地铁沉降

一．地铁沉降研究方法
1.Peck公式法
主要是根据地表隧道开挖后地表沉降槽的形状,采用一定的曲线形式表示,再根据地表沉降实测结果或己有的资料,确定曲线的具体特征参数,1969年,在当时大量隧道开挖施工引起的地表沉降实测资料的基础上,PeCk系统地提出了地层损失的概念和估算隧道开挖地表下沉的实用方法, 假定地层损失在整个隧道长度上均匀分布，隧道施工所产生的地表沉降横向分布近似为正态分布，并借鉴采矿学中由矿产开采引起地面沉降位移的一种估算方法，提出如下预计横向沉降的公式.
式中,
S(x)为距离隧道中心轴线为x处地表沉降值;
i为地表沉降槽宽度系数,自隧道中心至沉降曲线反弯点的距离,沉降槽大体宽度的一半可以取为2.5。

隧道中心线处地表最大沉降量
式中,代为施工引起的隧道单位长度地层损失,所谓地层损失,是指隧道施工中实际开挖的土体的体积与竣工隧道体积之差,竣工隧道体积还包括隧道周边包裹的压入浆体体积.
2.有限单元法（FEM）
预计隧道施工引起的地表沉降时，将沉降视为力学过程，不仅能够计算出地表的移动及变形，而且可以得到地层内部的应力、变形状况。

根据隧道施工的地层条件及隧道施工的实际情况，可以将地层假定为弹性、弹塑性或者粘弹塑性等不同类型的介质。

弹性有限元方法一般适用于地层和施工条件较好的情况。

二．隧道施工所引起地表沉降主要为:
1)由于隧道开挖施工所引起的地表沉降
主要包括开挖卸载时开挖面土体向隧道内移动所引起的地表沉降支护结构背后的空隙闭合所引起的地表沉降,隧道支护结构变形所引起的地表沉降以及隧道结构因整体下沉所引起的地表沉降,可称之为开挖地表沉降.
2)固结地表沉降
在含水地层中进行隧道施工时,当上颗粒骨架之间的水分逐渐排出时,引起土体内部孔隙水压力的变化,使地层发生排水固结引起地表沉降,并把这种地层因孔隙水压力变化和渗透力作用而产生的地面沉降,
称之为固结地表沉降,这是由于含水层内地下水位下降,土层内液压降低使粒间应力即有效应力增加的结果.
3)次固结沉降
隧道开挖岩土体受扰动后,土体骨架还会发生持续很长时间的压缩变形,在土体蠕变过程中产生的地表沉降为次固结沉降，在空隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土中,次固结沉降往往要持续几年以上,对典型地层的长期观测资料分析可知,它所占总沉降量的比例可高达35%以上。

因此,隧道在工期间的地表沉降可以认为主要由开挖地表沉降+固结地表沉降+次固结地表沉降组成,其中,次固结地表沉降更多情况下是在隧道使用阶段进行考虑。

三．地表沉降影响因素
⑴开挖面土体的移动。

当开挖面的支护力小于原始侧应力时，开挖
面土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地层沉降；反之，当开挖面的支护力大于原始侧向应力时，则正面土体向上向前移动，引起负的地层损失而导致盾构上方地层隆起。

⑵施工中盾构停止推进而后退。

此时，使开挖面塌落和松动造成地层损失，引起地层沉降。

⑶土体挤入盾尾空隙。

由于压浆不及时，或压浆量不足，或压浆压力不适当，使盾尾后部隧道周边的土体失去原始的平衡状态，向盾尾空隙移动，产生地层损失，引起地层沉降。

⑷盾构推进方向的改变。

盾构推进过程中，盾构纠偏、抬头、叩头、曲线推进造成的超挖等都使得实际开挖面形状远大于设计开挖面，从而引起地层损失。

⑸盾壳移动与地层间的摩擦和剪切，引起地层损失。

⑹土体受施工扰动的固结作用。

盾构隧道周围土体受施工扰动后，将形成超静孔隙水压力区。

在盾构离开该区后，超静孔隙水压力逐渐消散，使地层体积压缩引起地层的主固结沉降，超静孔隙水压力基本消失后，地层颗粒表面结合水膜发生蠕变等引起地层的次固结沉降。

⑺土水压力作用。

在土水压力作用下隧道衬砌结构产生变形和沉降，会引起小量的地层损失。

⑻误操作或地质条件突变。

盾构施工误操作或前方地质条件突变使开挖面上体急剧流动或崩塌造成不正常的地层损失，引起部分沉降。

四．地表沉降具有以下特点:
(l)不同地层条件及开挖方式下,地表下沉量存在较大差异,但均远大
于类似条件下的盾构法施工，在某些条件下将地表下沉量控制在30一50Inln是可行的,而在松软地层及含水条件下则存在较大困难。

