软土地层双线顶管施工地表沉降预测模型

郭耀耀; 周爱兆; 涂可诚; 翁晓峰

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501774

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (5) :2121-2129 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501774

建筑科学

软土地层双线顶管施工地表沉降预测模型

郭耀耀 ¹ ,
周爱兆 ¹^,²^,^* ,
涂可诚 ¹ ,
翁晓峰 ³

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Prediction Model of Surface Settlement in Double Pipe Jacking Construction in Soft Soil Stratum

GUO Yao-yao ¹ ,
ZHOU Ai-zhao ¹^,²^,^* ,
TU Ke-cheng ¹ ,
WENG Xiao-feng ³

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摘要

针对软土地层双线顶管施工中地表沉降形态演化机制不明确、传统Peck公式预测精度不足等问题,通过三维数值分析、理论解析与实例验证相结合的研究方法,探究了顶管埋深与间距耦合效应下的地表沉降槽形态演化规律,并建立地表沉降高精度预测模型。结果表明,随顶管间距增大或顶管埋深降低,地表沉降槽形态逐渐从V形向U形及W形演变。基于参数敏感性分析,提出形态系数K,通过K的取值判断沉降曲线的形状。针对传统Peck公式对双线顶管沉降预测精度的问题,引入沉降槽宽度修正系数与最大沉降修正系数,使V形与U形沉降曲线预测误差从70%降至5%以内;进一步增设隆起修正项,构建W形沉降曲线预测模型。经工程实例验证,该模型对浅埋顶管施工地表沉降曲线较好,研究成果为软土地区双线顶管施工沉降控制提供了理论依据与技术支撑。

Abstract

Existing studies have not fully elucidated the evolution mechanisms of surface settlement patterns during twin-pipe jacking operations in soft soil strata, nor have they adequately addressed the limitations in predictive accuracy of conventional Peck formulations. A systematic investigation was conducted employing an integrated methodology combining three-dimensional numerical modeling, theoretical analysis, and empirical validation to characterize the morphological evolution of surface settlement troughs under coupled variations in pipe burial depth and inter-pipe spacing. Subsequently, a refined predictive framework for surface settlements was developed. The findings indicate that increasing inter-pipe spacing or reducing burial depth progressively transforms settlement trough geometries from V-shaped profiles to U-shaped and ultimately W-shaped configurations. A dimensionless shape factor K was derived through parametric sensitivity analysis, enabling quantitative classification of settlement curve morphologies. To enhance the applicability of the Peck formula in twin-pipe jacking scenarios, calibrated coefficients were introduced to adjust settlement trough width and peak settlement magnitude, thereby reducing prediction discrepancies from 70% to within 5% for V-shaped and U-shaped profiles. An additional heave compensation term was incorporated to model W-shaped settlement behaviors. Validation against field-measured data demonstrates the proposed model’s efficacy in simulating surface settlements for shallow-buried twin-pipe jacking projects. The outcomes contribute novel theoretical insights and practical methodologies for optimizing settlement control in twin-pipe jacking operations within soft soil environments.

Graphical abstract

关键词

平行顶管 / 修正Peck公式 / 地表沉降曲线 / 软土地层

Key words

parallel pipe jacking / modified Peck formula / surface settlement curve / soft soil stratum

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郭耀耀, 周爱兆, 涂可诚, 翁晓峰. 软土地层双线顶管施工地表沉降预测模型[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(5): 2121-2129 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501774

GUO Yao-yao, ZHOU Ai-zhao, TU Ke-cheng, WENG Xiao-feng. Prediction Model of Surface Settlement in Double Pipe Jacking Construction in Soft Soil Stratum[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(5): 2121-2129 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501774

