浅埋暗挖地铁隧道沉降控制与分析

浅埋暗挖地铁隧道沉降控制与分析

范文兴

（中铁十三局集团公司南京分公司，江苏南京

２１１１００）

摘要：按地面建筑物沉降、地面沉降变形的不同要求对沉降控制问题作出分析，给出了相关的控制基准经验公式。结合南京地铁鼓－玄区间隧道具体情况，对浅埋暗挖隧道地表、建筑沉降进行监测，并根据现场实测数据进行的分析，阐述了在设计及施工浅埋暗挖地铁隧道时应注意的事项，以供类似工程参考。关键词：地铁隧道；浅埋暗挖；沉降；监测；控制；分析中图分类号：Ｕ４５６．３１

文献标识码：Ｂ

ＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓｉｎＳｕｂｗａｙＴｕｎｎｅｌｉｎｇｗｉｔｈＳｈａｌｌｏｗＥｘｃａｖａｔｉｏｎ

ＦＡＮＷｅｎ－ｘｉｎｇ

随着城市地铁在我国的陆续兴建，浅埋暗挖法在

地铁隧道施工中得到广泛的应用。由于其埋置深度小，随着地层物质被挖出，自洞室临空面向地层深处一定范围内地层应力场将发生调整，宏观表现为地层物质的移动，施工引起的地层变位将波及地表，产生地面沉降，形成施工沉降槽，过大的地面沉降和地层变位将直接危及地面建筑物的正常使用，进而危及施工安全。因此施工中必须对有害沉降进行控制，这首先要解决沉降的控制基准问题，并通过控制基准在施工过程中对地面建筑、地表沉降等在理论分析指导下进行有计划的监测，以监测数据为依据，对暗挖隧道进行动态管理。

１工程概况

南京地铁南北线一期工程ＴＡ１２标鼓楼站～玄武门站区间隧道采用矿山法施工。在鼓楼站北修建一停车渡线，渡线段大断面起始里程为Ｋ１０＋３３７．７，终点里程为Ｋ１０＋６７１．２８６，长３３３．５８６ｍ，开挖断面为马蹄形。该段覆土厚度１１．９～１７．３０ｍ。地质情况从上至下依次为松散～稍密状杂填土、软塑状粉质黏土、残积土、强风化安山岩、中风化破碎安山岩。区间地下水主要为松散层的孔隙潜水和基岩裂隙水，地下水位埋深１．２～４．５ｍ。渡线段地表建筑物、地下管线较密集且安

全度较低，地表有二层以上建筑物１９幢，建筑物最早

年代为１９４７年，部分建筑物已有多条裂缝。玄武门站南端有３０７．６ｍ的软～流塑地质段，该段土体具有高压缩性，高灵敏度，易产生土体流动、开挖面不稳等现象；地面有３幢五层住宅楼和两处二层砖房（为时期建筑）并穿越市区道路。２沉降控制基准值的确定

沉降控制基准由两个方面确定：其一，是出于环控的需要；其二，是出于隧道工程结构稳定本身的需要。实施的控制基准必须两者兼顾。

沉降对城市环境、隧道结构本身造成的危害主要表现在地面建筑物的过量倾斜及地下管线的变形、断裂而影响其正常使用和威胁结构安全。通常的地面沉降控制值即是出于对环境和结构稳定要求的考虑，其根据主要来源于已有的建设规范及以往的工程实例。但是由于地面建筑及地下管线种类繁多、结构等级各异，线路穿越的地层不同，若均用同一基准值控制，难免产生某些地段过于保守，造成经济损失；某些地段又出现危害性沉降的弊端。为了使给出的沉降控制值基准既保证建筑物及地下管线的安全，又使建筑成本较为经济，有必要对控制基准作较深入的分析，使其尽量适应各类建筑及地下管线的需求及尽可能符合工程实际。２．１

地表、地面建筑的沉降控制基准

沉降对地面建筑的危害主要表现在地面的不均

收稿日期：

２００６－０４－２２作者简介：范文兴（１９７７－），男，广西桂平人，工程师，主要从事地下工

程施工。

第２４卷第６期市政技术

Ｖｏｌ．２４Ｎｏ．６２００６年１１月ＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮｏｖｅｍｂｅｒ，２００６

