隧道盾构施工监测及结果分析
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(责任审编 白敏华)
2 监测项目及方法
211 监测内容 1) 环境安全 (施工对邻近地面 、建筑物 、地下管线
的影响) ; 2) 区间盾构施工过程中 ,拱顶沉降和隧道上浮 。 3) 区间盾构施工过程中 ,隧道周边收敛 。
212 监测项目 (见表 1) 213 测点布设和监测频率 (见表 2 、表 3) 214 监测控制标准
收敛计
盾构 施 工 过 程 中 围 岩 的变形
7 土层压力
土压力计
了解 施 工 过 程 结 构 的 荷载分布情况
表 2 测点布设
序号 监测项目
测点布设原则
1 地表沉降 (隆起)
盾构始发 、吊出段 100 m 范围内 ,每 20 m 设一 断面 ,其余地段每 50 m 设一断面
2
建筑物沉降 、倾斜
距线路中线 10 m 以内的四层及四层以上的建 筑物
4 结论
本文以沈阳市地铁一号线启工街 —重工街站盾构 区间工程为背景 ,通过对大量的现场监测数据分析 ,对 盾构施工引起的地表沉降规律进行了系统的分析 。其 主要结论有 :
1) 对地表沉降监测结果的数据处理说明 ,拟合曲 线能反映出测试数据的一般趋势 ,并且误差波动较小 。
2) 施工因素对地表沉降有着较大的影响 。 3) 开挖时的土压力大小 、同步注浆的压力 、注浆 量 、二次注浆等因素对地表沉降有着重要影响 。 因此 ,在盾构施工时应加强监测和信息反馈 ,及时 调整施工参数 。
表 1 监测项目表
序号 项 目
仪 器
目 的
地表建筑物 、管 1 线外观观察及裂
缝测量
裂缝计
当建筑物 、管线外观无 开裂时肉眼观察 ,有开 裂时使用裂缝计观察 。
2 3 4
地表沉降(隆起) 建筑物沉降、倾斜 地下管线沉降
徕 卡 DNA03 电 子 水 准 仪 、铟钢尺拓普康自动安 平水准仪 、铟钢尺全站仪
掌握 施 工 对 地 表 及 周 边环 境 的 影 响 程 度 及 范围 ,保证周围建筑物 的安全受控 。
5
隧道 的 拱 顶 降 、上浮
沉
徕 卡 DNA03 电 子 水 准 仪 ,拓普康自动安平水准 仪 ,变形观测专用铟钢尺
监控盾构掘进过程中 , 隧道 拱 顶 和 拱 底 的 位 移。
6 隧道周边收敛
参考文献 [1 ]中华人民共和国建设部. GB50308 —1999 地下铁道 、轻轨交 通工程测量规范[ S] . 北京 :中国建筑工业出版社 ,1999. [2 ]中华人民共和国建设部. GB50299 —1999 地下铁道工程施 工及验收规范[ S] . 北京 :中国建筑工业出版社 ,1999. [3 ]中华人民共和国建设部. J GJΠT8 —97 建筑变形测量规程 [ S] . 北京 :中国建筑工业出版社 ,1997. [4 ]中华人民共和国铁道部. TBJ108 —92 铁路隧道喷锚构筑法 技术规则[ S] . 北京 :中国铁道出版社 ,1992.
