地表沉降分析

1、前言

地下空间作为城市的重要资源，在发达国家得到了多方面的应用，随着我国经济的快速发展，城市地下空间的开发利用已经受到广泛重视，城市地下工程的兴建已经成为一种趋势。就地下铁路来看，我国从1965年开始修建地下铁道，至今已有北京、天津、上海、广州、深圳、南京等大城市建成部分地铁，武汉等其它城市也即将或将要修建地铁，我国的地铁建设已步人快速发展阶段。

然而，在地铁工程的施工中，地表沉降事故发生的概率很高。以深圳地铁一号线的建设为例，在施工工期内，地面沉降事故占总事故的25％。事故发生地位于深圳市区繁华地段，对工程周围的建筑物以及地下管线产生了一定的影响，同时也影响了工程的进度增加了工程的费用。

所以，不论从工程进度、费用的控制方面考虑还是从工程质量安全方面来考虑，都要对地表沉降控制有足够的重视，从各个方面着手，来控制沉降的发生。

2、地铁工程沉降控制的重要性

地表沉降的主要危害有：

（1）沿海地区沉降使地面低于海面，受海水侵袭；

（2）一些港口城市，由于码头、堤岸的沉降而丧失或降低了港湾设施的能力；

（3）桥墩下沉，桥梁净空减小，影响水上交通；

（4）在一些地面沉降强烈的地区，伴随地面垂直沉陷而发生的较大水平位移，往往会对许多地面和地下构筑物造成巨大危害；

（5）在地面沉降区还有一些较为常见的现象，如深井管上升、井台破坏，高摆脱空，桥墩的不均匀下沉等，这些现象虽然不致于造成大的危害，但也会给市政建设的各方面带来一定影响。

针对地铁工程而言，进行沉降控制的重要性体现在两个方面：

（1）城市地铁工程一般位于城市的繁华地段，周围建筑物密集、各种地下管线纵横复杂交错，一旦沉降事故发生，将可能造成建筑物开裂、倾斜，地下管线断裂等事故。影响市民正常生活，造成各种纠纷，进而影响工程施工的进度，增加工程的费用。

（2）沉降事故在地铁工程的施工中属于多发事故。同时其发生的直接表现为地下隧道拱顶的下沉或坍塌，而这种塌陷的发生又多由围岩涌水、涌泥，支护失效，工程爆破等原因引起。这些原因的存在和发生，可以导致施工现场的人员伤亡、设备损坏，进而影响工程进度、增加工程费用，造成严重的后果。

可以看出，事故的多发性和事故后果的严重性，使沉降事故成为地铁施工中的重大风险因素，在施工过程中进行沉降控制技术的研究和应用使十分必要的。

3、地铁工程沉降控制技术

3.1地面沉降发生的机理分析

地铁工程以上地面的岩层或土层在自然状态下，一般处于应力平衡的稳定状态。在地下工程施工中，要通过人工、机械或者爆破等方式进行土石方开挖。土石方的移除、土石层孔隙水的排出，必然会改变土石地层的应力状态，使之处于非平衡状态。这种状态可以在短时间内或者经过较长的时间效应变化之后显现出来，出现坍塌、变形等现象，进而导致地面沉降。

3.2地面沉降发生的原因分析

3.2.1土层的沉降原因分析

（1）土层自身的特点：天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架体，孔隙水和气体填充骨架体而组成的三相体系。饱和土由土颗粒和水组成，土颗粒之间存在胶结物，有些没有粘结。但是它们都能传递荷载，从而形成传力骨架，叫做土骨架。外载荷作用在土体上，一部分由孔隙水承担，叫做孔隙水压力，另一部分则由土骨架承担，就是有效应力，对引起压缩和产生强度有效。孔隙水压力可以分成两部分，一个是静水压力，在荷载施加之前就存在，一个是超孔隙水压力，由外载荷引起。土体的变形是孔隙流体及气体体积减小、颗粒重新排列、颗粒间距离缩短和骨架体发生错动的结果。粘性土有一定的厚度，水总是在土层透水面先排出，使孔隙压力降低然后向土层内部传递。这种孔压力降低的过程，一方面取决于土的渗透性，另一方面取决于在土中的位置。软粘土的渗透系数很低，固结过程很长。土体受外力后，土粒和孔隙中的流体均将发生位移。当建筑物通过基础将压力传递给地基后或者土层下部通过土石方开挖而失去支承，土体内部将发生应力变形。从而引起地基下沉或地表下沉。

（2）施工方案的选择：预防沉降的发生，进行正确的、可靠的支护是十分重要的。当支护方法不当或者失效的时候，难以使土层处于稳定状态，土层将失去稳定性，进而会导致地层沉降。

3.2.2岩石层的沉降原因分析

（1）岩石层的沉降与岩石层的地质特点有直接关系：岩石在长期的地质演变中产生出褶皱、裂隙、断层等地质构造。褶皱是岩石在构造中受力形成的连续弯曲变形。岩石中沿断裂面没有位移的断裂为裂隙。褶皱岩层核部产生许多裂隙，而背斜顶部岩层易塌落，向斜核部是储水丰富的地段，地铁隧道中易发生岩层的塌落、漏水及涌水。地铁隧道与褶皱走向一致时建筑中易发生岩层顺层滑动。断层是两盘岩石沿断裂面发生位移的断裂，一般伴有几米到几十米的岩石破碎带。地铁隧道工程通过断裂带时易发生坍塌，车站建筑物易发生不均匀沉降等。