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随着城市化进程的加速推进,地下空间开发逐渐成为缓解城市资源紧张的关键途径。顶管法作为一种非开挖施工技术,凭借其对地表交通干扰小、环境适应性强的优势,在电力管廊建设、修建市区下水管道以及越江煤气管道工程中广泛应用^[1-2]。然而,在软土地层中,顶管施工常因土体流变性显著、抗剪强度低等特点,诱发复杂的地表沉降问题。研究表明,软土区顶管工程中超过30%的施工事故源于地表沉降超限,沉降控制已成为制约工程安全与周边环境稳定的核心挑战。尤其在邻近既有管线或地下结构密集区域,沉降槽形态的微小偏差可能引发连锁性结构损伤,因此,精准预测软土地层顶管施工的地表沉降形态,包括沉降量极值、沉降槽宽度等参数,不仅是理论研究的深化需求,更是工程安全控制的刚性要求^[3]。

诸多学者针对顶管施工地表变形开展研究,在经典理论修正与解析模型研究方面,魏纲等^[4-5]基于Mindlin解与Sagaseta公式,构建了顶管施工中正面推力、摩擦力与土体损失的三维变形解析模型,揭示了单顶管施工时地表隆起与沉降的对称分布特征,为Peck公式的适用性验证提供了理论框架。在数值模拟方面,王紫娟等^[6]利用位移控制法,实现顶进全过程数值模拟,得出地表横向呈现整体沉降,沿中轴线对称分布;张治成等^[7]通过Plaxis3D模型反演得出双线顶管施工最优掘进参数为2倍开挖面土压力;徐宏等^[8]进一步量化了管道下方2D~4D(D为管道高度,即管径)土体隆起带与机头前方1H(H为埋深)峰值隆起的空间关联性。在沉降形态动态演化机制方面,邓婷等^[9]引入IGS小应变刚度模型,证实矩形顶管地表沉降符合高斯分布,并首次观测到沉降槽宽度系数随顶进距离动态缩减的规律;王非等^[10]针对黏土地层揭示背土效应与邻近结构“沉槽-S形”变形的耦合机制,吕飞华等^[11]通过注浆参数多目标反演实现了顶管变形的动态预测。

尽管前人已经构建了顶管施工三维变形理论模型,优化了掘进参数阈值,揭示了沉降槽动态缩减规律及注浆控制机制,但现有研究仍存在一些局限性,对软土地层的研究较少,缺乏对沉降槽宽度系数力学响应机制的系统性解析;既有Peck公式修正主要聚焦于单线顶管施工时沉降曲线预测,未充分考虑双线顶管施工耦合效应引起的地表沉降,以及软土流变特性对沉降曲线的影响。

基于上述研究成果的不足,现拟通过三维数值分析与理论解析相结合的研究方法,系统探究双线顶管埋深与管道间距耦合作用下地表沉降槽的形态演变规律,建立适用于软土地层的双线顶管沉降Peck公式修正模型,更加准确地预测双线顶管施工地表沉降形态,为软土地层中双线顶管工程施工安全提供科学依据。

1 数值模拟分析

1.1 模型建立

为研究双线顶管在软土地层下施工扰动效应,借助MidasGTSNX软件,建立关于软土地层双线顶管施工的三维模型,模型尺寸为60 m(X)×40 m(Y)×35 m(Z),采用混合网格划分,具体材料参数如表1所示。第二层土为淤泥质粉质黏土,其受扰动后强度损失达60%~80%,易诱发突发性触变沉降与长期次固结沉降双重机制,成为流固耦合分析的重点。顶管采用DN2400混凝土管(20节×2 m)。

模型设置方面,土层底部全约束,顶部自由,侧向限制法向位移。土体采用修正摩尔-库伦模型,顶管采用弹性模型。在数值模拟中对掌子面添加120 kN/m²的推力来模拟顶管顶推力。为简化模型建立和提高模型计算效率,对建立的模型做出2点假设:①初始应力场只考虑自重应力场;②将所有材料视为均匀、连续、各向同性介质。

1.2 不同埋深及间距下地表沉降影响分析

顶管在软土地层中施工时,其力学机制主要表现为顶进过程中刀盘切削与管节推进对周围土体的复合扰动效应^[12]。软黏土因高孔隙比、低渗透性及弱结构性,在外力下易发生塑性流动,顶管掘进时前方土体受挤压产生超孔隙水压力,进一步加剧土体固结沉降。同时,管壁与土体间的摩擦作用将诱发环向应力重分布,进而形成以管轴线为中心的沉降槽。

