文章编号:1673󰀁0291(2010)03󰀁0117󰀁05地铁区间浅埋暗挖隧道地表沉降的控制标准齐震明1,2,李鹏飞1(1.北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京100044;2.深圳市地铁集团有限公司,广东深圳518033)摘󰀁要:基于浅埋暗挖隧道施工引起地表沉降的时空效应和沉降机理分析,综合运用模糊聚类分析方法对北京地铁5号线和10号线24个区间隧道的1497个地表沉降测点的数据进行统计分析,得出了地铁区间浅埋暗挖隧道地表沉降值的分布规律和地表沉降槽宽度参数反弯点距离、地层损失率的一般特征,给出了地表沉降槽曲线反弯点距离与等效轴向埋深的关系,提出了较为合理可行的地标沉降控制标准,并提出预警、报警、极限3级控制的管理方法.研究成果为认识地铁区间浅埋暗挖隧道地表沉降及地表沉降控制标准制定等具有一定的参考价值.关键词:隧道工程;浅埋暗挖法;地表沉降;时空效应;控制标准中图分类号:U456󰀂3󰀁󰀁󰀁文献标志码:AControlStandardofGroundSurfaceSettlementsinMetroSectionShallowTunnelQIZhenming1,2,LIPengfei(1.TunnelandUndergroundEngineeringResearchCenterofMinistryofEducation,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China;2.ShenzhenMetroGroupCo.Ltd,Guangdong,Shenzhen518033,China)Abstract:Basedtheanalysisoftemporal󰀁spatialeffectandsettlementmechanism,applythefuzzyclus󰀁teranalysisfor1497groundsurfacesettlementsof24runningtunnelsinBeijingsubwayLine5,rep󰀁resentthegeneraldistinctionofshallowtunnelgroundsurfacesettlementsregularitiesofdistributionandthesurfacesettlementstroughwidthparameterinflexionpointdistance,andthelossratioofstra󰀁tum,gaintherelationbetweensurfacesettlementtroughwidthparameterinflexionpointdistanceandequivalenceaxialdepthofburial,putforwardafeasiblesurfacesettlementcontrolcriterion,andcon󰀁trolmethodcontainsthe3classes:prewarning、alarmandextreme.Researchfindingssupplysomeref󰀁erencevalueforcognitiveshallowtunnelgroundsurfacesettlementsregularitiesofdistributionandde󰀁velopcontrolstandard.Keywords:tunnelengineering;shallowtunnelconstructionmethod;groundsurfacesettlement;tem󰀁poral󰀁spatialeffect;controlstandard

󰀁󰀁收稿日期:2009󰀁10󰀁26基金项目:北京市科技计划重点项目资助(D08050603130804)作者简介:齐震明(1969󰀂),男,河南洛阳人,教授级高级工程师,博士生.email:bhfp@sina.com.󰀁󰀁地铁等城市隧道施工影响下的地层变形规律及控制方法一直是近些年工程界研究的热点[1󰀁5].隧道施工引起的地表沉降,受隧道地质条件、隧道跨度及埋深、开挖方法、支护时机与刚度,以及施工管理技术水平等多方因素的影响,地表沉降机制复杂,很难定量预测隧道施工引起的地表沉降及发展过程.然而,大量的工程实践及科学研究[1󰀁5]均表明,隧道施工影响下的地表沉降是有规律可循的.本文作者基于北京地铁5号线、10号线的工程背景,以大量的现场监测数据为基础,研究了北京地区浅埋暗挖第34卷第3期2010年6月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁北󰀁京󰀁交󰀁通󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报JOURNALOFBEIJINGJIAOTONGUNIVERSITY󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol.34No.3Jun.2010区间隧道施工引起地表沉降的一般特征,包括最大地表沉降值、地表沉降槽宽度参数和地层损失率等指标.同时对这些指标进行统计分析,提出浅埋暗挖地铁区间隧道地表沉降的建议控制标准值,使其具有安全性、经济性、合理性和可操作性.1󰀁地表沉降的时空效应与机理分析由于隧道地质条件、结构形式、开挖方法、支护时机与刚度等各有不同,对地层造成的扰动程度也不同,但隧道开挖引起的地表沉降都具有相似的特征.其发展规律随着隧道开挖面所处的位置及移动过程的改变而变化,表现出明显的时空效应.时间与空间的交互作用反映了隧道施工引起地表沉降的一般特征,如图1所示.

