 线 假 设 该 曲 线 服 从 l i a L b的 函 数, 现 在 对 曲 线 进 行 拟 合 L 表 示 刀 盘 前 方 距 刀 盘 L 处 的 沉 降 槽 宽 度 为 0, 即 此 处 地 面 不 发 生 沉 降 或 者 隆 起 此 处 L 5 m 则 原 函 数 变 为 : i al 5 b (11) 由 于 函 数 形 式 为 非 线 性, 为 了 便 于 回 归, 以 l 5 x 归 模 型 为 : 为 回 归 自 变 量, 将 函 数 转 换 为 线 性 故 回 ˆ i aˆ l 5 b (1) 对 表 5 进 行 数 据 转 换 如 下 表 6 所 示 对 其 进 行 一 元 线 性 回 归 得, aˆ.5678, bˆ 1.5639, 可 知 该 区 域 内 沉 降 槽 的 宽 度 系 数 曲 线 为 :.5678l 5 1.5639 (13) 在 实 际 工 程 中, 往 往 不 能 直 接 收 集 到 沉 降 槽 的 宽 度 系 数, 而 是 通 过 Peck 进 行 估 算, 因 此 本 研 究 中 考 虑 沿 轴 线 方 向 变 化 的 沉 降 槽 宽 度 系 数 i 与 修 正 后 Peck [] 公 式 得 到 宽 度 系 数 i 之 间 的 关 系 因 此 需 要 对 i 进 行 数 据 转 换 ( 表 7) 得 到 回 归 方 程 为 : i i 0.1975l 5 0.103 (14) [] 利 用 修 正 后 Peck 公 式 参 数 i 得 出 沿 隧 道 掘 进 方 向 i 与 的 变 化 规 律 : H R i 0.1975l 5 π ta 45 0.103 5.3. 预 测 模 型 (15) 根 据 4.1 4. 小 节 得 出 的 纵 向 地 表 沉 降 规 律 计 算 方 法 与 沉 降 槽 宽 度 系 数 计 算 公 式, 采 用 修 正 后 的 Peck [] 公 式 得 出 刀 盘 前 5 m 到 后 方 5 m 的 地 表 沉 降 计 算 公 式 x S盾 构 x, S exp i H R i 0.1975l 5 0.103 π ta 45 j S f i i0 j0 i j j i 式 中 : (16) Table 5. Settlemet trough width coefficiet data tables sectio of the cutter distace 表 5. 沉 降 槽 宽 度 系 数 与 断 面 到 刀 盘 距 离 的 数 据 统 计 表 Y/(m) 10 6 5 19 1 1 18 10 9 19 16 1 i /(m) 9.6 10.48 1.8 10.78 9.05 8.06 8.64 11.18 9.5 5.06 8.4 9.75.37 Figure 6. Sectioal distace from the cutter groove width ad sedimetatio coefficiet scatterplot 图 6. 断 面 距 刀 盘 距 离 与 沉 降 槽 宽 度 系 数 散 点 图 Ope Access 33

S 为 盾 构 隧 道 轴 线 上 方 的 地 表 沉 降, mm; i 为 盾 构 隧 道 断 面 面 的 沉 降 槽 宽 度 系 数, m; H 覆 土 厚 度, m; R 隧 道 半 径, m; 土 体 内 摩 擦 角, 度 ; x 测 点 距 离 隧 道 轴 线 的 距 离, m; 隧 道 轴 线 上 方 测 点 距 刀 盘 的 距 离, 前 方 为 负, m; 地 表 最 大 沉 降 值 修 正 系 数 ; 沉 降 槽 宽 度 修 正 系 数 Table 6. Regressio data coversio table 表 6. 回 归 数 据 转 换 表 将 该 模 型 嵌 入 信 息 系 统, 参 建 各 方 可 实 时 查 看 刀 盘 附 近 的 沉 降 曲 线, 如 图 7 图 8 所 示 根 据 该 预 测 曲 线, 可 以 查 看 影 响 范 围 内 的 管 线 建 筑 物 沉 降 值 是 否 超 过 预 警 值, 从 而 提 醒 施 工 单 位 采 取 措 施, 避 免 发 生 事 故 5.4. 