李 志 建

(中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361006)

0 引言

目前地鐵隧道建設(shè)正處于加速發(fā)展階段，全國越來越多的城市興建地鐵。地鐵線路一般下穿城市中心地段，經(jīng)過建筑物密集區(qū)。因此，地鐵隧道盾構(gòu)開挖產(chǎn)生的地層擾動(dòng)、地表下沉等，容易引起周邊建筑物發(fā)生傾斜、沉降。建筑物的沉降變形輕則引起結(jié)構(gòu)破損，重則發(fā)生倒塌而危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，地鐵盾構(gòu)施工對(duì)周邊建筑物的監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)是地鐵建設(shè)中需解決的問題。

1 盾構(gòu)施工對(duì)鄰近建筑物的影響機(jī)理

地面建筑物的變形是由于地層擾動(dòng)傳遞給建筑物基礎(chǔ)而引起的。在隧道盾構(gòu)推進(jìn)過程中地表將產(chǎn)生各種各樣的變形，例如：下沉、傾斜、水平位移等。建筑物也將受到這些變形的影響。由于建筑物具有一定結(jié)構(gòu)且具有承受附加內(nèi)力的能力，故建筑物變形與地表變形規(guī)律有所不同。建筑物的變形與地表變形之間的相互關(guān)系，是與建筑物基礎(chǔ)的材料、使用年限、結(jié)構(gòu)、長度、寬度、深度、荷載以及地基地質(zhì)條件、建筑物平面形狀等有關(guān)。

地鐵隧道開挖打破了地層的原有的平衡，從而隧道周圍的應(yīng)變場(chǎng)及應(yīng)力等發(fā)生變化，水位也將發(fā)生改變，導(dǎo)致上層土體的沉降和固結(jié)，進(jìn)而擴(kuò)展到附近建筑物地基下面，并由地基傳遞給建筑物基礎(chǔ)，再往上傳遞給建筑結(jié)構(gòu)，引起結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力和變形，或者傾斜、倒塌。同時(shí)，由于建筑物的存在，其自重與基礎(chǔ)剛度也約束了地層的運(yùn)動(dòng)，從而影響隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的變化幅度和變化范圍。因此，隧道與鄰近建筑物是相互作用、相互制約的，其影響機(jī)理具有復(fù)雜性和多樣性[1,2]。

2 工程實(shí)例分析

本文主要通過對(duì)某城市某號(hào)線地鐵某區(qū)間左右線240環(huán)～300環(huán)之間建筑物海關(guān)宿舍樓沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該建筑物為混凝土框架結(jié)構(gòu)，地面以上共7層約21 m。其樁基礎(chǔ)為錘擊灌注樁，長14.5 m，離隧道拱頂垂直距離約1.5 m。樁基礎(chǔ)周圍土層主要是全風(fēng)化變質(zhì)砂巖和強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖層，地質(zhì)條件較差且離隧道拱頂距離較近(平面位置如圖1所示)，中間區(qū)域?yàn)樵摻ㄖ镂恢?，周邊條形區(qū)域?yàn)槎軜?gòu)隧道施工區(qū)域，HG1,HG2,HG9,HG10為布置的四個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)4個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)每天監(jiān)測(cè)一次，連續(xù)進(jìn)行44期沉降監(jiān)測(cè)，并計(jì)算每期的累計(jì)沉降量，同時(shí)依據(jù)沉降量繪制了其變化趨勢(shì)圖，如圖2所示。

由圖2可得出：

1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)HG1的累計(jì)沉降量最大，最大累計(jì)沉降量達(dá)35 mm，HG9累計(jì)沉降量最小達(dá)13 mm左右。

2)由于隧道前期為主要施工階段，后期為襯砌及加固階段，故四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在1期～20期變化速率較大，平均為每期0.8 mm～1.5 mm變化。20期以后的累計(jì)沉降量變化趨勢(shì)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建模及預(yù)測(cè)

1)數(shù)學(xué)模型的選取。

根據(jù)四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)，本文選擇二次多項(xiàng)式趨勢(shì)模型來進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。表達(dá)式見式(1)：

y=b0+b1t+b2t2+ε

(1)

其中,b0,b1,b2為二次模型參數(shù)；t,y分別為自變量期數(shù)、因變量累計(jì)沉降量。

2)參數(shù)計(jì)算。

根據(jù)最小二乘法準(zhǔn)則，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，其原理為：

(2)

(3)

計(jì)算得出四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參數(shù)，如表1所示。圖3為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)擬合曲線圖。

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)表

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的二次曲線模型

點(diǎn)號(hào)二項(xiàng)式曲線模型HG1y=-8.094 1+3.224 4x+(-0.058 2)x2HG2y=-4.346 7+1.789 3x+(-0.032 1)x2HG9y=-2.864 1+0.889 5x+(-0.012 6)x2HG10y=-2.216 4+2.100 6x+(-0.036 0)x2

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)表

表4 預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值對(duì)比表

從而得出模型表達(dá)式見表2。

3)模型檢驗(yàn)。

通過對(duì)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

查閱相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表(自由度取n-2，此處n=40)，獲得臨界值rα=0.316，則|r|>rα，模型均通過檢驗(yàn)。

4)基于該模型的沉降預(yù)測(cè)及檢驗(yàn)。

根據(jù)表2模型，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的41期～45期的累計(jì)沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

由表4得出，模型最大預(yù)測(cè)偏差為2.76 mm，最小預(yù)測(cè)偏差僅為0.24 mm，預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，滿足實(shí)際工程監(jiān)測(cè)精度要求，能將預(yù)測(cè)的結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際工程。

3 結(jié)語

通過論述隧道盾構(gòu)施工對(duì)鄰近建筑物的影響機(jī)理，然后通過對(duì)海關(guān)宿舍樓的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出其沉降變化的一般規(guī)律，最后通過對(duì)其監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)建模，并根據(jù)該模型對(duì)后幾期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后用實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，滿足精度要求，得出該數(shù)學(xué)模型能夠預(yù)測(cè)該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的后期變化規(guī)律。

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