基于黄土隧道洞口浅埋段的Peck公式修正.pdf
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1、新疆地质XINJIANGGEOLOGY2023年6月Jun.2023第41卷 第2期Vol.41No.2中图分类号:U45文献标识码:A文章编号:1000-8845(2023)02-270-06项目资助:新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目(2022D01A239)、新疆地质灾害防治重点实验室开放基金联合资助收稿日期:2023-02-15;修订日期:2023-04-15;作者E-mail:第一作者简介:许涛(1990-),男,山东德州人,硕士,工程师,2017年毕业于兰州交通大学岩土专业,从事地下工程监测相关的教学、研究工作基于黄土隧道洞口浅埋段的Peck公式修正许涛1,尚彦军1,2,曹小红1
2、,冯建业1,王伟中1,郑晓东1(1.新疆地质灾害防治重点实验室(新疆工程学院),新疆 乌鲁木齐 830000;2.中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029)摘要:黄土隧道洞口施工地表沉降开裂影响施工安全,以往采用 Peck公式进行研究,存在预测精度等问题。为更准确地预测黄土隧道洞口浅埋段地表沉降,以临夏-大河家高速公路胡林家隧道为例,基于进口段实测数据,采用线性回归法对Peck公式进行优化。引入最大沉降量Smax修正系数、降槽宽度i的修正系数和隧道开挖进尺对最大沉降量影响的系数1,确定修正系数得出Peck修正公式。基于洞口浅埋段开挖进尺与最大沉降间的影响关系,发现埋深对Smax修正系
3、数与沉降槽宽度的作用规律,构建黄土隧道洞口浅埋段施工参数对地表沉降关系模型。实测数据样本点分布在修正后的Peck公式上下限之间,修正后的Peck公式误差减少,对临夏等地区黄土隧道洞口浅埋段的适用性较好。关键词:黄土隧道;浅埋段;地表下沉;Peck公式;隧道埋深;开挖进尺目前国内外研究大断面浅埋土质隧道地表沉降特性主要方法有经验法、理论分析法、模型试验法、数值模拟法和现场监测法等1-5。经验公式法在实际工程中应用广泛,其中Peck经验公式在盾构隧道中使用较多,预估值与现场实测值较吻合。Peck公式对不同隧道,参数较难准确确定,对预测结果影响较大。许多学者对Peck公式参数计算方法进行进一步研究,
4、韩煊等统计现有Peck公式参数计算公式,结合适用性,进行了优化6;魏纲通过实测数据统计分析,对地面沉降槽宽度系数与隧道半径、隧道轴线埋深及土质条件(土的内摩擦角)相关性进行研究7;唐晓武等据杭州地铁大量实测数据8,结合Peck公式在软土隧道的适用性,引入最大沉降量修正系数和地表沉降槽宽度修正系数。本文以建临夏-大河家高速公路胡林家隧道监测数据为基础数据源,采用实测数据与Peck公式相结合,分析临夏地区黄土隧道洞口浅埋段特殊条件的适用性,进一步确定Peck公式参数与不同埋深及隧道开挖进尺规律,对Peck公式进行优化,为工程条件类似隧道开挖引起的地表沉降预测提供参考。1 隧道地面沉降规律分析1.1
5、 工程概况在建临夏-大河家高速公路胡林家隧道位于临夏回族自治州积石山县胡家坡。采用分离式,左线长2 074 m,最大埋深159 m;右线长2 064 m,最大埋深153 m。隧道断面为马蹄形,设计净空宽高=8.25 m5.0 m,进口浅埋段地形平缓,采用端墙式洞门。隧道穿越地层物理参数见表1,隧道地表沉降监测点布置见图1。1.2 Peck经验公式解析Peck通过大量隧道地表沉降数据归纳统计,发现隧道开挖体积大于竣工隧道体积,认为地表沉降由地层损失引起,提出隧道施工地表横断面上沉降类型粉土黏土黄土重度/km/m317.017.516.5弹性抗力系数K/Mpa/m10012090地基承载力基本容许
6、值/Kpa110130110泊松比0.400.450.40粘聚力c/Mpa0.020.010.02内摩擦角/252822表1 隧道穿越地层各土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of each soil layer in the tunnel crossing stratum第41卷第2期许涛等:基于黄土隧道洞口浅埋段的Peck公式修正分布可用高斯分布曲线拟合。地表沉降横向分布曲线见图2。Attewell等分析认为隧道开挖过程中在排水情况下9,地表沉降体积等于地层损失,隧道上方地表沉降在横向上呈一条近似正态的分布曲线。横向地表沉降
7、及最大沉降量计算式如下:S()x=Smax-x22i2(1)Smax=D2Vs4i 2=0.313VsD2i(2)式中:S()x地层损失引起的地表沉降值,mm;x到隧道轴线的距离;Smax隧道中心轴线地表沉降最大值;D隧道直径,m;Vs隧道土体损失率,取值1%2%;i沉降槽宽度系数,即沉降曲线拐点到对称中心距离。O Reilly和 News等给出10:i=0.43z+1.1(3)式(3)适用于粘性土,z为隧道中心到地表距离,适用范围3 mz34 m。1.3 Peck公式回归分析对Peck经验公式两端取对数,得到:lnS()x=lnSmax+1i2-x22(4)lnS()x和-x22为变量进行回
8、归分析,lnSmax为常数项;1i2为线性系数。此式可 带 入 隧 道 地 表 沉 降 实 测 数 据,并 绘 制lnS()x-x22图像,用作Peck经验公式研究。线性回归变换如下:Sxx=-x2i22-1nx2i22(5)Sxy=-x2i2lnS()xi-1n-x2i22lnS()xi(6)Syy=lnS2xi-1nlnSxi2(7)b=SxySxx(8)a=-lnS()xi-b-()-x2i/2(9)得到回归方程(9),xi为第i个监测点距离隧道轴线水平距离x;n为同一断面监测点数量。lnS()x=a+b-x2i2(10)即得:Smax=exp()a(11)i=1/b(12)S()x=e