实 际 应 用 011 年 9 月, 广 州 地 铁 安 全 预 警 与 应 急 平 台 正 式 上 线, 广 州 地 铁 实 现 了 监 测 数 据 的 信 息 化 处 理 013 年 3 月, 盾 构 施 工 引 起 的 地 表 沉 降 预 测 模 型 接 入 系 统, Table 7. Regressio coefficiet coversio table 表 7. 回 归 系 数 转 换 表 序 号 Y/(m) l 5 i /(m) 序 号 /m l 5 i /m i i 1 10 3.5553 9.6 6 3.4340 10.48 3 5 3.401 1.80 4 19 3.784 10.78 5 1 3.581 9.05 6 1 3.6109 8.06 7 18 1.9459 8.64 8 10.7081 11.18 9 9.776 9.5 10 19 1.7918 5.06 11 16.197 8.4 1 3.1355 9.75 13 1 1.3863.37 1 10 3.5553 9.6 0.740 6 3.4340 10.48 0.8064 3 5 3.401 1.80 0.9846 4 19 3.784 10.78 0.89 5 1 3.581 9.05 0.696 6 1 3.6109 8.06 0.600 7 18 1.9459 8.64 0.6646 8 10.7081 11.18 0.8600 9 9.776 9.5 0.7115 10 19 1.7918 5.06 0.389 11 16.197 8.4 0.6338 1 3.1355 9.75 0.7500 13 1 1.3863.37 0.186 Figure 7. Surface subsidece ear the maximum cutterhead 图 7. 刀 盘 附 近 的 地 表 沉 降 最 大 值 34 Ope Access

Figure 8. Cutter distace from 0 m lateral surface subsidece predictive value 图 8. 距 刀 盘 距 离 为 0m 的 地 表 横 向 沉 降 预 测 值 Figure 9. Predicted curve with the measured curve compariso aalsis chart 图 9. 预 测 曲 线 与 实 测 曲 线 对 比 分 析 图 实 现 了 实 测 数 据 与 预 测 数 据 的 对 比 分 析, 有 效 的 防 止 错 误 数 据 的 上 报 以 某 盾 构 区 间 管 线 沉 降 监 测 为 例 : 013 年 4 月 5 日 16:08 时, 测 点 GX + 98 的 实 测 数 据 为 3.0 mm, 预 测 数 据 为 3.495 mm, 误 差 为 8.3%, 如 图 9 所 示 比 较 不 同 时 间 该 点 的 误 差 值, 如 表 8 所 示 结 合 图 9 与 表 8 进 行 分 析 可 知, 当 监 测 数 据 不 出 现 极 值 时, 相 对 误 差 在 10% 以 内 ; 当 监 测 数 据 出 现 极 大 值 或 极 小 值 时, 该 时 间 附 近 的 预 测 值 误 差 较 大 产 生 此 现 象 的 原 因 主 要 有 : 1) 该 预 测 模 型 是 基 于 PECK 公 式 的 修 正 公 式, 是 用 大 量 监 测 数 据 分 析 而 来, 与 实 际 工 程 各 影 响 因 素 相 关 性 并 不 高 ; Table 8. Error aalsis table 表 8. 误 差 分 析 表 测 点 名 称 监 测 时 间 实 测 值 /mm 预 测 值 /mm 绝 对 误 差 相 对 误 差 GX + 98 013/3/7 3.56 3.8 0.8 7.87% 013/4/1 3.6 3.57 0.31 9.51% 013/4/5 3.00 3.5 0.5 8.3% 013/5/.74.50 0.4 8.83% ) 盾 构 机 各 项 掘 进 参 数 对 地 表 沉 降 影 响 较 大, 而 该 模 型 并 未 考 虑 该 因 素 ; 3) 盾 构 机 掘 进 所 遇 到 的 地 质 情 况 是 不 断 变 化 的, 而 地 质 情 况 也 是 影 响 地 表 沉 降 的 主 要 因 素 之 一 ; 4) 该 模 型 为 其 他 学 者 提 供 一 种 新 型 的 基 于 信 息 Ope Access 35