图1󰀁隧道开挖引起地表沉降示意图Fig.1󰀁Groundsettlementtroughinducedbytunneling1󰀂1󰀁地表沉降的时间效应浅埋暗挖隧道开挖后地表沉降不是瞬间达到最终值,而是随着时间推移逐渐累积的,地层沉降具有明显的时间效应.现场监测表明,暗挖隧道施工引起的地表沉降随时间的发展过程如图2所示.

图2󰀁隧道开挖引起地表沉降随时间变化曲线Fig.2󰀁Curveofsurfacesettlementswiththechangeoftimeduringtunnelexcavation单个地表点的沉降过程经历3个阶段:先行沉降、施工沉降和后续沉降.先行沉降指自隧道开挖面到达测点之前所产生的沉降,是由于开挖面土压力失衡、支护力不足,以及地层地下水位降低而产生的.在隧道施工阶段,开挖造成周围地层向着隧道内移动,由于隧道支护时间、支护强度和支护刚度的滞后,以及喷射混凝土密实度不足造成地层空隙等原因,此阶段往往造成较大的地表沉降,通常在1个月左右.后续沉降是指由于地层次固结和蠕变等作用造成的残余地表沉降.1󰀂2󰀁地表沉降的空间效应1)横向地表沉降规律.浅埋暗挖隧道施工引起的横向地表沉降曲线如图3所示,学者Peck将其近似为正态分布曲线其公式为Sx=Vl2󰀁iexp-x22i2(1)Smax=Vl2󰀁i Vl2󰀂5i(2)i=H2󰀁tan45!-󰀂2(3)其中:Sx为横断面上与隧道轴线距离为x地面点的沉降量;Vl为由于隧道开挖引起的地层损失量;Smax为地面沉降量最大值,位于隧道中心线处;i为沉降槽宽度系数,取为地表沉降曲线反弯点与原点的距离;H为覆土厚度;󰀂为地层内摩擦角.

图3󰀁横向地表沉降槽曲线Fig.3󰀁Curveofcrossdirectionsurfacesettlementstrough2)纵向地表沉降规律.浅埋暗挖隧道施工引起的纵向地表沉降,根据距离开挖面位置的不同,分为微小变形区、急剧增大区、缓慢变形区和稳定变形区等4个区域,见图4.微小变形区是指开挖面前方1~1󰀂5倍洞径的区域.该段沉降量约为总沉降量的10%~20%.主要原因是工作面的开挖,导致的前方地层应力释放及地层的失水固结.急剧增大区是指开挖面前方1倍洞径和后方3倍洞径的区域.该区域地表沉降速118北󰀁京󰀁交󰀁通󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第34卷率加速增强,变形量急剧增大,此阶段的沉降量约占总沉降量的50%~60%.该阶段变形主要原因是随着隧道的开挖,造成边界条件发生改变,扰动覆盖土体并引起应力场重新分布.缓慢变形区是指开挖面后方3~5倍洞径的区域.该区域地表沉降速率减缓,变形量缓慢增加,沉降曲线开始收敛,此阶段的沉降量约占总沉降量的10%~15%.稳定变形区是指开挖面后方5倍洞径以外的区域.该区域地表沉降增长缓慢,地层趋于稳定状态.