36
铁 道 建 筑 Railway Engineering
October ,2009
文章编号 :100321995 (2009) 1020036203
隧道盾构施工监测及结果分析
李乔荣
(中铁九局集团有限公司 大连工程处 ,辽宁 大连 116001)
摘要 :以沈阳市地铁一号线启工街 —重工街盾构区间工程为背景 ,通过大量的现场监测数据分析 ,对盾 构施工引起的地表沉降规律进行了系统的分析 ,供地铁施工工程参考 。 关键词 :隧道盾构 施工 监测 中图分类号 :U45613 + 1 文献标识码 :B
1 工程概况
重工 街 —启 工 街 区 间 起 点 设 计 里 程 为 DK6 + 0521818 ,终点设计里程为 DK6 + 8281040 ,区间长度为 7751222 m。区间隧道为单洞单线圆形断面 ,盾构法施 工 ,线间距分别为 13 m。区间隧道结构底最大埋深 191723 m(覆土厚度 131723 m) ,最小埋深 13186 m (覆 土厚度为 7186 m) 。
这 4 个监测断面从盾构距离该断面 30 m 开始测量 ,直 到盾构通过该断面 40 m 后且该断面地表沉降趋于稳 定才停止监测 。实测形成的最终地表横向沉降槽曲线 表明 ,沉降槽的形状与正态分布函数的图形基本一致 , 见图 1 。
由地表沉降曲线得出 : 1) 地表横断面的沉降槽类似于正态分布曲线 ,当 盾构机在地势平坦且无地面荷载的情况下最大沉降量
地表沉降数据进行分析 。这 4 个监测断面分别为 DK6 + 5381120 、DK6 + 5651290 、DK6 + 5901295 和 DK6 + 6081680 断面 。根据盾构施工过程 ,采取连续测量 ,对
序号 1 2 3
4
5
表 5 监控量测允许值 Un
监测项目
控制标准
地表沉降Πmm
30
收稿日期 :2009202216 ;修回日期 :2009207208 作者简介 :李乔荣 (1974 — ) ,男 ,辽宁大连人 ,工程师 。
采用《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》( TBJ108 — 92) 的 Ⅲ级监测管理并配合位移速率作为监测管理基 准 ,即将允许值的 3Π4 作为警告值 ,若允许值的 1Π3 作 为基准值 ,将警告值和允许值之间称为警告范围 ,若实 测值落在此范围 ,应提出警告 ,说明需商讨和采取施工 对策 ,预防最终位移值超限 ,警告值和基准值之间称为 注意监测的 Ⅲ级管理 ,见表 4 、表 5 。
6 土层压力
施工过程
表 4 监测管理表
管理 等级
管理值
施工状态
Ⅲ
U0 < UnΠ3
Ⅱ
UnΠ3 ≤U0 ≤2Π3 Un
Ⅰ U0 > 2Π3 Un ,并有增大趋势
注 : U0 为实测值 , Un 为允许值 。
可正常施工 应注意 ,并加强监测 应采取加强支护等措施
3 监测结果分析
311 横向地表沉降 本文从重启区间右线选取了 4 个监测断面的横向
4) 施工因素对地表沉降有着较大的影响 。开挖时 的土压力大小 、同步注浆的压力 、注浆量 、二次注浆等 因素对地表沉降有着重要影响 。
5) 推进时同步注浆多少对地表最终沉降有较大影 响 ,比较 4 个监测断面的沉降 ,在 DK6 + 5381120 断面 , 由于注浆量大 ,使得其最终沉降相对于其它断面小得 多 。因此 ,在盾构施工时 ,应加强监测和信息反馈 ,及 时调整施工参数 。 312 纵向地表沉降
序号 监测项目 监测周期
测试频率
1 2 3
地表沉降 (隆起) 建筑物沉降 、倾斜 地下管线沉降
全过程 全过程 全过程
开挖面距监测断面前后 < 20 m ,1～2 次Πd
4 拱顶沉降 、上浮 施工过程 开挖面距监测断面前后 < 50 m ,1 次Π2 d
