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1、城市地铁隧道施工沉降对邻近建筑的影响研究城市地铁隧道施工沉降对邻近建筑的影响研究西南交通大学硕士学位论文城市地铁隧道施工沉降对邻近建筑的影响研究姓名:俞凯申请学位级别:硕士专业:桥梁与隧道工程指导教师:漆泰岳20080501 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页摘要随着城市地铁建设的兴起,相应的环境问题引起了越来越多的关注。地铁隧道施工阶段及施工后期诱发的地表沉降是造成各种建、构筑物产生外观及功能上损害的主要原因,每年由此而造成的经济损失相当可观。一般地,地铁隧道设计时不考虑周边建造物的情况,而以施工时控制地表的沉降为主。国内现行的做法是规定一个沉降上限值,如北京市为,超过该值则调整施工方法或
2、修改隧道的初步设计。此种做法忽略了地表结构物的具体形式及其对隧道施工的响应,由此而采取的加固及补偿措施未必可取,一般情况下是相当保守的。为了探寻建造物的存在对地层变形的影响以及地层变形对建造物的影响,进行了隧道开挖诱发的建造物内力变化的动态跟踪,研究了偏移距和埋深两个参数变化所造成的建造物内力变化,主要的结论有:建造物和基础的存在对地表的变形会产生影响,表现为约束了水平位移,影响了沉降槽曲线;隧道开挖所造成的差异沉降会影响结构物的内力,面向隧道侧和背向隧道侧变化不同;隧道中心与结构中心的偏移距及埋深日的变化对结构的内力变化有重要影响,但影响程度有所不同,并且弯矩和剪力的响应也不同。关键词: 地
3、铁隧道:地表沉降;静力分析 , . .,. ,. .,. ,.,. , ,: , , ; ,雄.; , ,西南交通大学硕士研究生学位论文 第页.; ;: ?一西南交通大学 曲南父迥大罕学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于西南交通大学硕士研究生学位论文 第页第章绪论.选题背景在世界高速发展的今天,城市化进程加快,特大和超大型城市不断涌
4、现,城市可利用空间越来越狭小的矛盾越来越突出,因而开发地下空间成了刻不容缓的当务之急。专家们预言,世纪将是开发和利用地下空间的世纪。随着城市人口密度的不断增加,许多大城市存在人口膨胀、交通拥挤等一系列问题,为缓解或从根本上解决人口增长对城市环境的压力和威胁,修建地下轨道交通是一个行之有效的方法。早在年,英国伦敦采用明挖法建成世界上第一条地铁线路,线路全长. 。而后年在伦敦首次使用盾构法施工,建成另外一条电气化地铁线,全长 。从此,城市交通进入了一个飞速发展的时间。地铁有着很多优点。城市地铁不仅安全可靠、准时方便和舒适等优点,而且它少占用土地,基本上不破坏地面景观;将部分街面交通转移到地下,能够
5、快速大量输送乘客,极大地缓解城市交通拥挤问题:而且许多地铁不仅起到交通运输的作用,在战争时期还发挥了防空掩蔽所的作用。,我国于年在北京开始修建第一条地铁线,一期工程全长.于年投入运营;二期工程地铁环线. 也建成通车。到年北京地铁已经有 投入正式运营【。此外,为迎接年在北京举办的第界奥林匹克运动会,目前还同时有几条地铁线在建或者规划修建。除此之外,从上个世纪末到本世纪初,全国的大型城市,如上海、广州、南京、杭州、深圳等,因为经济发展的需要,已经开始兴起地下铁道建设的高潮。尽管地铁有着众多的优点,但是也会引发相关的环境问题。譬如地铁施工西南交通大学硕士研究生学位论文 第页过程引发地表沉降,该沉降使
6、邻近建筑和公用设施倾斜、扭曲等,从而造成损害。大的地表沉降还会致使房屋倒塌。地铁线路经过之处,需要将原来的地下设施如给排水管道、地下电缆线路等改道,需要对邻近建筑物进行加固处理,这也是非常费事的。地铁运营时,车辆与轨道系统的振动和产生的噪音也会使附近居民产生生理上的不快。因此,由于地铁在施工和运营中暴露出来的环境问题越来越引起高度的重视】 。地铁施工中的环境问题主要是地表沉降问题。由于地表沉降而导致的变形会对周边及邻近建筑物造成较大的危害,轻则裂开,重则倒塌,】 。地铁开挖引起的危害及其评价受到了国内外工程界与学术界广泛的关注,研究由于开挖造成的环境危害及其周边建筑物的保护方案与标准成为目前迫