（2）施工方案的选择：防排水、支护等施工方式的正确选择以及方案的有效性都会影响到岩层沉降控制的效果。当方案失效的时候，可能会导致生沉降的发生。

3.3沉降控制技术的机理

施工中会造成地层的地层损失、原始应力状态变化、土体固结、土体的蠕变，同时还可能发生支护结构的变形等情况的发生。所以，进行地层沉降控制，其出发点是保持或者加强原有地层的稳定性，维持其稳定的应力平衡状态。

3.4沉降控制技术

资料表明，隧道施工引起地表沉陷的程度主要取决于：

（1）地层和地下水条件；

（2）隧道埋深和直径；

（3）施工方法。

其中，施工方法的影响更为明显。同样的地质条件和设计，不同的施工方法引起的地表沉陷会有很大的差异。因此，对地铁的施工方法进行对比分析是建设者必须首先论证的问题。

地铁的施工方法主要有3种：明挖法、新奥法和盾构法。明挖法由于对地面交通干扰大，且因敞开作业对周围环境千扰、污染严重，现在已经较少使用。新奥法和盾构法对环境干扰小，是主要的施工方法。下面结合地表沉陷的产生与控制措施对这2种施工方法进行概述。

3.4.1新奥法

所谓新奥法就是施工过程中充分发挥围岩本身具有的自承能力，即洞室开挖后，利用围岩的自稳能力及时进行以喷锚为主的初期支护，使之与围岩密贴，减小围岩松动范围，提高自承（2）应急计划对象区域划定：根据应急救援救援力量来源的范围一般分为区域应急救援和单位应急救援。

（3）编制应急救援计划：包括技术措施和组织协调措施两个方面。

（4）应急救援资源配置：包括人才资源和设备、物料的配置两个方面。

（5）应急救援预案演练：一方面是对各方面因素的协调性的演练，一方面是发现不足实现改进的手段。

（6）应急预案效果评价与改进：应急救援方式会随着社会环境、技术条件等因素的变化而变化，所以要持续改进以适应各方面的环境因素变化，从而能够发挥预案应有的效能。

2、一般内容：核心是制定所采取的技术和组织措施。

（1）组织机构及其职责。包括：应急预案制定、日常协调和指挥的机构；相关部门在应急救援中的职责和分工。

（2）危险源识别与风险评价。

（3）通告程序与报警系统：确定由哪一级组织启动应急预警系统。

（4）应急设备设、物料的配置。

（5）应急能力与资源配置的评价。

（6）事故应急救援针对性措施程序的制定。

（7）信息发布与公众教育。

（8）事故后恢复程序。

（9）培训与演练。

（10）应急预案的维护。

（二）沉降事故处置应急预案的编制过程

（1）成立预案编制小组：沉降事故应急预案编制小组应该由施工单位、施工监理单位和业主三方面的人员参加，由质量与安全方面的第一负责人、专业技术人员、辅助人员（包括财务、物资供应人员等）构成。

（2）风险分析与评估：由专业技术人员针对沉降事故进行各个方面的风险分析与评价。

（3）编制应急预案：以风险分析与评价结果为基础编制沉降事故应急预案。

（4）应急预案的评审与发布：由总工程师组织相关技术人员对应急预案的准确性、有效性进行审核，提出改进建议，从而使预案趋于完善。在修改完善之后，把预案通报给全体施工人员、生产质量安全管理人员、建设监理人员及业主，并组织对预案的学习。

（5）应急预案的实施：在实践中检验预案的有效性。

（6）应急预案的持续改进：沉降事故的发生具有共性，但是在实际生产中可能会发生未预想到的情况。所以在生产中要做到对应急预案的持续改进。

（三）沉降事故应急处置的资源配置

1、人员配置及组织管理

应急处置所需的人员有三个方面：指挥人员、沉降事故处理技术人员、应急处置辅助人员（包括医疗救护、设备物料运送、其他人员）。

人员的组织管理要建立起一个完善的组织体系，实行明确的分工，拥有高效的协调机制。

2、应急处置所需设备、物料的储备与管理

应急所需设备和物料是进行应急处置的基础，所需设备、物料的配备和使用管理关系到应急响应能否有效进行。一方面设备、物料的全面配备要有严格的组织程序保障，另一方面对所配备设备、物料的严格保养、检验也要写进组织程序。这样才能保证设备物料的有效性。

（四）风险因素的辨识和评估

沉降事故的发生原因、可能结果等因素是编制事故应急处置技术措施的基础。

（五）沉降事故应急响应程序的制定

事故发生在时间上具有突发性，应急预案的启动必须在短时间内完成。那么，如何使应急预案在短时间内全面协调地运作起来就成为事故处置效果的关键影响因素。应急预案的启动在短时间内的启动是一个系统工程，需要调动起人员、设备、物料等多方