地表沉降分析

地表沉降分析

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1、前言

地下空间作为城市的重要资源,在发达国家得到了多方面的应用，随着我国经济的快速发展，城市地下空间的开发利用已经受到广泛重视,城市地下工程的兴建已经成为一种趋势。就地下铁路来看,我国从１９6５年开始修建地下铁道，至今已有北京、天津、上海、广州、深圳、南京等大城市建成部分地铁，武汉等其它城市也即将或将要修建地铁，我国的地铁建设已步人快速发展阶段。ﻫ

然而,在地铁工程的施工中,地表沉降事故发生的概率很高。以深圳地铁一号线的建设为例,在施工工期内,地面沉降事故占总事故的25%。事故发生地位于深圳市区繁华地段，对工程周围的建筑物以及地下管线产生了一定的影响,同时也影响了工程的进度增加了工程的费用。

所以，不论从工程进度、费用的控制方面考虑还是从工程质量安全方面来考虑,都要对地表沉降控制有足够的重视，从各个方面着手，来控制沉降的发生。ﻫ

2、地铁工程沉降控制的重要性ﻫ地表沉降的主要危害有:

(1）沿海地区沉降使地面低于海面,受海水侵袭；

（２)一些港口城市,由于码头、堤岸的沉降而丧失或降低了港湾设施的能力; ﻫ（3)桥墩下沉，桥梁净空减小,影响水上交通;

（4）在一些地面沉降强烈的地区，伴随地面垂直沉陷而发生的较大水平位移，往往会对许多地面和地下构筑物造成巨大危害; ﻫ（5）在地面沉降区还有一些较为常见的现象，如深井管上升、井台破坏,高摆脱空,桥墩的不均匀下沉等，这些现象虽然不致于造成大的危害,但也会给市政建设的各方面带来一定影响。

针对地铁工程而言,进行沉降控制的重要性体现在两个方面:

（１)城市地铁工程一般位于城市的繁华地段，周围建筑物密集、各种地下管线纵横复杂交错，一旦沉降事故发生，将可能造成建筑物开裂、倾斜，地下管线断裂等事故。影响市民正常生活，造成各种纠纷，进而影响工程施工的进度，增加工程的费用。 2(ﻫ）沉降事故在地铁工程的施工中属于多发事故。同时其发生的直接表现为地下隧道拱顶的下沉或坍塌,而这种塌陷的发生又多由围岩涌水、涌泥，支护失效,工程爆破等原因引起。这些原因的存在和发生,可以导致施工现场的人员伤亡、设备损坏,进而影响工程进度、增加工程费用,造成严重的后果。

可以看出，事故的多发性和事故后果的严重性，使沉降事故成为地铁施工中的重大风险因素，在施工过程中进行沉降控制技术的研究和应用使十分必要的。 3ﻫﻫ、地铁工程沉降控制技术 3.1ﻫ地面沉降发生的机理分析ﻫ地铁工程以上地面的岩层或土层在自然状态下，一般处于应力平衡的稳定状态。在地下工程施工中，要通过人工、机械或者爆破等方式进行土石方开挖。土石方的移除、土石层孔隙水的排出，必然会改变土石地层的应力状态,使之处于非平衡状态。这种状态可以在短时间内或者经过较长的时间效应变化之后显现出来,出现坍塌、变形等现象,进而导致地面沉降。

3．2地面沉降发生的原因分析 3.2.1ﻫ土层的沉降原因分析

(1)土层自身的特点：天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架体，孔隙水和气体填充骨架体而组成的三相体系。饱和土由土颗粒和水组成,土颗粒之间存在胶结物,有些没有粘结。但是它们都能传递荷载，从而形成传力骨架,叫做土骨架。外载荷作用在土体上，一部分由孔隙水承担,叫做孔隙水压力，另一部分则由土骨架承担,就是有效应力，对引起压缩和产生强度有效。孔隙水压力可以分成两部分，一个是静水压力，在荷载施加之前就存在,一个是超孔隙水压力,由外载荷引起。土体的变形是孔隙流体及气体体积减小、颗粒重新排列、颗粒间距离缩短和骨架体发生错动的结果。粘性土有一定的厚度,水总是在土层透水面先排出,使孔隙

