城市浅埋暗挖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中铁十三局集团二处南京地铁TA25项目部蒲开勇范文兴黄捷胜【摘要】本文按地面建筑物沉降、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，结合南京地铁鼓楼站-玄武门站区间具体情况，对浅埋暗挖隧道地表、建筑沉降进行细致监测，并根据现场实测数据进行较为深入的分析，阐述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引言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，这就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～玄武门站区间隧道开挖方法为矿山法,在鼓楼站北修建一停车渡线，其起始里程为K10+337.7,终点里程为K10+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11.9～17.30m。

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 1.2～4.5m。

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307.6 m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，地面有五层住宅楼3幢和两层砖房两处（为民国时期建筑）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中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，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分加以分析。

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（如图1所示）,Peck 方程为:)2ex p(22max ix s s -= （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；max S —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： )245(2ϕπ-+=οtg RH i （2） 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：)(29.0b a R +=，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：πA R =，其中A 为非圆形结构的面积。

图1地表沉降横向预测示意图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：][/f L S ≤∆ （3）式中：L —建筑物相邻柱基础间距；[]f —建筑物的允许倾斜；S ∆—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限制条件。

此时，差异沉降（不均匀沉降）达到最大（如图2-a 所示），从而得允许最大沉降差为：][f S ≤∆i (4)由Peck 曲线可知，当x =i 时，得出地表下沉的最大斜率为： max max 61.0S iK =(5) 由极限条件max K ≤][f 即][61.0max f S i ≤，并假定建筑物最大允许倾斜与max K 相等，此时，地表最大允许沉降量为： ][61.0max f i S = (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（2-b ）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： 22)]([][i i i S -+=ε (7)式中：[][]E /σε=；[]σ—基础的极限抗拉强度；E —基础弹性模量。

图2-a 图2-b图2 隧道施工对建筑物影响示意图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。

控制标准表隧道施工的安全标准以F 值确定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（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+因瓦水准标尺测量。

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30—40米开始观测，为1次/2-3天；隧道开挖至距离测点3倍洞径时正常情况为1次/1天；距离1倍洞径时2-3次/天，直到隧道成环并超过2倍洞径；后期为1次/天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。

测点布设见3：大跨地质、测点布设断面图和软流塑测点布设断面图。

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附合水准路线，附合在基准点上。

基准点每月检测一次。

沉降监测、测站限差执行规范为《建筑变形测量规范》JGJ/T 8-97；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；水准仪必须定时自较，i 角变化超过观测等级要求必须送检维修或调试。

管理允许值实测变形值F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（如图4所示）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，软流塑段穿越中央路和旧楼房群，本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（如图3所示），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。

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：a.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5～10米。

b.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6中可以看出，地表下沉的变化过程可分为四个阶段：a. 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。

b. 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。

c. 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。

d. 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5～8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 取为：12.0m ，因其为非圆马蹄形结构，该区其等效半径为：πA R =，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14.322.156=R =7.052；根据地质资料，ϕ值取为：18o 。

据式(2)得： )245(2ϕπ-+=οtg RH i =)21845(2052.70.12οο-+tg π=10461（mm ） 据式(6)得： 31.383(mm)104610.003][61.0max =⨯==f i S 考虑大跨的围岩较好，最后综合评定为35.0mm 。