地铁区间浅埋暗挖隧道地表沉降的控制标准

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:A

Control Standard of Ground Surface Settlements

in Metro Section Shallow Tunnel

QI Zhenming

1,2

,LI Pengf ei

(1.T unnel and U nderground Engineer ing Research Center of M inistr y of Education,Beijing Jiao to ng U niversity,

Beijing 100044,China;2.Shenzhen M etro Group Co.L td,G uang dong,Shenzhen 518033,China)

Abstract:Based the analysis of temporal spatial effect and settlement mechanism,apply the fuzzy clus ter analysis for 1497ground surface settlements of 24running tunnels in Beijing subw ay Line 5,rep resent the general distinction of shallow tunnel g round surface settlements reg ularities of distribution and the surface settlements troug h w idth parameter inflexion point distance,and the loss ratio of stra tum,gain the relation betw een surface settlement trough w idth parameter inflexion point distance and equivalence ax ial depth of burial,put forw ard a feasible surface settlement control criterion,and con trol method contains the 3classes:prew arning 、alarm and ex treme.Research findings supply som e ref erence value for cognitive shallow tunnel g round surface settlements regularities of distribution and de velop control standard.

Key words:tunnel eng ineering;shallow tunnel construction method;ground surface settlement;tem poral spatial effect;control standard

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@si .

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

JOU RN AL O F BEIJIN G JIAOT O NG U N IV ERSI T Y

V ol.34N o.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

F ig.1 Ground settlement troug h induced by tunneling

1 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F ig.2 Curve of surface settlements wit h the change of time dur ing tunnel excavation

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

S x =V l 2 i

ex p -x

2

2i 2(1)S m a x =V l 2 i

V l 2 5i

(2)

i =

H

2 tan 45!-

2

(3)

其中:S x 为横断面上与隧道轴线距离为x 地面点的沉降量;V l 为由于隧道开挖引起的地层损失量;S max 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

F ig.3 Curve of cr oss direction surface settlements troug h

2)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

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北 京 交 通 大 学 学 报 第34卷