5 隧道周边收敛
开挖面距监测断面前后 > 50 m ,1 次Π周
3) 盾构通过和盾尾脱出阶段地表沉降同样较大 , 是地表最大沉降值的 30 %～50 %。因此 ,盾构通过和 盾尾脱出阶段是沉降的主要阶段 。
4) 二次注浆对地表最终沉降有着较大的影响 ,通 过二次注浆 ,可以使地表最大沉降值减小 ,如 DK6 + 5381120 断面 ,在后期进行注浆 ,不仅使后期沉降大大 减小 ,而且使地面高程有所增加 。
3 地下管线沉降 4 拱顶沉降 、上浮 5 隧道周边收敛 6 土层压力
根据影响范围内建筑物重要程度进行选测 每 5～10 m 设一断面 每断面 1 个测点 每 5～10 m 设一断面 ,每断面 3 个测点 选择代表性地段设监测断面
2009 年第 10 期
隧道盾构施工监测及结果分析
37
表 3 监测频率
3) 地表沉降横向影响范围大约在 30 m 内 ,盾构施 工主要影响区在隧道轴线约 5 m 范围内 ,4 个监测断 面的地表沉降拐点都位于盾构隧道轴线中心左右 5 m 之内 ,在 这 一 区 域 , 沉 降 槽 体 积 占 总 体 积 的 60 %～ 70 % ,其沉降的平均值占最大沉降值的 60 %～80 %。
修建地铁等城市地下工程 ,有明 (盖) 挖法 、暗挖 法 、盾构法等 ,各种方法都有其优缺点和适用条件 ,而 盾构法却以其诸多优势成为城市地铁隧道采用较多的 施工方法 。如何减少施工对周围土体的扰动程度 ,最 大限度地降低施工对邻近建筑物及管线的影响 ,以及 对受影响的建筑物如何采取保护措施 ,一直是盾构施 工人员所关注的问题 。而盾构法施工隧道在砂性地层 中掘进参数及与产生的地表沉降关系成为一个重要的 研究课题 。
图 1 断面轴线处地表沉降与开挖距离关系
3 8
铁 道wenku.baidu.com 建 筑
October ,2009
发生在隧道中心 ,如 DK6 + 5901295 断面 ;当地势不平 坦或者存在地面荷载情况下最大沉降量发生在隧道中 心附近 ,最大沉降量偏离隧道中心的距离要视地面荷 载和覆土厚度决定 。
2) 盾构施工引起的地表沉降可以分为五个阶段 : ①盾构到达前地表沉降 ,此时盾构机距离观测断面约 - 30～10 m ,在本阶段 ,地表沉降值较小 ,为 1～2 mm , 是最大沉降值的 5 %～10 %。 ②盾构到达时的地表沉 降 。此时盾构机距离观测断面为 - 15～0 m ,如果土仓 土压力较高 ,这个阶段可能引起地表隆起 ,如 DK6 + 6081680 断面 。从普遍数据来看 ,这个阶段沉降为 2～ 4mm ,为最大沉降值的 10 %～20 %。 ③盾构通过时的 地表沉降 。此时盾构机距离观测断面为 0～10 m ,由 于盾构与土层之间的摩擦剪切力 ,以及盾构“抬头”和 “叩头”等引起砂性土体内的应力变化 ,这个阶段的沉 降一般会有突然变化 ,为 5～8 mm ,是最大沉降值的 30 %～50 %。 ④盾构通过后管片脱出盾尾时的地表沉 降 。此时盾构机距离观测断面为 10～40 m ,主要由于 “盾尾间隙”和应力释放引起的 ,这个阶段沉降很大 ,为 5～8 mm ,占最大沉降值的 30 %～50 %。 ⑤盾构通过 后长期固结沉降 。是由于土体受盾构掘进扰动 ,土体 再固结引起的 ,在盾构后方 40 m 以外 ,这个阶段的沉 降值不大 ,一般占最大沉降值的 10 %以内 。
由纵向地表沉降能分析出施工时盾构对前后方土 体影响范围与大小 。本文选取 4 个监测断面 ,将盾构 距离该断面 30 m 左右直到离开该断面 40 m 处测点的 地表沉降数值绘成图 1 。
断面轴线处的地表沉降表明 :
1) 盾构推进对前方土体影响范围大约在 30 m 范 围内 。从图 1 可知 ,对于前方土体的沉降量 ,一般不超 过 5 mm。但是持续的时间较长 ,沉降是在一个缓慢的 过程中完成的 ,并且有发生地表隆起的现象 。