压力降低然后向土层内部传递。这种孔压力降低的过程,一方面取决于土的渗透性,另一方面取决于在土中的位置。软粘土的渗透系数很低,固结过程很长。土体受外力后，土粒和孔隙中的流体均将发生位移。当建筑物通过基础将压力传递给地基后或者土层下部通过土石方开挖而失去支承,土体内部将发生应力变形。从而引起地基下沉或地表下沉。

(2)施工方案的选择：预防沉降的发生,进行正确的、可靠的支护是十分重要的。当支护方法不当或者失效的时候,难以使土层处于稳定状态，土层将失去稳定性,进而会导致地层沉降。 3.2.2ﻫ岩石层的沉降原因分析

(1）岩石层的沉降与岩石层的地质特点有直接关系：岩石在长期的地质演变中产生出褶皱、裂隙、断层等地质构造。褶皱是岩石在构造中受力形成的连续弯曲变形。岩石中沿断裂面没有位移的断裂为裂隙。褶皱岩层核部产生许多裂隙,而背斜顶部岩层易塌落,向斜核部是储水丰富的地段,地铁隧道中易发生岩层的塌落、漏水及涌水。地铁隧道与褶皱走向一致时建筑中易发生岩层顺层滑动。断层是两盘岩石沿断裂面发生位移的断裂，一般伴有几米到几十米的岩石破碎带。地铁隧道工程通过断裂带时易发生坍塌，车站建筑物易发生不均匀沉降等。(２）施工方案的选择:防排水、支护等施工方式的正确选择以及方案的有效性都会影响到岩层沉降控制的效果。当方案失效的时候,可能会导致生沉降的发生。

ﻫ3.３沉降控制技术的机理ﻫ施工中会造成地层的地层损失、原始应力状态变化、土体固结、土体的蠕变,同时还可能发生支护结构的变形等情况的发生。所以，进行地层沉降控制，其出发点是保持或者加强原有地层的稳定性,维持其稳定的应力平衡状态。 3ﻫ．４沉降控制技术

资料表明，隧道施工引起地表沉陷的程度主要取决于：ﻫ(１)地层和地下水条件；

(2)隧道埋深和直径；ﻫ（3)施工方法。

其中，施工方法的影响更为明显。同样的地质条件和设计，不同的施工方法引起的地表沉陷会有很大的差异。因此，对地铁的施工方法进行对比分析是建设者必须首先论证的问题。地铁的施工方法主要有3种:明挖法、新奥法和盾构法。明挖法由于对地面交通干扰大,且因敞开作业对周围环境千扰、污染严重，现在已经较少使用。新奥法和盾构法对环境干扰小，是主要的施工方法。下面结合地表沉陷的产生与控制措施对这2种施工方法进行概述。

ﻫ3.4.1新奥法

所谓新奥法就是施工过程中充分发挥围岩本身具有的自承能力，即洞室开挖后，利用围岩的自稳能力及时进行以喷锚为主的初期支护,使之与围岩密贴,减小围岩松动范围,提高自承能力，使支护与围岩联合受力共同作用。ﻫ采用新奥法时主要的施工方法有:

（1）全断面开挖法，原则上是一次完成设计开挖断面，是在稳定的围岩中采用的方法; （2）台阶开挖法; 3(ﻫ）侧壁导坑环型开挖法，这是当地质条件特别差时所采用的一种方法，也是城市隧道抑制下沉时常用的方法。ﻫ采用新奥法施工时，地面沉陷主要取决于开挖的方法、初期支护及永久支护的时间和强度，有以下防止地面下沉的措施:

(1)改变施工方法:缩短开挖进尺，如计划1个循环１.５ｍ，可缩短为１m或0．8m;不用全断面开挖方法,而用环型开挖方法．

(2)稳定掌子面法：掌子面的稳定是施工的前提条件,对于粘聚力小的土砂围岩，应选用辅助施工方法,如超前支护、开挖面喷射混凝土和安设锚杆等。

开挖面超前支护是在开挖面前方的围岩内插入钢筋、钢管和钢板作为辅助性支护构件，用以防护开挖面及拱部以及防止围岩松弛。插入的角度应尽可能地小，以减少超挖量。开挖面喷射混凝土应尽早进行，对于土砂围岩,一般喷射３cｍ厚的混凝土就能防止开挖面的局部塌落。ﻫﻫ(３)特殊施工法：有管棚法,挡墙施工法、从地表打锚杆法、特殊钢板施工法(麦塞尔插板法)、注浆法和冻结法等。