7、切需要研究的问题【.。.研究意义地表沉降是地铁施工过程中最大的环境问题,大的地层下沉对周边建、构筑物的造成危害。例如,对城市交通路面的损坏,路面开裂、下陷等;地下原来的排污、输水等管道受到地铁区间隧道施工的破坏而破裂,致使污水上溢等;此外这些管道在遇到地铁线时往往需要改道或者作特殊处理;地下施工通过既有桥梁等设施时,导致桥梁桩基础沉降,或者产生对桩的负摩擦,使之丧失承载能力,从而降低了整座桥梁的承载能力与安全使用性能。沉降对于房屋结构的影响,概括起来,可分为三点:一、对于房屋上部结构的损害和影响,例如地下开挖造成的不均匀沉降会在结构内部产生次生内力以及不规则的变形,小到开裂,大到失稳倒塌。二、
8、对基础的损害影响。地下开挖导致地表的变形不仅仅是沉降,还同时作用有水平拉压应变。对于以受压为主的基础材料来说,拉应变产生的破坏有时会占主导地位。三、减少地基承载能力。特定的建筑地西南交通大学硕士研究生学位论文 第页基具有特定的承载能力,在地下施工中,对周边地基土的扰动是难免的,要在地下建设中尽量避免对周边土体的扰动,以免对其承载能力产生不利影响。从我国目前的工程实践和学术研究来看,在地下开挖对邻近建筑物的损害及防治对策方面,还没有一个系统的评价标准。例如,在北京等地,一般规定地下开挖造成的地表沉降上限值为,但是这个值是专家们根据经验制订出来的,没有系统的研究根据。即便是在的范围内,不同的结构就
9、有不同的力学响应,损害程度也是不一样的,根据这个标准来对建构筑物的加固措施不一定就是适当的,在经济上可能是不当的。在城市地铁隧道开挖引起建筑物的损害方面,国外多年来已经有不少实践和理论探讨,取得了不少理论和实用成果,但是目前我国还没有完整的建筑物保护等级的统一划分标准。国内做得多的是沉降的量测数据,或者根据专家的经验确定一个最大允许沉降值,以此来控制施工和检修、加固邻近线路的建筑结构。这种做法缺少理论依据,至少是不完善的。据此采取的结构加固和防护措施要求往往过于严格,而且一般建筑物对均匀沉降并不敏感。以此作为依据会造成施工困难,提高造价,有可能会造成大量的成本浪费和经济损失。本文希望将地铁施工
10、开挖对地层的扰动以及地表相邻结构结合起来,寻找建筑结构对地表沉降的响应规律,以便为施工控制和检测防护提供依据。.国内外研究历史及现状.地表沉降曲线预测模型纵观隧道施工时地表沉降的研究方法,可将其分为理论计算法和基于实测数据的实测数据分析法。西南交通大学硕士研究生学位论文第页.理论计算法理论计算法主要有以理论为代表而不断发展、完善、改进的经验理论法,以及以有限元法为主的数值预测法等。.经验法地表横向沉降预测年,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,在墨西哥土力学及地基基础工程国际会议上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,即公式。认为,在不排水的条件下,隧道
11、开挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积。他假定地层损失在整个隧道长度上均匀分布,隧道施工产生的地表沉降横向分布近似为一正态分布曲线,提出如下地表沉降分布的预计公式:。 莠丽式中:卜沉降量;卜隧道单位长度地层损失/;?距隧道中心线的距离;所盘厂隧道中心线处的最大沉降量;?沉降槽宽度系数,由查图表或公式求得;?地面至隧道中心深度。英国是世界上最早修建地下铁道的国家,对地铁等城市隧道施工地表沉降的问题研究较多。它们的工作大部分是由英国西南交通大学硕士研究生学位论文 第页所进行的。 等针对不同的地层,研究了采用不同施工方法所引起的地表沉降问题。在大量实测资料的基础上,提出了实际沉降槽宽度、地