地表隆起Πmm
10
桩基础建筑物Πmm 天然地基建筑物Πmm 普通砖石基础局部倾斜 相邻桩基差异沉降Πmm
10
30 3‰ 01005L ( L 为桩基间距)
煤气管道沉降Πmm
10
自来水管道沉降Πmm
30
插入式混凝土水管Πmm
10
非刚性管道沉降Πmm
30
掌子面变位
当隧道掌子面施工长度等于 一倍洞径时 ,变位速率 > 5 mmΠd ,应停工
2) 盾构推进对后方土体扰动沉降的影响范围主要 在 0～10 m 范围内 ,在改范围内砂性地层同黏土地层 不同 。砂性土体抗剪强度及黏聚力很弱 ,土体受到扰 动后很快产生边形沉降 ,无黏性土体的延时效应 。所 以本阶段沉降一般会有突然变化 ,且变化速率最大 ,为 5～8 mm ,为最大沉降值的 30 %～50 %。
2 监测项目及方法
211 监测内容 1) 环境安全 (施工对邻近地面 、建筑物 、地下管线
的影响) ; 2) 区间盾构施工过程中 ,拱顶沉降和隧道上浮 。 3) 区间盾构施工过程中 ,隧道周边收敛 。
212 监测项目 (见表 1) 213 测点布设和监测频率 (见表 2 、表 3) 214 监测控制标准
收敛计
盾构 施 工 过 程 中 围 岩 的变形
7 土层压力
土压力计
了解 施 工 过 程 结 构 的 荷载分布情况
表 2 测点布设
序号 监测项目
测点布设原则
1 地表沉降 (隆起)
盾构始发 、吊出段 100 m 范围内 ,每 20 m 设一 断面 ,其余地段每 50 m 设一断面
2
建筑物沉降 、倾斜
距线路中线 10 m 以内的四层及四层以上的建 筑物
4 结论
本文以沈阳市地铁一号线启工街 —重工街站盾构 区间工程为背景 ,通过对大量的现场监测数据分析 ,对 盾构施工引起的地表沉降规律进行了系统的分析 。其 主要结论有 :
1) 对地表沉降监测结果的数据处理说明 ,拟合曲 线能反映出测试数据的一般趋势 ,并且误差波动较小 。
2) 施工因素对地表沉降有着较大的影响 。 3) 开挖时的土压力大小 、同步注浆的压力 、注浆 量 、二次注浆等因素对地表沉降有着重要影响 。 因此 ,在盾构施工时应加强监测和信息反馈 ,及时 调整施工参数 。
表 1 监测项目表
序号 项 目
仪 器
目 的
地表建筑物 、管 1 线外观观察及裂
缝测量
裂缝计
当建筑物 、管线外观无 开裂时肉眼观察 ,有开 裂时使用裂缝计观察 。
2 3 4
地表沉降(隆起) 建筑物沉降、倾斜 地下管线沉降
徕 卡 DNA03 电 子 水 准 仪 、铟钢尺拓普康自动安 平水准仪 、铟钢尺全站仪
掌握 施 工 对 地 表 及 周 边环 境 的 影 响 程 度 及 范围 ,保证周围建筑物 的安全受控 。
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隧道 的 拱 顶 降 、上浮
沉
徕 卡 DNA03 电 子 水 准 仪 ,拓普康自动安平水准 仪 ,变形观测专用铟钢尺
监控盾构掘进过程中 , 隧道 拱 顶 和 拱 底 的 位 移。
6 隧道周边收敛
参考文献 [1 ]中华人民共和国建设部. GB50308 —1999 地下铁道 、轻轨交 通工程测量规范[ S] . 北京 :中国建筑工业出版社 ,1999. [2 ]中华人民共和国建设部. GB50299 —1999 地下铁道工程施 工及验收规范[ S] . 北京 :中国建筑工业出版社 ,1999. [3 ]中华人民共和国建设部. J GJΠT8 —97 建筑变形测量规程 [ S] . 北京 :中国建筑工业出版社 ,1997. [4 ]中华人民共和国铁道部. TBJ108 —92 铁路隧道喷锚构筑法 技术规则[ S] . 北京 :中国铁道出版社 ,1992.
