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1、世界 隧 道2 0 0 0年增干 x. ( :5 4 7 一2 4 4 ) 浅埋暗挖法地铁施工沉降控制基准分析及应用 吴波 ( 铁道部隧道工程局勘测设计院洛阳 4 7 1 0 0 9 ) 摘要本文按地面建筑物沉降、 地层及结构德定、 地中管线变形的不同要未对沉降控制基准问题作了较为 深入的分析， 蛤出了 相关的栓利基准经脸公式. 并结合深刘地铁一期工程天红车站工程实例介绍了浅埋暗挖法施 工沉降拉制基准位确定的方法， 以供类似工程参考 关 . 词 地 铁 施 工 浅 理 暗 挖 沉 降 支 声创 基 准 1 引官 随着城市地铁在我国的陆续兴建。 浅埋暗挖法 施工中由于埋置深度小， 随着地层物质的
2、被挖出， 自 洞室临空面向地层深处一定范围内地层应力将发生 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 和地中管线的正常使用及地下工程结构的稳定， 进 而危及施工安全， 因此施工中必须对有害沉降进行 控制。这首先就必须解决沉降的控制基准问题。这 一问题解决的质t直接关系到地面、 地下设施的安 全及人们生活的正常秩序， 其社会影响力及经济责 任都是十分巨大的。因此对地层变位和地表沉降提 出控制基准问题是必然的。 2 地表沉降控制基准值的确定 沉降控制基准包含两个方面内容: 其一是出于 环控的
3、需要; 其二是出于工程结构稳定本身的需要。 实施的控制基准必须两者兼顾 Z . 1 按环控要求分析地面沉降的控制基准 沉降对城市环境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。通常的地面沉降控制值即是出于对环境 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
4、基 准作较深人的分析， 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 . 1 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P e c k曲线描 述( 如图 1 所示) , P e c k 方程为:
5、 图 1 地表沉降横向预测曲饯 S 一 S m ,e x p 乔 ， ( 2 一 1 ) 式中: : 距隧道中心的距离; S 距隧道中心的地面沉降量: 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: f _ 一卫f R一 2 ) 2 ,ctg ( 4 Y 一 争 .24 1. 世 界 褪 道 H-征土厚度; R 计算半径。 对于矩形结构， 等效半径为: R =0 . 2 s ( a +b ) ， 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: R =， 其 中A为非圆形结构的面积。 由沉降稽曲线可知， 在拐点 处曲线斜
6、率最大， 以此极限条件下的坡度值极限坡度不大于相应 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 所示) ， 从而得允许最大 沉降差为: 最大允许沉降量: S - , = a- 6 1 明 ( 2 一 6 ) f、1 翩 图2 隧道施工对建筑物影响示意图 苗 蕊 月i ( 2 -3 ) 同时， 由P e c k曲线可知， 当z =i 时， 可得出地表下 沉的最大斜率: K 一 二 一 毕S _ ( 2 一 4 ) 假定建筑物最大允许倾斜与K 二相等， 此时， 地表 2 . 1 . 2 地下管线的 控制基准 地下管线一般是指供O f ) 水管、 煤( 暖)
7、气管、 工 业管道、 各类电缆等， 过t的地面沉降会导致管线的 断裂， 影响其正常使用甚至引起灾难性事故， 其后果 是极其严重的。由于各种管线对沉降影响的敏感性 和耐受力因其材质、 连接方式、 接口 材料、 变形的允 许指标及施工质t、 使用年限不同而有较大的差异。 为懊重起见， 本文以对沉降耐受力最低的承插式砂 浆接缝混凝土污水管作为沉降控制基准研究的控制 对象。 沉降相上方的管线变形随着地层的沉降其受力 条件发生转化， 这时可视为受垂直均布荷载的弹性 地基梁来考虑( 见图3 ) 。根据结构在正常使用时受 到的应力小于其允许的设计应力这一标准。 由: : 二 。 / ( 2 一 6 ) 式中
8、: 仁 司允许拉应力; 仁 。 允许拉应变; E 材料弹性模i t . 可知， 管道在地层沉降时产生的变形应小于( 或等 于) 其允许应力的相应变形范围， 即: S 二, / ( e m + m ) I - M + ( 2 一7 ) 式中: m 计算长度; d m 一管道极限伸长R ( 0 ， 二 : ， ) 当管道走向垂直于隧道纵向时， m=i ， 此时I S 值最小， 有: S 二, / ( E i +i ) 一i z ( 2 一8 ) 图 3 随道施工对管线影响示意图 22 按地层及结构稳定要求分析地面的沉降拉制 基准 由地层位移的实测结果知， 地层的位移是自洞 室临空面向地表逐渐延伸的
