地铁区间浅埋暗挖隧道地表沉降控制标准研究

地铁区间浅埋暗挖隧道地表沉降控制标准研究

近年来，隧道技术的变形规律和控制方法一直是工程研究的热点。隧道施工的地表沉降受隧道地质条件、隧道跨度和嵌入深度、开挖方法、维护时间和刚度以及施工管理技术等诸多因素的影响。隧道施工的地表沉降机制复杂，难以量化和预测隧道施工的地表沉降和发展过程。然而，许多工程实践和科学研究表明，隧道施工的影响是可以遵守的。本文根据北京地铁五轨道和十轨道的技术背景，以大量现场监测数据为基础，研究了北京浅埋地下挖的平坦土壤和地下挖掘。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隧道开挖引起的地表沉降由于隧道地质条件、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.1.1沉降过程及结果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.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地表沉降槽sx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Sx=Vl2π√iexp(−x22i2)(1)Smax=Vl2π√i≈Vl2.5i(2)i=H2π√tan(45°−φ2)(3)Sx=Vl2πiexp(-x22i2)(1)Smax=Vl2πi≈Vl2.5i(2)i=Η2πtan(45°-φ2)(3)其中:Sx为横断面上与隧道轴线距离为x地面点的沉降量;Vl为由于隧道开挖引起的地层损失量;Smax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;φ为地层内摩擦角.2地表沉降持续增强期结构520%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.该区域地表沉降速率加速增强,变形量急剧增大,此阶段的沉降量约占总沉降量的50%～60%.该阶段变形主要原因是随着隧道的开挖,造成边界条件发生改变,扰动覆盖土体并引起应力场重新分布.缓慢变形区是指开挖面后方3～5倍洞径的区域.该区域地表沉降速率减缓,变形量缓慢增加,沉降曲线开始收敛,此阶段的沉降量约占总沉降量的10%～15%.稳定变形区是指开挖面后方5倍洞径以外的区域.该区域地表沉降增长缓慢,地层趋于稳定状态.1.3浅埋暗挖隧道施工工艺浅埋暗挖隧道施工引起的地表沉降伴随着隧道施工的各个阶段,由开挖地层损失沉降、地层失水固结沉降和次固结沉降3部分组成.浅埋暗挖隧道施工各阶段的地表沉降原因和机理如表1所示.2地下通道隧道的地表沉降分析2.1地表沉降测点选取地铁5号线和10号线是北京市轨道交通线网规划中两条重要干线.根据工程地质条件及周边环境特点,两条线路采用浅埋暗挖法修建的区间隧道有24个,区间断面开挖跨度从5.80m到14.60m不等,开挖方法涵盖了台阶法、CD法、CRD法,以及双侧壁法.施工影响范围内的地层条件比较相近,主要包括粉细砂、中粗砂、粉土、粉质黏土、黏土和卵石砂砾等地层.由于地质沉积层的“相变”十分明显,形成了具有北京特点的“砂黏土”和“黏砂土”地层.在24个浅埋暗挖法施工区间,根据能反映地表最大沉降(位于区间左右线结构中心线上方)和能反映地铁施工全过程引起的累计沉降值的两个原则(在有效测点的统计过程中剔除异常点及大断面上(含折返线及渡线等)的点),总共选取了1497个有效地表沉降测点.2.2地表沉降的统计与分析1测点沉降值的测定对1497个测点的地表沉降值进行统计分析,其中最大沉降值为77.88mm,最小沉降值为0.06mm,均值为31.6mm,其中沉降值小于30mm的点占46%,沉降值小于40mm的点占70%.如果剔除沉降值5mm以下的点,则得到均值为33.4mm,其中沉降值小于30mm的点占42%,沉降值小于40mm的点占67%.如果剔除沉降值10mm以下的点,则得到均值为35.6mm,其中沉降值小于30mm的点占39%,沉降值小于40mm的点占66%.接近一半的测点沉降值在(25mm,45mm)区间内.2沉降槽反弯点距离反弯点距离i反映了隧道地表沉降槽的横向影响范围,地层损失率V1反映了开挖对地层的扰动程度,这两个参数反映了横向地表沉降槽的一般特征.