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铁 道 建 筑 Railway Engineering
October ,2009
文章编号 :100321995 (2009) 1020036203
隧道盾构施工监测及结果分析
李乔荣
(中铁九局集团有限公司 大连工程处 ,辽宁 大连 116001)
摘要 :以沈阳市地铁一号线启工街 —重工街盾构区间工程为背景 ,通过大量的现场监测数据分析 ,对盾 构施工引起的地表沉降规律进行了系统的分析 ,供地铁施工工程参考 。 关键词 :隧道盾构 施工 监测 中图分类号 :U45613 + 1 文献标识码 :B
1 工程概况
重工 街 —启 工 街 区 间 起 点 设 计 里 程 为 DK6 + 0521818 ,终点设计里程为 DK6 + 8281040 ,区间长度为 7751222 m。区间隧道为单洞单线圆形断面 ,盾构法施 工 ,线间距分别为 13 m。区间隧道结构底最大埋深 191723 m(覆土厚度 131723 m) ,最小埋深 13186 m (覆 土厚度为 7186 m) 。
这 4 个监测断面从盾构距离该断面 30 m 开始测量 ,直 到盾构通过该断面 40 m 后且该断面地表沉降趋于稳 定才停止监测 。实测形成的最终地表横向沉降槽曲线 表明 ,沉降槽的形状与正态分布函数的图形基本一致 , 见图 1 。
由地表沉降曲线得出 : 1) 地表横断面的沉降槽类似于正态分布曲线 ,当 盾构机在地势平坦且无地面荷载的情况下最大沉降量
地表沉降数据进行分析 。这 4 个监测断面分别为 DK6 + 5381120 、DK6 + 5651290 、DK6 + 5901295 和 DK6 + 6081680 断面 。根据盾构施工过程 ,采取连续测量 ,对
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表 5 监控量测允许值 Un
监测项目
控制标准
地表沉降Πmm
30
收稿日期 :2009202216 ;修回日期 :2009207208 作者简介 :李乔荣 (1974 — ) ,男 ,辽宁大连人 ,工程师 。
采用《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》( TBJ108 — 92) 的 Ⅲ级监测管理并配合位移速率作为监测管理基 准 ,即将允许值的 3Π4 作为警告值 ,若允许值的 1Π3 作 为基准值 ,将警告值和允许值之间称为警告范围 ,若实 测值落在此范围 ,应提出警告 ,说明需商讨和采取施工 对策 ,预防最终位移值超限 ,警告值和基准值之间称为 注意监测的 Ⅲ级管理 ,见表 4 、表 5 。
6 土层压力
施工过程
表 4 监测管理表
管理 等级
管理值
施工状态
Ⅲ
U0 < UnΠ3
Ⅱ
UnΠ3 ≤U0 ≤2Π3 Un
Ⅰ U0 > 2Π3 Un ,并有增大趋势
注 : U0 为实测值 , Un 为允许值 。
可正常施工 应注意 ,并加强监测 应采取加强支护等措施
3 监测结果分析
311 横向地表沉降 本文从重启区间右线选取了 4 个监测断面的横向
4) 施工因素对地表沉降有着较大的影响 。开挖时 的土压力大小 、同步注浆的压力 、注浆量 、二次注浆等 因素对地表沉降有着重要影响 。
5) 推进时同步注浆多少对地表最终沉降有较大影 响 ,比较 4 个监测断面的沉降 ,在 DK6 + 5381120 断面 , 由于注浆量大 ,使得其最终沉降相对于其它断面小得 多 。因此 ,在盾构施工时 ,应加强监测和信息反馈 ,及 时调整施工参数 。 312 纵向地表沉降
序号 监测项目 监测周期
测试频率
1 2 3
地表沉降 (隆起) 建筑物沉降 、倾斜 地下管线沉降
全过程 全过程 全过程
开挖面距监测断面前后 < 20 m ,1～2 次Πd
4 拱顶沉降 、上浮 施工过程 开挖面距监测断面前后 < 50 m ,1 次Π2 d
5 隧道周边收敛
开挖面距监测断面前后 > 50 m ,1 次Π周
3) 盾构通过和盾尾脱出阶段地表沉降同样较大 , 是地表最大沉降值的 30 %～50 %。因此 ,盾构通过和 盾尾脱出阶段是沉降的主要阶段 。
4) 二次注浆对地表最终沉降有着较大的影响 ,通 过二次注浆 ,可以使地表最大沉降值减小 ,如 DK6 + 5381120 断面 ,在后期进行注浆 ,不仅使后期沉降大大 减小 ,而且使地面高程有所增加 。