12、层损失和地表沉降的预计公式。根据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计算公式。和一样也假定沉降槽呈正态分布,于年提出下列最大地表沉降预测量,即式?中的品预测公式:、 ,一一三三“ 老式中:尺?隧道半径;,甩?与土体性质和施工因素有关的系数可查表;彳?隧道开挖面积。欧洲其他许多国家和美国等在大量城市隧道建设中,对于施工引起的地表沉降问题进行了许多研究,积累了丰富的实测资料,他们大都采用公式或者基于英国学者所提出的以经验共识为主的方法进行预测。日本在长期的城市隧道施工中积累了丰富的经验,尤其是在软土地层中进行隧道建设,因而对于隧道施工所引起的地表沉降问题非常关注,许
13、多学者对此课题进行过深入研究。提出了盾构隧道地表沉降预测方法;半谷根据实测资料,给出了地表最大沉降量的预计方法,并于年根据地层条件和围岩种类给出了地表最大沉降量范围。藤田进行了软土地层中不同盾构施工方法对地层的影响方面的研究,于年根据围岩的种类、盾构型式及辅助施工法的不同给出了地表最大沉降量的预测值及其误差。具体公式为:, 、 。?一?最三 万?“。么/西南交通大学硕士研究生学位论文第页式中鲋为沉降槽断面积,彳为隧道断面积,为隧道直径, 矗戡为隧道轴线上方的地面最大沉降值。随着我国大量的城市隧道施工的进行,我国对隧道施工引起的地表沉降问题也进行了研究。同济大学自世纪年代起,便开始了隧道施工地表
14、沉降的实测和理论研究工作,在对上海饱和软土和软粘土层中地铁盾构隧道试验段进行计算分析,并与现场测试结果对比后,提出了考虑到固结因素的修正公式:,砸力磋早卜七式中:万,?在任一固结时间内,距隧道中心线处的施工沉降量和固结沉降量之和:?隧道项部土体加权平均的渗透系数,./:经验法只是粗略给出了预测地表沉降的计算公式或范围,有的甚至有附加条件并需从各自统计表中查取有关参数,计算出的结果与实测值偏差一般较大。当衬砌形式、刚度不同,以及施工条件和地层条件等复杂时,它们的应用将更受到限制。地表纵向沉降预测刘建航【】等在法的基础上,总结了上海地铁隧道纵向沉降分布的一般规律,提出了负地层损失的公式,得出了地面
15、沉降量的纵向分布估算公式:咖,击虹钭一虹半去吐孚毕.,式中: 所,、场分别为盾构开挖面和盾尾后部间隙引起的地层损失;西南交通大学硕士研究生学位论文 第页、分别为盾构推进起始点和盾构开挖面到坐标原点的距离;?,?江盾构长度。以后还有很多人提出了符合现场的沉降公式,这里不一一赘述。应当说明的是,经验公式法一般均假定横向沉降曲线服从高斯分布,隧道纵向服从累积概率曲线,然后用几个可量测的参数来确定其形状,其优点是可以较好的反映适应具体地区地质的沉降情况,能对实际的沉降变形做出大致的预测,从而为施工提供指导。但是缺点也是明显的,例如,假定为高斯分布没有理论依据,不能反映工程地质变化情况;不能反映双洞施工
16、的情况;不能反映施工方案及参数的影响;不能反映施工不对称的情况等等。此外,该法也没有考虑周边荷载对沉降线形的影响,因而具有一定的局限性。.数值法对地表沉降的预测,国内外都进行了大量的数值模型研究,其主要方法有有限元法、边界元法、半解析元法等。有限元法又分线弹性、非线性弹性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等几种。和采用了二维平面应变方法分别取纵横剖面,分段模拟了美国旧金山第一座土压平衡盾构隧道的施工过程的地表沉降隋况。.和.也采用了二维平面应变分析方法进行了隧道位移非线性有限元计算,并对计算结果数据进行了曲线拟合得出了一套公式。实际隧道掘进是一个三维问题,目前,很多学者进行了大量的三维有限元隧道地层沉降分析。和用三维常量边界元法分析了均质线弹性地层中的浅埋隧道在开挖面瞬间到达某一位置且隧道周边应力完全释放时,隧道轴线上方地表变形问题,但其对建筑空隙处理问题作了简单假设。他们认为隧道周边土体自由地向已开挖区内变形,一旦土体的径
