城市浅埋暗挖地铁隧道沉降控制与分析

城市浅埋暗挖地铁隧道沉降控制与分析

收稿日期:2006206216

作者简介:周石喜(19742),男,工程师,港铁轨道交通(深圳)有限公司,广东深圳　518049

周石喜

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了分析,并对浅埋暗挖隧道地表、建筑沉降进

行细致监测,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,沉降监测中图分类号:U456文献标识码:A

1　工程概况

南京地铁南北线一期工程T A12标鼓楼站～玄武门站区间隧

道设计为矿山法施工,在鼓楼站北修建一停车渡线,其起始里程为K 10+337.7,终点里程为K 10+671.286,渡线段长333.586m ,实际施工开挖最大断面(马蹄形)。该段覆土厚度11.9m ～17.30m 。地质情况从上至下依次为松散～稍密状杂填土、软塑状粉质粘土、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1.2m ～4.5m 。渡线段地表建筑物、地下管线较密集且安全度较低。地表有两层以上建筑物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 的软塑～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、开挖面不稳现象,地面有五层住宅楼3幢和两层砖房两处(为时期建筑)并穿越市区道路。

2　沉降控制预警值的确定

地下工程在施工时产生沉降,在其影响范围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,Peck 方程为:

S =S max exp (-x 2

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;S max ———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 +R

2πtg (45°-

<2

)

(2)

式中: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;对于其他非圆形结构,其等效半径为:R =A /π,其中A 为非圆形结构的面积。

根据上面计算公式并结合本鼓～玄区间隧道埋深、地质水文情况以及各项物理指标,拟订如表1所示沉降控制预警值供施工参考。

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

。

其中,F <0.8为安全;0.8≤F <1.0为注意;F >1.0为危险。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

学调节。

表1　控制标准表

量测项目

控制范围

允许值

建筑物倾斜/弧度全线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 -1

≤Ⅱ类围岩5>Ⅱ类围岩3

3　监测方法(监测仪器、测点布设、监测频率以及监测方法、注意事项)

本区间观测使用DSZ2精密水准仪+FS1平板测微器+铟瓦水准标尺测量。地表沉降测点使用电钻钻孔埋入Ф20钢筋头,地面露出1cm ,钢筋头埋下以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Ф18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30m ～40m 开始观测,为1次/(2d ～3d );隧道开挖至距离测点

3倍洞径时正常情况为1次/1d ;距离1倍洞径时2次/d ～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。

4　监测数据结果及分析

4.1　地表沉降实测数据与理论分析

采用暗挖法进入施工,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。

南京地铁鼓楼～玄武门区间地质结构复杂,大跨停车线段穿越均为Ⅱ类围岩,软流塑段穿越路和旧楼房群,本区间地表沉降监测过程中,为更好地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1为隧道纵向中心地表沉降测点随时间变化的曲线图。

由沉降槽预测示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

・

692・第33卷第2期2007年1月　　　　　　　　　　山西建筑SHANXI 　ARCHITECTURE

　　　　　　　　　　　　　　　　Vol.33No.2Jan.　2007　　

加,叠加率为30%～50%,横向影响范围增长5m ～10m 。

2)沉降曲线之变曲点i 位于距中线0.8D ～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1中可以看出,地表下沉的变化过程可分为四个阶段:1)微小变形阶段:

当掌子面开挖到与测点距离-1.0D ～-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-1D ～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3.0D 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5.0D ,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5.0D 后,沉降增长缓慢,直至延续到8.0D ,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倍～8倍洞径处。

4.2　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 取为: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;<=20°。据式(2)得:i =H +R 2πtg (45°-<2)=12.0+7.0522πtg (45°-20°2

)=10855mm ,

S max =

i

0.61

[f ]=0.003×10855=32.56mm 。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 取为: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;<=20°。

据式(2)得:

i =H +R 2πtg (45°-<2)=8.00+3.302

2πtg (45°-20°

2

)=39mm ,

S max =

i

0.61

[f ]=0.003×39=19.31mm 。

软流塑过楼房段,地质差、地下水位低,考虑其环境情况,最

后预警值定为25.0mm 。

根据上述公式的计算结果,在本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的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～玄区间地铁隧道在施工过程中,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-1D ～-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-1D ～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5D ～9D 以后沉降变化逐渐平稳。

5　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。文中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工程一期工程鼓～玄区间,结合实测数据进行验证性对比,取得了较好的效果。

参考文献:

[1]梁炯均.锚固与注浆技术手册[M ].北京:中国电力出版社,1999.[2]王　珊.地铁工程设计与施工新技术实用全书[M ].长春:银声音像出版社,2004.

Settlement control and analysis of shallow metro tunnel construction by underground cutting

ZH OU Shi 2xi

Abstract :According to various specifications on building settlement and ground subsidence in practice problems related to settlement control are analyzed.Taking shallow metro tunnel construction works detailed settlement monitorin g is carried out on ground and buildings.Matters de 2serving attention in construction and design of shallow metro tunnel are pointed out in order to provide references for similar works.K ey w ords :metro tunnel ,shallow underground excavation ,settlement monitoring

・

792・　　第33卷第2期2007年1月

　　　　　　　　　　　　周石喜:城市浅埋暗挖地铁隧道沉降控制与分析