9、xp()a-bx22(13)将式(11)、(12)带入式(1),可得回归计算后的图1 隧道地表沉降监测点布置图Fig.1 Arrangement of tunnel surface settlement monitoring points(单位:m)图2 地表沉降横向分布曲线示意图Fig.2 Schematic diagram of the lateral distribution curveof surface settlement271新疆地质2023年peck公式(13)。1.4 胡林家隧道浅埋段监测数据回归分析胡林家隧道进口地形平缓,布设监测点较多,监测点较少被破坏,所以选取断面JY1
10、、断面JY2实测数据进行回归分析。断面JY1距隧道暗挖起始点8.0 m,隧道轴线到地表距离7.7 m;断面JY2距隧道暗挖起始点18.1 m,隧道轴线到地表距离8.3 m;监测数据转换见表2,3。由图3,4可得,JY1断面沉降变形与水平距离回归方程:lnS()x=4.585+0.0415-x22,线性相关系数R2=0.978 7;JY1回归方程:lnS()x=4.7832+0.0518-x22,线性相关系数R2=0.974 6。由图5,6可知,Peck经验公式曲线与实测数据曲线偏差较大,通过对沉降监测数据的线性回归分析计算得出相关拟合参数的修正Peck公式,对隧道开挖引起的地表沉降预测效果较好
11、。3种地表变形曲线所得最大沉降值,断面 JY1 分别为:实测值107.1 mm、拟合值98.0 mm、原Peck公式68.0 mm,拟合修正值与实测值间相差9.1 mm,偏差较小,约8.5%。Peck经验公式预测的最大地表沉降值与实测值相差39.1 mm,偏差较大,约36.5%;断面JY2分别为:实测值105.9 mm、拟合值103.3 mm、原Peck 公式63.0 mm,拟合修正值与实测值间相差2.6 mm,偏差较小,约2.5%。Peck 经验公式预测的最大地表沉降值与实测值相差42.9 mm,偏差较大,约40%。因此,需对Peck公式进行修正,修正后的Peck公式能准测点JY1-1JY1
12、-2JY1-3JY1-4JY1-5JY1-6JY1-7JY1-8JY1-9JY1-10JY1-11JY1-12x/m-12.4-10.7-7.7-5.4-3.7-1.02.03.45.17.39.615.6S(x)/mm2.00.04.0-2.09.08.09.04.0-3.08.0-5.0-2.0-x2/2-76.9-57.2-29.6-14.6-6.8-0.5-2.0-5.8-13.0-26.6-46.1-121.7InS(x)0.50.81.41.62.22.32.21.91.61.41.1-0.1测点JY2-1JY2-2JY2-3JY2-4JY2-5JY2-6JY2-7JY2-8JY2
13、-9JY2-10 x/m-10.9-7.8-5.7-4.0-3.00.93.14.77.19.4S(x)/mm5.631.953.372.784.296.979.162.428.713.4-x2/2-59.4-30.4-16.2-8.0-4.5-0.4-4.8-11.0-25.2-44.2InS(x)1.73.54.04.34.44.64.44.13.42.6表2 胡林家隧道进口断面JY1监测数据转换Table 2 JY1 monitoring data conversion at the inlet sectionof the Hulinjia tunnel表3 胡林家隧道进口断面JY2监测
14、数据转换Table 3 JY2 monitoring data conversion at the inlet sectionof the Hulinjia tunnel图3 断面JY1实测数据回归分析曲线图Fig.3 Regression analysis curve of measured dataof section JY1图4 断面JY2实测数据回归分析曲线图Fig.4 Regression analysis curve of measured dataof section JY2272第41卷第2期许涛等:基于黄土隧道洞口浅埋段的Peck公式修正确预测黄土隧道浅埋段施工过程中地表沉降
15、。2 Peck公式修正和分析据上节分析,Peck经验公式难以准确预测隧道地表沉降,需进行修正。从图5,6中可见,Peck经验公式所得最大地表沉降量偏小,因此引入地表最大沉降量Smax修正系数和沉降槽宽度i的修正系数11,改进后的Peck公式为:S()x=()Smax-x22()i2(14)Smax为Peck公式初始计算所得最大地表沉降值,i为Peck公式初始计算所得沉降槽宽度。上式两端取对数进行线性处理,可得:lnS()x=ln()Smax+1()i2-x22(15)断面JY1监测数据线性回归分析计算得出相关拟合参数修正Peck公式:lnS()x=a+b-x2i2(16)lnS()x=4.58
16、5+0.0415-x22(17)结合式(14)、式(15),可得:=()expa/Smax(18)=1/()b0.5i(19)则有,=1.44,=1.11。断面JY2监测数据线性回归分析计算得出相关拟合参数的修正Peck公式:lnS()x=4.659+0.0474-x22(20)同理则有,=1.67,=0.96。按以上地表最大沉降量Smax修正系数和沉降槽宽度i的修正系数的计算方法:式(18)、(19),选取临夏-大河家高速公路项目9个隧道浅埋段的21组监测断面实测数据为样本,进行计算分析,得到不同断面相应修正系数。可知地表最大沉降量Smax修正系数和沉降槽宽度i的修正系数均与隧道埋深 Z 有
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