3 地下管线沉降 4 拱顶沉降 、上浮 5 隧道周边收敛 6 土层压力
根据影响范围内建筑物重要程度进行选测 每 5～10 m 设一断面 每断面 1 个测点 每 5～10 m 设一断面 ,每断面 3 个测点 选择代表性地段设监测断面
2009 年第 10 期
隧道盾构施工监测及结果分析
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表 3 监测频率
3) 地表沉降横向影响范围大约在 30 m 内 ,盾构施 工主要影响区在隧道轴线约 5 m 范围内 ,4 个监测断 面的地表沉降拐点都位于盾构隧道轴线中心左右 5 m 之内 ,在 这 一 区 域 , 沉 降 槽 体 积 占 总 体 积 的 60 %～ 70 % ,其沉降的平均值占最大沉降值的 60 %～80 %。
修建地铁等城市地下工程 ,有明 (盖) 挖法 、暗挖 法 、盾构法等 ,各种方法都有其优缺点和适用条件 ,而 盾构法却以其诸多优势成为城市地铁隧道采用较多的 施工方法 。如何减少施工对周围土体的扰动程度 ,最 大限度地降低施工对邻近建筑物及管线的影响 ,以及 对受影响的建筑物如何采取保护措施 ,一直是盾构施 工人员所关注的问题 。而盾构法施工隧道在砂性地层 中掘进参数及与产生的地表沉降关系成为一个重要的 研究课题 。
图 1 断面轴线处地表沉降与开挖距离关系
3 8
铁 道wenku.baidu.com 建 筑
October ,2009
发生在隧道中心 ,如 DK6 + 5901295 断面 ;当地势不平 坦或者存在地面荷载情况下最大沉降量发生在隧道中 心附近 ,最大沉降量偏离隧道中心的距离要视地面荷 载和覆土厚度决定 。
2) 盾构施工引起的地表沉降可以分为五个阶段 : ①盾构到达前地表沉降 ,此时盾构机距离观测断面约 - 30～10 m ,在本阶段 ,地表沉降值较小 ,为 1～2 mm , 是最大沉降值的 5 %～10 %。 ②盾构到达时的地表沉 降 。此时盾构机距离观测断面为 - 15～0 m ,如果土仓 土压力较高 ,这个阶段可能引起地表隆起 ,如 DK6 + 6081680 断面 。从普遍数据来看 ,这个阶段沉降为 2～ 4mm ,为最大沉降值的 10 %～20 %。 ③盾构通过时的 地表沉降 。此时盾构机距离观测断面为 0～10 m ,由 于盾构与土层之间的摩擦剪切力 ,以及盾构“抬头”和 “叩头”等引起砂性土体内的应力变化 ,这个阶段的沉 降一般会有突然变化 ,为 5～8 mm ,是最大沉降值的 30 %～50 %。 ④盾构通过后管片脱出盾尾时的地表沉 降 。此时盾构机距离观测断面为 10～40 m ,主要由于 “盾尾间隙”和应力释放引起的 ,这个阶段沉降很大 ,为 5～8 mm ,占最大沉降值的 30 %～50 %。 ⑤盾构通过 后长期固结沉降 。是由于土体受盾构掘进扰动 ,土体 再固结引起的 ,在盾构后方 40 m 以外 ,这个阶段的沉 降值不大 ,一般占最大沉降值的 10 %以内 。
由纵向地表沉降能分析出施工时盾构对前后方土 体影响范围与大小 。本文选取 4 个监测断面 ,将盾构 距离该断面 30 m 左右直到离开该断面 40 m 处测点的 地表沉降数值绘成图 1 。
断面轴线处的地表沉降表明 :
1) 盾构推进对前方土体影响范围大约在 30 m 范 围内 。从图 1 可知 ,对于前方土体的沉降量 ,一般不超 过 5 mm。但是持续的时间较长 ,沉降是在一个缓慢的 过程中完成的 ,并且有发生地表隆起的现象 。
地表隆起Πmm
10
桩基础建筑物Πmm 天然地基建筑物Πmm 普通砖石基础局部倾斜 相邻桩基差异沉降Πmm
10
30 3‰ 01005L ( L 为桩基间距)
煤气管道沉降Πmm
10
自来水管道沉降Πmm
30
插入式混凝土水管Πmm
10
非刚性管道沉降Πmm
30
掌子面变位
当隧道掌子面施工长度等于 一倍洞径时 ,变位速率 > 5 mmΠd ,应停工
2) 盾构推进对后方土体扰动沉降的影响范围主要 在 0～10 m 范围内 ,在改范围内砂性地层同黏土地层 不同 。砂性土体抗剪强度及黏聚力很弱 ,土体受到扰 动后很快产生边形沉降 ,无黏性土体的延时效应 。所 以本阶段沉降一般会有突然变化 ,且变化速率最大 ,为 5～8 mm ,为最大沉降值的 30 %～50 %。