通过控制变量法系统研究双线顶管埋深及间距对地表沉降的影响,构建埋深(1.5D~4.5D)与间距(1D~4D)(D为管径)组合的16组三维有限元模型。监测断面位于Y=20 m处,并沿X轴连续布置监测点,监测点设置如图1所示。

通过固定顶管埋深并调整管道间距,探究双线顶管施工中顶管埋深及间距对地表沉降的影响。不同埋深及间距下双线顶管施工引起的地表沉降如图2所示。

从图2(a)可以观察到,在深埋4.5D工况下,双线顶管间距由2D增至5D时,地表沉降形态从尖锐V形向宽缓U形系统性演变。2D间距下双管扰动区完全叠加形成最大沉降为14.07 mm的V形槽,±15 m范围内沉降衰减80%;间距增至4D时扰动区部分分离导致沉降槽转变为U形,中心沉降降至11.04 mm且衰减速率变缓;5D间距下平底U形沉降槽最大沉降量降至8.84 mm,扰动范围扩展至±30 m,深层土体通过更大范围塑性变形实现应力释放。

由图2(b)可知,中埋3.5D工况下, 2D间距仍维持V形特征,但中心沉降较深埋降低27%至10.21 mm,揭示浅层土体塑性变形能力提升;3D间距与2D间距沉降规律相似;4D间距时出现双峰W形雏形,中心沉降5.22 mm,±5 m处出现极值5.90 mm,此时处于扰动分离与叠加的临界状态;5D间距下对称W形曲线最大沉降偏移至管轴外侧±10 m达6.22 mm,中心沉降仅4.14 mm,标志独立挤压机制占据主导。

由图2(c)可见,浅埋2.5D时,地表沉降曲线呈现复杂响应。2D间距时,地表沉降曲线仍为V形,说明双线顶管施工时还是处于扰动叠加状态;增加至3D间距时,沉降曲线转变为W形,最大沉降值为5.13 mm,中心沉降量为3.95 mm,说明此时双线顶管扰动逐渐分离;4D和5D间距时,地表沉降曲线均呈现标准W形。4D间距时,最大沉降值为5.11 mm,中心最大沉降为1.76 mm,5D间距时,最大沉降值为5.00 mm,中心最大沉降为1.02 mm。此时表明两顶管施工扰动几乎分离。

从图2(d)可以看出,超浅埋1.5D极端工况下, 2D间距引发浅盆状W形,中心沉降1.58 mm与±25 m处产生0.40 mm隆起表明埋深较浅易产生隆起现象;3D、4D、5D间距下,地表沉降曲线均呈现出标准的W形沉降,同时,中心处出现隆起现象,存在严重工程风险,此时两顶管施工扰动完全分离。

通过对不同埋深及间距的数值模拟结果分析得出,随着两顶管间距的增大,地表沉降曲线逐渐从V形转变成W形,这与陈春来等^[13]基于Peck公式^[14]预测土体沉降的结果相吻合。同时随着埋深的不断降低,地表沉降曲线也逐渐从V形向W形转变。

1.3 地表沉降分析

软黏土地层中顶管施工诱发的地表沉降形态受埋深与间距比值影响,呈现出V形、U形、W形差异化分布特征。V形沉降由双管同步推进的扰动叠加引发:两管位移场在轴线中间区域同向叠加,导致中间土体双向挤压形成复合扰动区,叠加位移量远超单管工况;软黏土流变特性进一步扩大扰动区时效变形,最终形成以轴线为中心、沉降最大的对称V形沉降槽。

地表沉降曲线为U形的情况出现在顶管间距适度增大条件下,此时双管轴线间土体受双向挤压形成复合扰动区,剪应力叠加导致中间土体主应力路径偏转,且剪应变增量集中于轴线区域,而触变性浆液难以填充地层损失空隙,叠加土体流变引发的刚度衰减,最终导致轴线与中间区域沉降均衡,最终形成以双管轴线为对称中心、向两侧递减的U形特征。

