近年来,国内许多城市的地铁工程大多采用双线水平平行盾构施工,其引起的土体变形较大,尤其是地面沉降,会对周边环境和结构物产生潜在危害。目前,国内外对双线平行盾构施工引起的土体变形研究相对较少,研究方法主要有基于Peck公式的经验方法[1-2]、随机介质理论[3]、离心模型实验[4-5]、 边界单元法[6]、有限单元法[7-8]和现场实测法。其中Peck公式法应用较多,有许多学者对Peck公式进行了进一步的研究,提出新的参数选择标准[9-11]。研究表明:Peck公式能够准确地预测单线盾构隧道和双线水平平行盾构隧道近距离时引起的地面沉降,但双线水平平行盾构隧道的“近距离”界定目前尚无人研究。
笔者提出了双线水平平行盾构隧道的相对水平距离系数C,采用三维有限元模拟,将双线平行盾构施工引起的地面沉降曲线与Peck公式相拟合,得到Peck公式的适用范围,对双线平行盾构隧道的“近距离”进行了界定。
如图6~12所示:当L=9m时,模拟值与Peck公式计算值十分吻合;当L=10m时,模拟值与Peck公式计算值也几乎完全重合,最大差异处只有0.5mm的误差;当L=11m时,模拟值与Peck公式计算值开始不吻合,在2条隧道距离中轴线6m的位置处沉降差异逐步增大;从L=11.5m至L=13m时,模拟值与Peck公式计算值之间的差异越来越大。可以看出,数据先在最外侧产生差异,后移向中轴线附近,最后整个区域的地面沉降都可看到明显差异。这表明随着L增大,两数值已明显不吻合。因此L=13m以后的数据笔者就不再重复拟合。
由公式C=L/(h+R),计算9组数据的C值,结果表明:当间距L为9,10,11,11.5,12,12.5,13,14,16m时,C值分别为0.59,0.66,0.73,0.76,0.79,0.82,0.86,0.92,1.05。
由图6~12的拟合结果可知,当L=9m和10m时,地面沉降曲线符合正态分布规律;当L>10m后,地面沉降曲线均不符合正态分布规律。这是由于2条隧道相对距离过大的原因,与理论分析结果一致。因此笔者提出,令C=0.66作为双线水平平行盾构隧道近距离的界限,当C≤0.66时,适合采用Peck公式计算。
下面采用韩昌瑞等[7]和Chehade等[8]人的研究数据,来验证以上结果的可靠性。韩昌瑞等[7]研究表明:令h=3D,当L=2D时,地面沉降曲线符合正态分布,此时C=0.57;当L=3D时,曲线不符合正态分布,此时C=0.86,;当L=4D时,曲线呈W形分布,此时C=1.14。Chehade等[8]研究表明:令h=2.5D,当L=2D时,地面沉降曲线符合正态分布,此时C=0.67;当L>2D后,曲线不符合正态分布,此时C>0.67;当L=3D时,曲线呈W形状分布,此时C=1。以上结果很好地验证了该研究结果的可靠性。
4 结论
1) 当2条隧道近距离时,双线水平平行盾构隧道施工引起的总的地面沉降曲线符合正态分布规律,可以采用Peck公式计算;但随着水平距离的增大,地面沉降曲线不再符合正态分布规律,地面沉降曲线慢慢由V形转变成W形。
2) 提出不能仅根据L值的大小来判断2条隧道是否为近距离,首次提出了相对水平距离系数C=L/(h+R),即相对水平距离与L、h、R有关。可以采用C值来定量的界定2条隧道距离的远近。
3) 将三维有限元模拟数据与Peck公式进行拟合,结果表明可令C=0.66作为双线水平平行盾构隧道近距离的界限。当C≤0.66时,适合采用Peck公式进行计算;当C>0.66时,Peck公式不再适用。该次研究中没有考虑隧道轴线埋深h和土质条件对地面沉降曲线的影响,可作进一步讨论。
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