9、， 这意味着破裂面的形 成也是由 洞室周围向地表延伸 由于拐点( P e c k曲 线) 处剪应变最大， 当地层处于极限状态时该点剪应 .2 4 2 吴波: 浅埋暗挖法地铁施工沉降控制基准分析及应用 变达到极限值， 成为地层破坏的控制点， 从保证施工 安全的涌度， 以隧道侧壁正上方控制点( 见图4 ) 不 发生坍塌时允许产生的最大地表沉降作为控制基 准。 将地表沉降横断面正态分布曲线( P e c k 曲线) 视 为地层横向梁的挠度曲线， 采用地层梁理论导出的 极限剪应变法来确定该基准值。 图4 隧道IR 9 壁正上方坍塌破坏示意图 由弹性力学平面问题的基本理论可知， 在迪卡 尔座标系中， 地
10、层中某点的剪应变可写为: R“。I R u ，一 二-十 二- d d y ( 2 一9 ) _h , -服 d r移 IF x 方 、变 化 率 ; 髦 一嵘耘林忧缸， 方 向 H h -t ft * , 若忽略水平方向的位移， 则有 Y 。 一 ax 夕 二4 5 0 +州2 ; 在硬岩中: x =1 X J O 3 . 0 = 4 5 , 9 , / Z ; 4p , 为弱面内靡擦角。 综上所述， 控制基准值的确定首先应据式( 2 一 5 ) , ( 2 -8 ) , ( 2 -1 4 ) 分别计算出建筑物允许沉降值、 管线允许沉降值、 地层允许沉降值， 取其中最小的允 许沉降值作为最后
11、的控制基准值。 3 应用实例 深#地铁一期工程天虹车站位于福田区的华福 路与华强路之间， 靠近华强路， 位于深南中路地下。 天虹站主体结构采用双跨单柱双层框架结构， 采用 暗挖法施工， 车站总长2 2 6 . O m， 开挖宽度 1 8 . 9 m， 开 挖高度 1 2 - 2 1 m, 扭土厚度为4 . 0 - - 5 . O m。站区上顶 盖第四系全新统人工堆积层( Q , l ) 及第四系中更新 统残积层( Q a 勺， 下伏燕山期花岗岩( Y S ) 。 地下水埋 深2 . 5 -3 . 5 m,既有地面建筑群， 其南北侧又有污 水、 雨水、 路灯、 上水、 电力、 煤气、 电话及跨深
12、南路的 给水、 电力、 电话等管线。 为便于说明上述问题， 选择 该范围具有代表性的标准断面作为说明暗挖法修建 地铁控制基准确定的方法。 ( 1 ) 建筑物允许沉降值: 该区段取仁 月=0 . 0 0 3 , 顶土厚度H取为S m, 等 效半径按矩形结构计算R =0 . 2 9 X ( 1 8 . 9 0 +1 2 . 2 1 ) =乐0 2 ( m) ,p 值取为3 0 , o 据式( 2 一2 ) 得: ( 2 一1 0 ) H +R5 . 0 0+ 9 . 0 2 =9 6 7 2 ( mm) P e c k 公式描述了地表质点在垂直方向的位移规律 当二 二i 时， 得出地表沉降的最大斜
13、率为: V -2-7-r tg ( 4 5 。一 等 ，,/ 2 n tg ( 4 5。 一 馨 ) 据式( 2 一5 ) 得: 0 . 0 6 1 5 ! ( 2 一 1 1 )S 一 二 一 击 ， 一 。 0 0 3 X 9 6 7 2 一 2 9 . 0 2 ( m m ) 假定围 岩的极限剪应变7 1 与Y 、 相等， 则地层坍塌破 坏极限状态的地表最大沉降量为: ( 2 ) 管线允许沉降值: 由: 仁 。 二0 _ . 0 0 512 3 0 - 0 . 4 1义 1 0 - S 一 二 一r0 6 1 Y ( 2 一 1 2 ) 式中: S -地表最大沉降量; i 曲线拐点到中心
14、的距离; Y , -围 岩的 极限剪应度。 凡=Kl g 夕 把式 2 一1 4 ) 代人( 2 -1 3 ) 得: 。 二0 . 0 0 8 5 MP a , E 二1 2 3 0 ( MP a ) 据式( 2 -8 ) 得 ( 2 一 1 3 ) S , _ 击K tg R ( 2 一 1 4 ) 走二 式中: K-经验系数; F弱面走向与水平面夹角; 在软岩中: K 二( 1 . 3 一1 . 1 ) X 1 0 , S m x - y ( L E i + i ) 2 - i 2 二 J ( 0 . 4 1 X 1 0 - 0 X 9 6 7 2 +9 6 7 2 ) = 一9 6 7
15、2 2 =2 7 . 7 0 ( mm) ( 3 ) 地层允许沉降值: 按软岩情况考虑， 计算参数分别为 g = 3 0 0 , ， . 1 X l 0 - 2 , 。 一 4 5。 十 3 0 02 据式( 2 一1 4 ) 得 S - , = 击K ig p .2 4 3。 世 界 隧 道 一 黯X 1. : X 1 。 一 。g (4 5 0+ 譬 ) 善。文中观点有不妥之处， 请专家和同行批评指出。 =3 0 . 2 1 ( mm) 据上述选取原则. 取其中最小值， 最后得控制基 准为; S m . ， 二2 7 . 7 0 ( m m) . a 结语 由于地表沉降控制基准的确定随工程
16、条件变 化， 在工程实践中仍处于经验及工程类比的阶段 针 对具体工程时， 常常通过类比和计算相结合的办法 找出相应的基准值。本文对浅埋暗挖法修建城市地 铁的控制基准问题进行了一些尝试性分析， 并将分 析结果应用于深圳地铁工程一期工程天虹车站， 取 得了较好的效果。遗憾的是未能对较多的工程进行 验证性对比， 这一工作还有待将来进一步的补充完 参 考 文 做 t 干尾蓉， 干晓蓉浅理地铁暗挖法施工地表沉催仪刻研 究. 铁过部随道工程局科枝大会论文集. 1 四， 年9 月 2 刘招伟， 王梦怒浅埋暗挖法修建地下工程中几个问题 的探讨 .铁道部隧道工程局科技 大会论又集. 1 9 9 9年 9 月 3 深训地铁一期工程土建工程设计资科. 1 9 9 9年7月 4 夏明榷， 甘进伦 . 地下工程设计施工手哥 _北京 中国建 筑工业出版社 l 9 9 9 年 7月 ( 来稿日 期 2 。 ( . :