当顶管埋深与顶管间距的比值低于临界阈值时(H/D<2.5,H/S<0.8)(H/D为埋深-管径比,H/S为埋深-间距比),地表沉降呈现W形分布,其成因源于双线顶管施工扰动区的三维空间叠加效应,顶管间距增大使得双线顶管在施工时,扰动叠加区域减少,最大沉降量出现在两顶管中轴线上,中间区域受到的扰动较少,沉降量变小,最终形成W形沉降曲线。

**1.4 H/D与H/S对沉降曲线形态的定量关系**

**1.4.1 H/D与H/S参数分析**

基于16组数值模拟数据的分析,发现埋深-管径比(H/D)与埋深-间距比(H/S)的组合特征可精确表征沉降曲线的形态演化规律。具体规律如表2所示。

1.4.2 参数敏感性验证

从上述结果可知,双线顶管地表沉降曲线形态由H/D和H/S协同控制。H/S主导双管相互作用强度,决定是否形成单峰(V/U形)或多峰(W形),当H/S<1时,即使H/D较高,仍可能触发W形,如H/D=3.5,S=5D;H/D决定地层塑性响应深度,当H/D<2.5时,地层塑性区贯通,导致W形不可逆,如埋深1.5D工况下所有间距都为W形。为了更好地判断沉降曲线与H/D和H/S的关系,提出形态系数K公式为

(1)

$K=\frac{H}{D}\frac{H}{S}$

当K≥5.25时,地表沉降曲线为V形;当2≤K<5.25时,地表沉降曲线为U形;当K<2时,地表沉降曲线为W形。

2 理论计算

2.1 Peck公式

2.1.1 双线Peck公式

运用Peck公式模拟地面沉降时,通常呈现出典型的V形曲线^[15]。然而,在现实工程实践中,由于双线平行顶管施工所诱发的地面沉降曲线往往展现出更为复杂的形态,具体可表现为U形或W形,此时,传统的Peck公式已无法准确预测此类沉降特征。为更好预测此类工程的地表沉降曲线,刘波等^[16]提出了一种双线顶管施工引起地表沉降的预测公式,具体公式为

(2)

${S}_{x}^{d}={S}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}exp[-\frac{(x+{x}_{0}{)}^{2}}{2{i}^{2}}]+{S}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}exp[-\frac{(x-{x}_{0}{)}^{2}}{2{i}^{2}}]$

式(2)中:

${S}_{x}^{d}$

为双线顶管施工造成的距两顶管中心线xm处的地表沉降量,mm;S_max为顶管中轴线处最大沉降量,mm;i为沉降槽宽度系数;x₀为其中一根管道中轴线到两根管道中心线的间距,m。

2.1.2 Peck公式预测结果分析

研究主要针对第二层淤泥质粉质黏土,参考陈雪林^[17]对软土地区地层损失率的建议取值0.5%~2.0%,本文研究取1%。图3为顶管埋深4.5D、间距3D时双线顶管开挖引起的地表沉降与经典Peck公式计算结果的对比,偏差约70%。图4为埋深2.5D、间距3D时双线顶管开挖引起的地表沉降与经典Peck公式计算结果的对比,偏差约87%。造成这种原因可能是Peck公式基于不同施工经验总结,其地层损失率、沉降槽宽度系数的取值在软土地层顶管施工中可能存在偏差。

由于经典Peck公式无法准确预测顶管施工诱发的地表沉降场分布,因此,需对经典Peck公式进行修正。

2.2 修正peck公式

2.2.1 V形、U形修正Peck公式计算分析

当顶管埋深比H/D≥3.5且埋深间距比H/S≥1.5时,地表沉降曲线呈现V形分布特征;当顶管埋深比2.5≤H/D≤3.5且埋深间距比0.8≤H/S≤1.5时,地表沉降曲线呈现U形分布特征。地表沉降曲线为V形和U形表明双线顶管施工产生的沉降槽存在显著叠加效应。基于此,根据顾展飞等^[18]建立的动态修正体系,通过引入沉降槽宽度修正系数α和地面最大沉降修正系数β,对经典Peck公式中的关键参数进行动态调整,得到修正Peck公式1[式(5)],具体计算公式如下。