(2)不同地层组合对地表沉降量影响明显,含砂层及软土和汇水地段明显增大,地下水位高的地段也相应增大，显然,地层强度和地下水的存在是导致地表沉降增大的两个重要因素.
(3)隧道开挖的超前影响范围较大,通常可达30m以上,而且相应范围内的地表沉降量及最终沉降量均增大,在到达掌子面之前的累积沉降量占最终沉降量的20~30%隧道开挖时的横向影响范围也相应增大.
(4)是否采用台阶开挖，台阶长度以及形成封闭的时间对地表下沉量具有显著影响,而且隧道埋深(H/D)越小地表沉降量越大，此外还与含水砂层所处的位置密切相关,距隧道开挖范围愈近施工愈困难,地表沉降也更难以控制。

(5)对于不良地质条件,采取各种预加固措施后地表下沉量明显减小,而且不同的注浆方案和注浆参数所取得的减沉效果也是不同的衬砌背后注浆是减小地表沉降的有效手段。

(6)由浅埋暗挖的特点可知,地层变形具有明显的时空效应,临时支护及时形成封闭结构以及加快推进速度可以有效地减小地表沉降量. 五．暗挖隧道的地层变形模式
依据地层条件以及沉降过程的差异,北京交通大学张顶立教授提出了整体沉降模式,因此,地层沉降的模式包括整体沉降模式和拱式沉降模式,分别适用于粘性土地层和砂性土地层，地层整体变形特征大量
的地层深部沉降监测结果表明,隧道上覆地层具有明显的分组运动特征各组地层运动的不协调将产生地层组之间的离层现象(通常表现为地层膨胀)地层组间离层量的大小及其存续的时间则取决于上下结构层的位态，施工工艺以及地层加固状况等，隧道上覆地层分为上位地层和下位地层,通常在同一组地层中的最下部地层为结构层,因而可能存在多个结构层.
1)整体沉降模式
大量的地层深部沉降监测结果表明,隧道上覆地层具有明显的分组运动特征,各组地层运动的不协调将产生地层组之间的离层现象(通常表现为地层膨胀)地层组间离层量的大小及其存续的时间则取决于上下结构层的位态,施工工艺以及地层加固状况等,隧道上覆地层分为上位地层和下位地层,通常在同一组地层中的最下部地层为结构层,因而可能存在多个结构层.
上位结构层的稳定性直接影响到地表沉降,其位态即决定了地表沉降量的大小;而下位结构层的稳定性和位态则决定了隧道衬砌的荷载和拱顶下沉量稳定后的地表沉降量与拱顶下沉量密切相关,此外还与地层的结构以及失水固结等有关大量的地层变形监测结果也说明了这一点.
2)拱式沉降模式
对于松散地层,尤其是含砂性土的地层,隧道开挖后首先在其上方形成拱(有时是松动拱),随隧道开挖范围增大拱在不断发展,在一定条件下将形成某一稳定结构,即相对稳定的,拱结构由于隧道开挖及支护不及时,可能造成拱范围的扩大,当拱波及到砂层,尤其是含水砂层时则会发生质的变化,即可造成大范围的涌水涌砂,严重时可能波及到地表,这时若对地层,尤其是对砂层进行加固,或在隧道内部进行预加固以维持拱结构的稳定性,使其不致无节制的发展,避免波及到砂层,即可避免过大沉降事故的发生.
六．地层变形的影响因素
1)地层条件的影响
地层条件的优劣,对地铁施工也是如此而且地铁施工位于市区繁华地段,周边的建筑物和道路交通及地下既有管线设施,施工过程中很难对地层进行改良,地层条件的好坏对施工要求进度安全及质量都有很大作用,直接表现为施工难度及对周边环境的影响较大。

2)隧道设计净距对地层变形的影响
两近邻隧道施工产生的地表沉降可看成是单孔隧道地表沉降结果,按照叠加原理得出了开挖双孔隧道引起的地表沉降，两条相距较近隧道的地表沉降横断面的沿隧道左右线的中间位置正态分布,地表沉降的最大值不是在隧道左右线的正上方,而是在两者的中间,这说明双线隧道净距对地表沉降的影响很大,两个地表沉降槽叠加后形成了一个更大的地表沉降槽.
3)地下水对地层变形的影响
施工中地层土遇水容易失稳,发生涌水涌泥现象,如何降水排水及堵水都与施工进度施工安全息息相关引排水措施的实施降低了工作面附近的水位,地下水位下降导致地层失水固结;隧道线路走向位于交通繁忙的深南大道正下方,连续的动荷载作用加剧了地层的固结,反映的地表沉降值(失水固结沉降+开挖引起的沉降)较拱顶下沉值(开挖引起的沉降)大,隧道开挖地表和拱顶的最大沉降量不是发生在超前开挖隧道的上下台阶通过时段,而是在左右线上下台阶相继通防水的要求,故失水固结在整个开挖过程中都有发生,直至二次衬砌施作完毕后地下水位恢复稳定过的时段,这就是开挖引起失水,失水引起固结的结果,此外,由于初期支护没有考虑。