其计算公式为V1=4VsπD2(4)Vs=∫∞−∞Sdy=2π−−√iSmax≈2.5iSmax(5)V1=4VsπD2(4)Vs=∫-∞∞Sdy=2πiSmax≈2.5iSmax(5)式中:V1为地层损失率,%,指单位距离内沉降槽体积占隧道开挖体积的百分比;D为隧道等效直径;Vs为隧道掘进方向上单位距离的沉降槽体积(即地层损失).关于沉降槽曲线反弯点距离i,计算公式主要有线性函数和复合幂指数函数两种形式.受周边复杂地表环境的影响,区间隧道地表沉降监测点横向范围普遍较小,难以考虑对地表沉降槽反弯点的影响,且等效轴线埋深分布范围较集中,故采用复合幂指数函数形式拟合效果并不理想.为保证分析结果的可靠性,使得规律更加明显,采用简化的线性函数式进行拟合i=Kzt(6)i=Κzt(6)式中:i为沉降槽反弯点距离;zt为隧道等效轴线埋深;K为沉降槽宽度系数.由于调研到的数据离散性较强,对于某条测线的单一拟合结果存在很大的不确定性,容易造成误差过大的情况.为了避免这一问题,将同一条区间隧道的全部有效测线的地表沉降数据统一进行拟合.拟合函数采用式(5),拟合参数为i与Smax.地层损失率和沉降槽宽度参数K的分析流程以及参数拟合的具体过程见文献,图5为部分区间隧道地表沉降横向沉降槽拟合曲线.根据测点数据绘制反弯点距离i与等效轴线埋深zt关系曲线如图6所示.可以看出,地铁区间浅埋暗挖法施工引起的地层损失率大致在0.19%～2%之间,均值为1%.地层损失率均小于2%的原因主要是由于北京地区的地质条件相对较好,且浅埋暗挖法施工技术比较成熟,施工中能够有效的控制地层变形.地铁区间浅埋暗挖法施工引起的沉降槽宽度参数K通过拟合的值为0.348,无截距拟合K值主要集中在0.43附近,由于难以考虑地层因素和施工因素,所得的数据散点比较分散,K值大致分布在0.28～0.62之间.3地表沉降控制标准目前,北京地铁暗挖区间隧道施工中多以30mm作为地表沉降的控制标准,但通过1497个地表沉降测点的现场实测,发现超出控制标准的测点数占到总测点数的54%,且集中在隧道开挖跨度大或者地面环境简单(比如郊区、空旷地带等)等区域,且“超标”的地表沉降对地面环境的影响并不大.这说明将北京地铁区间隧道地表沉降控制在30mm以下在目前施工水平下是完全可以办到的.同时也说明有时将区间隧道地表沉降控制在30mm以下是没有必要的,这个“控制标准”较为苛刻.严格的地表变形控制标准势必需要加强相关辅助施工措施,增大建设成本.这使得地铁区间隧道地表沉降控制标准在很多情况下并不能发挥其“控制标准”作用.因此,当前的控制标准与施工技术水平、地层稳定性要求不能很好匹配,应该对其进行适当调整.根据本文对北京地铁5号线、10号线区间隧道地表沉降的统计分析,若不考虑地面重要建筑物的环境要求,在当前的工程地质条件和水文地质条件下,北京地铁浅埋暗挖区间隧道地表沉降控制标准采用40mm是比较合理可行的.根据浅埋暗挖隧道施工过程控制和变位分配控制原理的要求,应对区间隧道地表沉降采用3级控制:预警、报警和极限.北京地铁区间浅埋暗挖隧道地表沉降控制极限值取40mm.预警值取极限值的60%为24mm.预警值之后,施工方应采取有效措施控制地表沉降.报警值取极限值的80%为32mm.报警之后,施工方必须进一步采取措施,加强支护参数,优化施工方案以控制地表沉降.若地表沉降超过极限值,则要立即停止施工,严重时启动紧急预案,并组织参建各方及有经验的专家讨论下一步的施工方案,必要时采用补偿、恢复抬升措施.4地表沉降地质控制系统研究,为浅埋暗挖隧道地表沉降提供依据,提出了以人为本文首先讨论了浅埋暗挖隧道施工引起地表沉降的时空效应和沉降机理,然后通过对北京地铁5号线和10号线24个区间隧道地表沉降值的统计分析,阐述了地铁区间浅埋暗挖隧道地表沉降的一般规律,并提出了较为合理可行的地表沉降控制标准,得出主要结论如下.1)浅埋暗挖隧道地表沉降具有明显的时空效应,应分时段、分区域的认识其发展演化过程.2)浅埋暗挖隧道地表沉降的发生机理可归结为开挖地层损失沉降、地层失水固结沉降和次固结沉降,施工中应根据沉降机理采用相应的控制技术.3)根据本文制定的地表沉降测点选取原则得到北京地铁5号线和10号线24个浅埋暗挖区间隧道1497个地表沉降的有效监测点资料,统计数据能反映北京地铁区间隧道地表沉降的真实情况.4)地表沉降最大值为78mm,均值为3