(3)

$i\text{'}=\alpha i=\frac{\alpha H}{\sqrt{2\mathrm{\pi }}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(45-\frac{\varphi }{2}\right)}$

(4)

$S\text{'}{\mathrm{ }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\beta {S}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\frac{\beta \eta A}{\sqrt{2\mathrm{\pi }}i}$

(5)

$\begin{array}{l}S{\text{'}}_{x}^{d}=S\text{'}{\mathrm{ }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}[-\frac{(x+{x}_{0}{)}^{2}}{2i{\text{'}}^{2}}]+\\ S\text{'}{\mathrm{ }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}[-\frac{(x-{x}_{0}{)}^{2}}{2i{\text{'}}^{2}}]\end{array}$

式中:η为地层损失率;A为管道开挖面的面积。

借助Origin软件,把修正Peck公式1与不同工况下地表沉降曲线进行非线性曲线拟合,得出不同埋深及间距下沉降槽宽度修正系数α和地面最大沉降修正系数β的相应值。图5展示的是埋深4.5D、间距3D工况下双线顶管施工引发的地表沉降值与修正Peck公式1预测值的对比,数值模拟测的最大沉降值为12.72 mm,修正公式预测值为12.88 mm,相对误差绝对值控制在5%以内,预测较为准确。观察两条曲线可发现二者在沉降槽形态、最大沉降量及影响范围3个方面均高度吻合,此时α=1.45,β=2.15,决定系数R²=0.999,说明该修正公式在此地层条件下对V形和U形沉降曲线有着良好的预测能力。

V形和U形沉降曲线数值模拟结果与修正Peck公式1的拟合数据如表3所示。

基于实验数据的系统性分析表明,埋深H与间距S对修正参数α、β存在显著耦合效应,固定2D间距,当埋深从4.5D减至2.5D时,α值从1.35增长至1.51,随埋深减小呈线性递增,而β值从2.08降低至0.68,呈衰减趋势;4.5D埋深下,间距增大则导致α值持续上升,但β值缓慢下降。通过构建相应函数可快速精准地预测参数变化,具体参数预测公式如下。

(6)

$\alpha \approx 0.94+0.10\frac{S}{D}+0.945\frac{D}{H}$

(7)

$\beta \approx 0.11{\left(\frac{H}{D}\right)}^{2}-0.03\frac{S}{D}+0.012\mathrm{ }5$

式中:α的决定系数R²=0.987;β的决定系数R²=0.993,预测值较为准确。

2.2.2 W形修正peck公式计算分析

当顶管埋深比H/D<2.5且埋深间距比H/S<0.8时,地表沉降曲线呈现W形分布特征。两条顶管施工引起的扰动区在水平方向上部分叠加。

修正Peck公式1建立的沉降预测曲线能较好反映常规埋深工况的地表沉降规律,但未涵盖浅埋顶管施工可能引发的土体隆起效应。为此,在原有理论框架中引入隆起修正项,构建综合考虑沉降与隆起双重机制的改进预测模型,通过引入影响因子c和j,建立修正Peck公式2,表达式为

(8)

$S{{″}^{\mathrm{d}}}_{x}=S{{\text{'}}^{\mathrm{d}}}_{x}+c{\mathrm{e}}^{-\frac{{x}^{2}}{2{j}^{2}}}$

图6展示的是埋深2.5D、间距3D工况下双线顶管施工引发的地表沉降值与修正Peck公式预测值的对比,数值模拟测的最大沉降值为5.05 mm,修正公式预测值为5.04 mm,相对误差绝对值控制在0.20%。通过观察图6,实测数据与理论预测的W形沉降曲线在沉降槽几何形态、最大沉降值及影响区域分布特征三要素均与修正Peck公式2计算结果保持高度一致,此时α=1.47,β=2.88,c=19.38,j=5.61,通过引入隆起修正项,最终达到决定系数R²=0.999,成功复现了土体局部隆起现象,证明了该公式对浅埋顶管施工引发W形地表变形有准确的预测能力。