图4󰀁纵向地表沉降曲线Fig.4󰀁Curveoflengthwisedirectionsurfacesettlements1󰀂3󰀁地表沉降机理分析浅埋暗挖隧道施工引起的地表沉降伴随着隧道施工的各个阶段,由开挖地层损失沉降、地层失水固结沉降和次固结沉降3部分组成[4󰀁5].浅埋暗挖隧道施工各阶段的地表沉降原因和机理如表1所示.表1󰀁浅埋暗挖隧道施工各阶段的地表沉降原因和机理Tab.1󰀁Surfacesettlementsmechanismofshallowtunnelduringdifferentconstructionstages沉降阶段沉降原因地层变化沉降机理先行沉降超前扰动、地下水位下降有效上覆土重增加固结沉降开挖前工作面坍塌、开挖过量地层应力释放或扰动弹塑性变形开挖时围岩收敛变形地层应力释放或扰动弹塑性变形开挖后围岩收敛变形和衬砌变形地层应力释放弹塑性变形后续沉降地层蠕变和固结,衬砌变形引起的相应变形孔隙水压力消散弹塑性变形,固结蠕变变形2󰀁地铁区间隧道地表沉降统计分析2󰀂1󰀁工程概况和选点原则地铁5号线和10号线是北京市轨道交通线网规划中两条重要干线.根据工程地质条件及周边环境特点,两条线路采用浅埋暗挖法修建的区间隧道有24个,区间断面开挖跨度从5󰀂80m到14󰀂60m不等,开挖方法涵盖了台阶法、CD法、CRD法,以及双侧壁法.施工影响范围内的地层条件比较相近,主要包括粉细砂、中粗砂、粉土、粉质黏土、黏土和卵石砂砾等地层.由于地质沉积层的∀相变#十分明显,形成了具有北京特点的∀砂黏土#和∀黏砂土#地层.在24个浅埋暗挖法施工区间,根据能反映地表最大沉降(位于区间左右线结构中心线上方)和能反映地铁施工全过程引起的累计沉降值的两个原则(在有效测点的统计过程中剔除异常点及大断面上(含折返线及渡线等)的点),总共选取了1497个有效地表沉降测点.2󰀂2󰀁地表沉降统计与分析1)地表沉降量分析󰀂对1497个测点的地表沉降值进行统计分析,其中最大沉降值为77󰀂88mm,最小沉降值为0󰀂06mm,均值为31󰀂6mm,其中沉降值小于30mm的点占46%,沉降值小于40mm的点占70%.如果剔除沉降值5mm以下的点,则得到均值为33󰀂4mm,其中沉降值小于30mm的点占42%,沉降值小于40mm的点占67%.如果剔除沉降值10mm以下的点,则得到均值为35󰀂6mm,其中沉降值小于30mm的点占39%,沉降值小于40mm的点占66%.接近一半的测点沉降值在(25mm,45mm)区间内.2)沉降槽宽度参数与地层损失率分析.反弯点距离i反映了隧道地表沉降槽的横向影响范围,地层损失率V1反映了开挖对地层的扰动程度,这两个参数反映了横向地表沉降槽的一般特征.其计算公式为V1=4Vs󰀁D2(4)Vs=∃%-%Sdy=2󰀁iSmax 2󰀂5iSmax(5)式中:V1为地层损失率,%,指单位距离内沉降槽体积占隧道开挖体积的百分比;D为隧道等效直径;Vs为隧道掘进方向上单位距离的沉降槽体积(即地层损失).关于沉降槽曲线反弯点距离i,计算公式主要有线性函数和复合幂指数函数两种形式.受周边复杂地表环境的影响,区间隧道地表沉降监测点横向范围普遍较小,难以考虑对地表沉降槽反弯点的影响,且等效轴线埋深分布范围较集中,故采用复合幂指数函数形式拟合效果并不理想.为保证分析结果的可靠性,使得规律更加明显,采用简化的线性函数式进行拟合i=Kzt(6)式中:i为沉降槽反弯点距离;zt为隧道等效轴线埋119第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁齐震明等:地铁区间浅埋暗挖隧道地表沉降的控制标准