２００６年第６期

匀沉降引发的建筑物倾斜（或局部倾斜）。在“建筑地

基基础规范”中对各类建筑物的允许倾斜值已明确规定。因此，对建筑物而言，以允许最大差异沉降（不均匀下沉）作为地面沉降的控制条件，本文以横向沉降曲线加以分析。

地下工程在施工时产生沉降，在其影响范围之内将对上部建筑物产生不良影响。根据以往的经验，地表沉降规律（横向）可以采用著名的Ｐｅｃｋ曲线描述（见图

１），Ｐｅｃｋ

方程为：

Ｓ＝Ｓｍａｘｅｘｐ（－ｘ２

２ｉ

２）（１）

式中：ｘ—距隧道中心的距离；Ｓ—距隧道中心为ｘ的地面沉降量；Ｓｍａｘ—隧道中心处最大沉降量；ｉ—沉降槽宽度系数，可通过回归求得，亦可采用经验公式：

ｉ＝Ｈ＋Ｒ２π!ｔｇ（４５°－φ２

）（２）

式中：φ—为弱面内摩擦角；

Ｈ—覆土厚度；Ｒ—计算半径。对于矩形结构，等效半径为：Ｒ＝０．２９（ａ＋ｂ），其中ａ、ｂ分别为矩形结构的长短边；对于其它非圆形结构，其等效半径为：Ｒ＝Ａ／π!，其中Ａ为非圆形结构的面积。

２．１．１建筑物相邻柱基间距小于或等于沉降槽拐点ｉ时

由基础产生的倾斜值不大于相应建筑物允许倾斜值可知：

ΔＳ／Ｌ≤［ｆ］（３）式中：

Ｌ—建筑物相邻柱基础间距；［ｆ］—建筑物的允许倾斜；ΔＳ—差异沉降值。

由沉降槽曲线可知，在拐点ｉ处曲线斜率最大，以此极限条件下的坡度值不大于相应建筑物允许倾斜值作为条件。此时，差异沉降（不均匀沉降）达到最大（见图２ａ），从而得允许最大沉降差为：ΔＳ≤［ｆ］ｉ（４）

由Ｐｅｃｋ曲线可知，当ｘ＝ｉ时，得出地表下沉的最大斜率为：

Ｋｍａｘ＝０．６１ｉ

Ｓｍａｘ（５）

由极限条件Ｋｍａｘ≤［ｆ］即０．６１ｉ

Ｓｍａｘ≤［ｆ］，并假定

建筑物最大允许倾斜与Ｋｍａｘ相等，

此时，地表最大允许沉降量为：

Ｓｍａｘ＝ｉ０．６１

［ｆ］（６）

２．１．２

建筑物相邻柱基间距大于或等于２ｉ时

此时，沉降对建筑物的影响除倾斜外还含有基础的挠曲变形，图２ｂ表示了建筑物基础受弯的最不利位置，当沉降过大时，有可能导致建筑物基础的断裂及上部结构压性裂缝的产生。由于不同建筑物基础结构的受力条件、荷载分布、建筑等级等不尽相同，难以准确地加以描述，本文以建筑基础的允许应变作为计算控制基准的极限条件。即：

［Ｓ］＝（［ε］ｉ＋ｉ）２－ｉ２

!

（７）

式中：［ε］＝［σ］／Ｅ；［σ］—基础的极限抗拉强度；Ｅ—基础弹性模量。

３

沉降控制预警值的确定

根据上述计算公式并结合鼓－玄区间隧道埋深、地质水文情况以及各项物理指标，拟订如下沉降控制

预警值供施工参考（见表１）。

隧道施工的安全标准以Ｆ值确定：

Ｆ＝实测变形值管理允许值

Ｆ＜０．８—安全；０．８≤Ｆ＜１．０—注意；Ｆ＞１．０—危险。表中各项预警值仅供施工参考，应根据现场实测数据进行科学的调节。４

监测方法

该区间观测使用ＤＳＺ２精密水准仪＋ＦＳ１平板测

微器＋因瓦水准标尺测量。地表沉降测点使用电钻钻

浅埋暗挖地铁隧道沉降控制与分析

量测项目

控制范围

允许值建筑物倾斜／ｒａｄ全线０．００３工程影响范围／ｍ全线３０地表下沉／ｍｍ≤Ⅱ类围岩３０＞Ⅱ类围岩１９变形速率／（ｍｍ／ｄ）

≤Ⅱ类围岩＞Ⅱ类围岩

５３

表１

沉降控制标准

３９９・・

市政技术第２４卷

孔埋入!２０钢筋头，地面露出１ｃｍ，钢筋头埋下后在周围空隙灌入水泥浆液，待凝固后测读初始数据；房屋沉降测点同样使用电钻钻孔，埋入!１８膨胀螺栓，测点埋设在房屋拐角或房屋框架主要受力部位，螺栓必须拧紧，再测读数据。地表和房屋沉降在隧道开挖掌子面超前３０～４０ｍ开始观测，为１次／２～３ｄ；隧道开挖面至距离测点３倍洞径时正常情况为１次／１ｄ；距离１倍洞径时２～３次／ｄ，直到隧道成环并超过２倍洞径；后期为１次／ｄ直到地面沉降及初支结构稳定。以上监测频率仅限正常情况下，如有大的变形必须加大频率直至跟踪监测。南京地铁鼓－玄区间隧道软流塑段测点布设和大跨段测点布设见图３。