W形沉降曲线数值模拟结果与修正Peck公式2的拟合数据如表4所示。

通过对表4中拟合出的修正系数进行分析,可模拟出相关参数的计算方程,修正参数具体预测公式如下。

(1)修正系数α计算公式。

(9)

$\alpha \approx \left\{\begin{array}{ll}0.34\frac{S}{H}+0.9,& 2.5D<H\le 3.5D\\ 0.58\frac{S}{H}+0.55,& H\le 2.5D\end{array}\right.$

此时,α的决定系数R²=0.983,预测效果较好。

(2)修正系数β计算公式。

(10)

$\beta \approx \left\{\begin{array}{ll}3.5\frac{D}{S}+0.28\frac{H}{D}-0.02{\left(\frac{H}{D}\right)}^{2},& 2.5D<H\le 3.5D\\ 5.5\frac{D}{S}+0.15{\mathrm{e}}^{0.6\frac{S}{D}}-0.12\frac{H}{D},& H\le 2.5D\end{array}\right.$

此时,β的决定系数R²=0.975,预测效果良好。

(3)修正系数c计算公式。

(11)

$c\approx \left\{\begin{array}{ll}\frac{130{D}^{2}}{HS},& 2.5D<H\le 3.5D\\ \frac{75{D}^{2}}{HS},& H\le 2.5D\end{array}\right.$

此时,c的决定系数R²=0.885,预测结果偏差较大,有待继续改进。

(4)修正系数j计算公式。

(12)

$j=0.88\frac{S}{D}+0.82\frac{H}{D}-0.04\frac{SH}{{D}^{2}}$

此时,j的决定系数R²=0.991,预测效果较好。

3 工程算例分析

上海城市高压线路上改下工程^[19],里程总长度2 044.4 m,双线顶管长约285 m,埋深约4.14 m,顶管中心线距离9 m,管节内径3 500 mm,外径4 140 mm,壁厚320 mm,单节长度2.5 m,采用泥水平衡顶管机施工。施工场地第四纪覆盖层厚度约为70 m,各土层物理力学参数如表5所示。电力顶管主要穿越②-2砂质粉土层,刨面图如图7^[19]所示。

为监测双线顶管施工的地表沉降,沿顶管轴线布设监测点,DBC为地表沉降监测断面。在穿越地铁区域的顶管轴线共设7个监测断面,监测点平面如图8^[19]所示。

此次双线顶管施工顺序为先施工西线顶管,后施工东线顶管,先行顶管土体损失率为3.02%,后行顶管土体损失率为3.10%。DBC-1监测断面实测结果与修正Peck公式2的拟合结果如图9所示。可以看出,该修正公式与实测结果拟合良好,双峰最大沉降值误差控制在5%以内,此时α=0.99,β=1.17,c=46.38,j=5.61。根据式(1),该工况下K=0.46,K<2沉降曲线为W形,说明式(1)预测地表沉降曲线形状的能力较好。根据式(9)~式(12),计算出α=1.81,β=2.96,c=34.50,j=2.65。

根据拟合结果与公式计算出的修正系数对比发现,沉降槽宽度修正系数α和地面最大沉降修正系数β的拟合结果偏小,可能是由于沙土黏聚力低,易形成土拱效应和颗粒迁移,使沉降槽横向扩展受限,导致沉降槽宽度修正系数α偏小;同时沙土渗透性高、孔隙水压力消散快,导致土体快速压缩且有效应力提前稳定,实际沉降量小于理论预测,导致地面最大沉降修正系数β的拟合结果偏小。关于隆起修正项的参数c和j偏大的原因,可能是由于顶管穿越的地层上方为粉质黏土层,阻碍排水导致孔隙水压积累、施工超压引发土体弹性回弹叠加导致隆起修正系数偏大。实际地层非均质性与模型理想假设有所不同,以及施工扰动后土体动态固结等因素共同作用,导致预测结果与实际结果有所偏差,后续需进一步建立不同地层下地表沉降预测模型。