系 统 的 预 测 方 法, 模 型 本 身 仍 需 完 善 6. 结 论 本 文 通 过 对 地 铁 盾 构 施 工 引 起 的 地 表 沉 降 预 测 研 究 得 出 如 下 结 论 : 1) 刀 盘 前 的 地 表 横 断 面 沉 降 与 刀 盘 上 方 的 地 表 横 断 面 沉 降 基 本 服 从 Peck 公 式 曲 线, 因 此 可 以 用 Peck 公 式 来 预 测 刀 盘 前 后 任 意 位 置 横 断 面 的 沉 降 ) 根 据 实 测 数 据 将 盾 构 法 施 工 时 刀 盘 附 近 的 断 面 沉 降 曲 线 进 行 拟 合 发 现 盾 构 掘 进 时 刀 盘 前 0 m 与 刀 盘 后 5~30 m 沉 降 波 动 较 大 其 中 刀 盘 前 0 m 到 刀 盘 前 8~9 m 地 表 呈 相 对 隆 起 状 态 ;9 m 至 带 盘 后 15 m~0 m 附 近 为 沉 降 发 生 较 大 阶 段, 曲 线 斜 率 较 大 ; 刀 盘 后 15 m~30 m 为 沉 降 的 稳 定 阶 段, 曲 线 斜 率 较 小 3) 通 过 对 工 程 实 测 数 据 的 回 归 发 现, 沉 降 槽 宽 度 系 数 在 施 工 期 并 不 是 一 成 不 变 的, 随 着 距 离 刀 盘 位 置 的 改 变 而 不 断 变 化, 越 接 近 刀 盘 沉 降 槽 宽 度 不 断 增 加, 待 盾 尾 通 过 后 趋 于 稳 定, 总 体 呈 对 数 曲 线 分 布 4) 通 过 刀 盘 前 后 对 沉 降 槽 宽 度 系 数 变 化 规 律 与 纵 向 沉 降 值 变 化 规 律 的 研 究 得 到 了 刀 盘 前 5 米 到 刀 盘 后 5 米 范 围 内 的 地 表 沉 降 预 测 模 型 S盾 构 x,, 将 该 模 型 应 用 到 信 息 系 统 中, 使 预 测 结 果 更 为 直 观, 有 利 于 工 程 实 际 应 用 希 望 本 文 的 研 究 结 果 可 为 以 后 类 似 的 盾 构 法 施 工 地 铁 对 地 表 沉 降 规 律 研 究 提 供 一 定 的 借 鉴 和 参 考 参 考 文 献 (Refereces) [1] 李 鹏 飞 (013) 地 铁 盾 构 施 工 引 起 的 地 表 沉 降 预 警 预 测 研 究. 硕 士 论 文, 重 庆 交 通 大 学, 重 庆. [] Peck, R.B. (1969) Deep excavatio ad tuelig i soft groud, State of the art report. Proceedigs of the 7th Iteratioal Coferece o Soil Mechaics ad Foudatio Egieerig, Mexico Cit. [3] 张 厚 美 (010) 盾 构 隧 道 的 理 论 研 究 与 施 工 实 践. 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 出 版, 北 京. [4] 闫 海 生 (011) 典 型 地 质 条 件 下 地 铁 施 工 引 起 地 表 沉 降 规 律 的 研 究. 硕 士 论 文, 太 原 理 工 大 学, 太 原. [5] 刘 志 峰, 隆 文 武 (01) 盾 构 隧 道 施 工 地 表 横 纵 向 沉 降 变 形 分 析. 广 东 土 木 与 建 筑, 3, 64-67. [6] 刘 昌 (007) 盾 构 施 工 引 起 地 表 沉 降 的 研 究. 硕 士 论 文, 西 安 建 筑 科 技 大 学, 西 安. 36 Ope Access