房屋、地表沉降使用二等水准仪观测方案（ＤＳＺ２＋ＦＳ１＋因瓦标尺）：基准点和观测点的首次测量为往返

观测，以获得可靠的初始值；后期施工期间为单程观测，由所有的观测点组成复合水准路线，附合在基准点上。基准点每月检测一次。沉降监测、测站限差执行规范《建筑变形测量规范》ＪＧＪ／Ｔ８－９７；拱顶沉降使用ＤＳＺ２精密水准仪＋钢尺观测，施工期间为单程观测。施工期间观测应注意：水准点要埋设在不受施工影响的区域，并定时较核；水准仪必须定时自校，ｉ角变化超过观测等级要求必须送检维修或调试。５监测数据结果５．１

地表沉降实测数据与理论分析

采用暗挖法施工，不可避免要导致沿前进方向上的地层扰动和土体的损失，在自由地表上形成不同深

度和宽度的沉陷槽对地表周围环境造成一定的影响。因此，对地表下沉的监测和控制，是暗挖矿山法在城市中进行隧道施工的一个重要环节。地表的变形和围岩的物理力学性质有着密切的关系，随着围岩类别的降低，围岩的强度及自承能力降低，围岩松动圈向外扩展，土体间的压密变形增大，从而引起地表沉降值增大。地层为匀质土层隧道的地表沉降规律（横向）可以采用著名的Ｐｅｃｋ曲线描述（见图４）。

南京地铁鼓－玄区间隧道地质结构复杂，大跨停车线段为Ⅱ类围岩；软流塑段上部为路和旧楼房群。该区间地表沉降监测过程中，为更好的掌握隧道开挖对地面的影响情况，除正常在隧道纵向中心线布设沉降测点外，在大跨和软流塑段都布设了覆盖两条隧道的主测断面，以监测隧道横向影响范围。图５是大跨和软流塑过楼房段的沉降槽横向分布图；图６为隧道纵向中心地表沉降测点随时间变化的曲线图。

图３软流塑段、

大跨段测点布设断面图

４００・・

２００６年第６期浅埋暗挖地铁隧道沉降控制与分析

由图４沉降槽预测示意图和图５鼓－玄区间实测

沉降槽数据可以说明：（１）地表沉降横向影响范围约为５ｉ；两条隧道开挖造成的横向地表沉降槽可以认为分别是两条隧道单独开挖造成沉降槽的叠加，叠加率为３０％～５０％，横向影响范围增长５～１０ｍ。（２）沉降曲线之变曲点ｉ位于距中线０．８～１．６Ｄ处，随着所处围岩类别的提高而向中线靠拢，影响范围随之减少。

从图６中可以看出，地表下沉的变化过程可分为４个阶段。（１）微小变形阶段：当掌子面开挖到与测点距离－１．０～－２．０Ｄ时，即开始对地表产生一定的影响，造成一定范围内的沉降，变形量约占总变形量的１０％～１５％左右。主要是由于工作面的开挖导致前方地层应力场发生变化以及地下水的流失而引起的轻微变形。（２）变形急剧增大阶段：随着掌子面向前推进，距测点在－１～３Ｄ内时，地表变形速率加速增长，变形量急剧增大，此阶段变形量约占总变形量的６０％～７０％左右。该阶段变形主要是由于隧道的开挖而造成边界条件发生改变，对覆盖层土体产生扰动，引起应力场的重分布，产生卸荷效应，为施工过程中主要沉降阶段。（３）缓慢变形阶段：当掌子面向前开挖超过测点３Ｄ以后，变形速率开始减缓，变形量缓慢增加，沉降曲线开始收敛，一直延续到５Ｄ，此阶段变形量约占总

变形量的１０％～１５％左右。

（４）变形基本稳定阶段：当掌子面距测点５Ｄ后，沉降增长缓慢，直至延续到８Ｄ，地层趋向稳定状态，

此阶段变形量约占总变形量的５％左右；沉降稳定于距掌子面５～８倍洞径处。

５．２房屋沉降理论分析与实测数据

南京地铁鼓－玄区间隧道房屋覆盖密集，沉降难以控制，应根据经验公式计算、并考虑工程具体情况

确定建筑允许沉降值。大跨段取［ｆ］＝０．００３；覆土厚度

Ｈ取１２．０ｍ，因其为非圆马蹄形结构，该区其等效半径为：Ｒ＝Ａ／π!，其中Ａ为非圆形结构的面积。这里取大跨度最大的１７．４ｍ断面的面积，等效半径按非圆形结构计算Ｒ＝１５６．２２／３．１４!＝７．０５２；根据地质资料，φ值取１８°。