4 结论

(1)通过建立双线顶管施工三维数值分析模型,分析不同管道埋深、管道间距下地表沉降变形,揭示了软土地层管道埋深、管道间距对双线顶管施工地表沉降形态的耦合作用规律。结果表明,埋深与间距的协同效应主导着土体扰动模式、应力释放路径及沉降曲线特征,双线顶管间距增大,地表沉降曲线逐渐从V形向W形转变;埋深降低,地表沉降曲线从V形向W形转变。

(2)提出形态系数K。K≥5.25时,此时地表沉降曲线为V形;2≤K<5.25时,地表沉降曲线为U形;K<2时,地表沉降曲线为W形。

(3)对传统的Peck公式进行修正,提出修正参数α和β,从而更精确地预测了呈V形的地表沉降曲线,并将相对误差控制在5%以内。

(4)增加隆起修正项进一步修正Peck公式,可有效地预测W形的地表沉降曲线,上述修正公式可为类似软土地质条件下双线顶管施工变形预测提供理论依据。

(5)通过实例验证发现,形态系数公式地表对沉降曲线的形态预测良好,而修正系数计算公式有待改进,后续需针对砂质粉土层建立相应模型并结合实测数据,提高预测公式的精准度。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	冯金勇, 蒋凯, 潘伍, 等. 软土地层大直径曲线顶管隧道受力特性[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(6): 2420-2426.

[2]	Feng Jinyong, Jiang Kai, Pan Wu, et al. Stress characteristics of large-diameter curved pipe jacking tunnel in soft soil layer[J]. Science Technology and Engineering, 2021, 21(6): 2420-2426.

[3]	屈克军. 考虑流固耦合效应的浅埋矩形顶管隧道开挖稳定性分析[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(5): 2055-2062.

[4]	Qu Kejun. Face stability analysis of shallow rectangular pipe jacking tunnel considering fluid-solid coupling effect[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(5): 2055-2062.

[5]	贺农农, 李攀, 邵生俊, 等. 西安地铁隧道穿越饱和软黄土地段的地表沉降监测[J]. 地球科学与环境学报, 2012, 34(1): 96-103.

[6]	He Nongnong, Li Pan, Shao Shengjun, et al. Surface subsidence monitoring of Xi’an metro tunnel crossing saturated loess stratum[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2012, 34(1): 96-103.

[7]	魏纲, 吴华君, 陈春来. 顶管施工中土体损失引起的沉降预测[J]. 岩土力学, 2007(2): 359-363.

[8]	Wei Gang, Wu Huajun, Chen Chunlai. Settlement prediction induced by soil loss during pipe jacking construction[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007(2): 359-363.

[9]	魏纲, 黄志义, 徐日庆, 等. 顶管施工引起地面变形的计算方法研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2005(S2): 5808-5815.

[10]	Wei Gang, Huang Zhiyi, Xu Riqing, et al. Calculation method for ground deformation induced by pipe jacking construction[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005(S2): 5808-5815.

[11]	王紫娟, 严佳佳, 秦龙, 等. 矩形顶管掘进地层变形规律数值模拟研究[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(34): 15349-15357.

[12]	Wang Zijuan, Yan Jiajia, Qin Long, et al. Numerical simulation study on ground deformation induced by box tunneling[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(34): 15349-15357.

[13]	张治成, 林思, 王金昌, 等. 矩形管廊顶管施工对邻近管线的影响研究[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(S2): 244-249.

[14]	Zhang Zhicheng, Lin Si, Wang Jinchang, et al. Influence of rectangular utility tunnel jacking construction on adjacent pipelines[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(S2): 244-249.

[15]	徐宏, 叶飞, 刘奇, 等. 大断面矩形顶管施工地层变形及顶进参数控制研究[J]. 现代隧道技术, 2022, 59(6): 97-105.

[16]	Xu Hong, Ye Fei, Liu Qi, et al. Deformation and thrust parameter control of large-section rectangular pipe jacking construction[J]. Modern Tunnelling Technology, 2022, 59(6): 97-105.