据式（２）得：

ｉ＝Ｈ＋Ｒ２π!ｔｇ（４５°

－φ２）＝１２．０＋７．０５２２π!ｔｇ（４５°－１８°２

）１０４６１（ｍｍ）

据式（６）得：

Ｓｍａｘ＝ｉ０．６１［ｆ］＝１０４６１０．６１

×０．００３＝５１．４５（ｍｍ）考虑大

跨的围岩较好，最后综合评定为３５．０ｍｍ。

软流塑段取［ｆ］＝０．００３；覆土厚度Ｈ取８ｍ，因其为非圆马蹄形结构，该区其等效半径为：

Ｒ＝Ａ／π!，其中Ａ为非圆形结构的面积。这里取单线隧道标准断面的面积，等效半径按非圆形结构计算Ｒ＝３４．２４／３．１４!＝３．３０２；

根据地质资料，φ值取１３．１°。据式（２）得：ｉ＝Ｈ＋Ｒ２π!ｔｇ（４５°－φ２）＝８．００＋３．３０２２π!ｔｇ（４５°－３１．１°２）＝５６７８（ｍｍ）

据式（６）

得：Ｓｍａｘ＝ｉ０．６１［ｆ］＝５６７８０．６１×０．００３＝２７．９２（ｍｍ）软流塑

过楼房段，地质差、地下水位低，考虑其环境情况，最

（下转第４１２页）

４０１・・

（上接第４０１页）

后预警值定为２５．０ｍｍ。

根据上述公式的计算结果，该区间施工监测中参照理论的预警值进行控制。实测数据说明，在确定监测预警值时要通过理论计算和综合考虑工程的地质、水文和周边环境实际情况并参照类似工程来定。南京地铁鼓－玄区间隧道在施工过程中，影响范围内所有建筑都做沉降观测。大跨段地质较好，隧道覆土厚度深，并且该段房屋都有一定的基础，隧道合理的分步开挖对房屋沉降没有造成太大的影响。软流塑段台阶法开挖施工对房屋影响较大，该段路７２号房屋修建时，基础较差（原为池塘，后杂填土回填），在房屋沉降达到预警值时，监测数据的及时反馈和预测防止了意外的发生；修改了施工方案后，跟踪监测效果很明显，能随时掌握反馈隧道施工和沉降情况，进行动态施工控制管理。房屋沉降变化同地表沉降规律基本相同，在距离隧道掌子面－１￣－２Ｄ时开始受开挖影响，沉降变量为总变量的１０％￣２０％；距离开挖面－１￣３Ｄ时沉降速率加速增长，占总变量的５０％￣８０％；在距离开挖面３Ｄ以后沉降开始变缓，直到５￣９Ｄ以后沉降变化逐渐平稳。

６结语

由于地表沉降控制基准的确定随工程条件变化，在工程实践中仍处于摸索经验及工程类比的阶段。针对具体工程时，常常通过类比、计算和综合考虑工程实际情况相结合的办法找出相应的基准值。本文对城市浅埋暗挖法修建地铁的沉降控制基准问题进行了一些尝试性分析，并将分析计算结果应用于南京地铁鼓－玄区间隧道，结合实测数据进行验证性对比，取得了较好的效果。

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单位体积污水的供气耗电量为０．０６３ｋＷｈ／ｍ３，供水耗电量为０．４６ｋＷｈ／ｍ３。

供水和供气的能耗之和即为反应器运行总能耗。所以，对ＤＣＩＴＦＢ每处理单位体积污水的总耗电量为０．８６ｋＷｈ／ｍ３，ＨＣＩＴＦＢ为０．５２３ｋＷｈ／ｍ３。按工业用电０．５０元／ｋＷｈ计，则ＤＣＩＴＦＢ处理每吨污水的运行费用为０．４３元，ＨＣＩＴＦＢ为０．２６元。由计算结果表明，ＨＣＩＴＦＢ反应器的运行费用低于ＤＣＩＴＦＢ，并且不高于其他生物处理工艺。

３结论

（１）ＤＣＩＴＦＢ和ＨＣＩＴＦＢ对生活污水均有良好的处理效果。当水力停留时间为４０ｍｉｎ时，ＤＣＩＴＦＢ对ＣＯＤ的平均去除率为８５．４％，ＨＣＩＴＦＢ为８８．５％，且ＣＯＤ出水均低于４５ｍｇ／Ｌ，相应的ＣＯＤ去除容积负荷达到１０ｋｇ／（ｍ３・ｄ）。

（２）ＨＣＩＴＦＢ反应器充氧能力强，氧利用率达１３％。

（３）由于采用溶气气浮进行泥水分离，ＨＣＩＴＦＢ反应器出水ＳＳ低于２０ｍｇ／Ｌ。

（４）ＨＣＩＴＦＢ能耗低于ＤＣＩＴＦＢ，是一种高效低耗的新型生物反应器。

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４１２・・