[17]	邓婷, 黄茂松, 时振昊, 等. 软黏土深埋矩形顶管施工地层变形分析[J]. 土木工程学报, 2023, 56(S2): 157-162.

[18]	Deng Ting, Huang Maosong, Shi Zhenhao, et al. Deformation analysis of deep-buried rectangular pipe jacking in soft clay[J]. China Civil Engineering Journal, 2023, 56(S2): 157-162.

[19]	王非, 章莘苡, 韩凯杰, 等. 黏土地层矩形顶管施工引起的地层及结构变形响应研究[J]. 现代隧道技术, 2024, 61(S1): 1018-1026.

[20]	Wang Fei, Zhang Xinyi, Han Kaijie, et al. Study on ground and structural deformation responses induced by rectangular pipe jacking construction in clay stratum[J]. Modern Tunnelling Technology, 2024, 61(S1): 1018-1026.

[21]	吕飞华, 杜坤, 刘建英, 等. 顶管掘进引起的既有隧道变形和地表沉降多目标优化及预测[J]. 现代隧道技术, 2024, 61(S1): 552-559.

[22]	Lü Feihua, Du Kun, Liu Jianying, et al. Multi-objective optimization and prediction of existing tunnel deformation and ground settlement induced by pipe jacking[J]. Modern Tunnelling Technology, 2024, 61(S1): 552-559.

[23]	甄亮. 复杂地层条件下钢顶管在施工中的稳定性研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2016.

[24]	Zhen Liang. Stability study of steel pipe jacking in complex stratigraphic conditions during construction[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2016.

[25]	陈春来, 赵城丽, 魏纲, 等. 基于Peck公式的双线盾构引起的土体沉降预测[J]. 岩土力学, 2014, 35(8): 2212-2218.

[26]	Chen Chunlai, Zhao Chengli, Wei Gang, et al. Soil settlement prediction induced by double-line shield tunneling based on Peck formula[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(8): 2212-2218.

[27]	Peck R B. Deep excavations and tunneling in soft ground[C]// Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Mexico City: Mexican Society of Soil Mechanics, 1969: 312-375.

[28]	张恒新, 张孟喜, 王晓鸿, 等. 双线盾构隧道下穿机场跑道沉降特征分析[J]. 铁道标准设计, 2020, 64(12): 114-119.

[29]	Zhang Hengxin, Zhang Mengxi, Wang Xiaohong, et al. Settlement characteristics of double-line shield tunnel under airport runway[J]. Railway Standard Design, 2020, 64(12): 114-119.

[30]	刘波, 陶龙光, 丁城刚, 等. 地铁双隧道施工诱发地表沉降预测研究与应用[J]. 中国矿业大学学报, 2006(3): 356-361.

[31]	Liu Bo, Tao Longguang, Ding Chenggang, et al. Prediction and application of surface settlement induced by double-tunnel metro construction[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2006(3): 356-361.

[32]	陈雪林. 淤泥质黏土层顶管施工引起的地面变形规律研究[D]. 淮南: 安徽理工大学, 2024.

[33]	Chen Xuelin. Study on ground deformation laws induced by pipe jacking construction in mucky clay layer[D]. Huainan: Anhui University of Science and Technology, 2024.

[34]	顾展飞, 魏海龙, 刘之葵. 隧道施工引发粉土地面沉降模拟与分析[J]. 地下空间与工程学报, 2024, 20(S1): 391-402.

[35]	Gu Zhanfei, Wei Hailong, Liu Zhikui. Simulation and analysis of silty soil settlement induced by tunnel construction[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2024, 20(S1): 391-402.

[36]	应宏伟, 姚言, 王奎华, 等. 双线平行顶管上跨地铁盾构隧道施工环境影响实测分析[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(12): 1639-1647.

[37]	Ying Hongwei, Yao Yan, Wang Kuihua, et al. Field measurement analysis of environmental impact induced by dual-line parallel pipe jacking overcrossing subway shield tunnel construction[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2023, 57(12): 1639-1647.