地鐵車站淺埋暗挖法施工引起地表沉降規(guī)律研究

摘要：在城市隧道施工中經(jīng)常用到淺埋暗挖法，其具有施工便利、靈活、經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)。然而在地鐵施工中應(yīng)用淺埋暗挖法容易引起地表的沉降。而城市地鐵車站往往位于人口和建筑物密集的區(qū)域，一旦發(fā)生地表沉降容易造成嚴(yán)重的后果。本文對地鐵車站淺埋暗挖法施工引起地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，希望能夠?yàn)榕袛嗟罔F車站施工的最大地表沉降提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵車站;淺埋暗挖法;地表沉降

為了對地鐵車站使用淺埋暗挖法進(jìn)行施工而造成的地表沉降進(jìn)行合理的控制，避免施工造成的地表沉降給地鐵車站周圍的建筑物和行人造成不利的影響，本文結(jié)合工程實(shí)例，對砂性土和黏性土互層的地質(zhì)條件下的由淺埋暗挖法施工而造成的地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，施工方法會對地表沉降值造成直接的影響。

1.工程實(shí)例和研究現(xiàn)狀

在地鐵車站的施工過程中，周圍的地層受到了施工的擾動，從而造成地表沉降槽，并影響周邊的建筑物，甚至使其不能正常使用。地表沉降預(yù)測是地鐵施工前期一項(xiàng)重要的施工環(huán)境影響評估工作。本文以某市的地鐵5號線、10號線的11個(gè)地鐵車站工程施工實(shí)例為例，該市使用了淺埋暗挖法進(jìn)行施工，當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件為砂性土和黏性土互層。

當(dāng)前國內(nèi)外對于地鐵車站中使用淺埋暗挖法進(jìn)行施工而造成的地表沉降還沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究，F(xiàn). Martos曾經(jīng)以扁平礦洞開采導(dǎo)致的地表沉降統(tǒng)計(jì)結(jié)果為根據(jù)將沉降槽符合高斯分布首次提了出來。而 R. B. Peck以及B. Schmidt等學(xué)者又對隧道開挖導(dǎo)致的橫向地表沉降槽與高斯分布同樣符合進(jìn)行了證明^[1]。也就是

S_maxexp[-y²/（2i²）]=S

在公式中隧道中線與地表點(diǎn)之間的水平距離用y來表示;距離隧道中線處的地表沉降用S來表示;最大地表沉降用S_max來表示;到地表沉降槽反彎點(diǎn)距離用i來表示，其對沉降槽的形狀與范圍進(jìn)行了定義。

通過該公式進(jìn)行積分能夠?qū)⒊两挡墼谒淼谰蜻M(jìn)方向上單位距離的的體積得出來，也就是

所謂的地層損失率在這里指的是在隧道開挖體積中單位距離內(nèi)沉降槽體積所占的百分比：

V₁=4V_S/πD₂

其中：地層損失率（%）用V₁來表示;隧道等效直徑用D 來表示。

現(xiàn)在在國內(nèi)外很多對i這個(gè)沉降槽曲線反彎點(diǎn)距離進(jìn)行了大量的研究，R. B. Peck提出隧道埋深和跨度這兩者與i 具有十分密切的關(guān)系。同時(shí)，非常多的學(xué)者也將與之相類似的規(guī)律發(fā)現(xiàn)了出來;比如B.M.New以及M. P.O′Reilly 這兩位學(xué)者認(rèn)為與i 有關(guān)的只有隧道埋深，而與開挖方法和隧道直徑之間并不具備太大的關(guān)系。也就是：

i = K z_t

在這個(gè)公示中：隧道軸線埋深（m）用z_t來表示;沉降槽寬度參數(shù)用K來表示，這些都與施工方法以及地層條件具有密切關(guān)系。

B.M.New以及M. P.O′Reilly 這兩位學(xué)者提出：黏性土選擇0.5作為K值，砂性土選擇 0.25作為K值。B.M.New，M.P.O′Reilly 以及W. J. Rankin充分的利用了很多現(xiàn)場數(shù)據(jù)對上述公式的合理性進(jìn)行了證明。而B. M.New，M.P.O′Reilly以及K.Fujita認(rèn)為，需要在0.4—0.6的范圍內(nèi)對黏性土 K 值的變化進(jìn)行控制。W.Yoshikoshi以及R. B. Peck等提出砂性土具有0.25—0.45的 K 值分布范圍。

我國有學(xué)者通過對延安東路隧道沉降分布規(guī)律的總結(jié)，提出了“欠地層損失”這個(gè)概念提出了出來，并提出了相應(yīng)的縱向地表沉降修正公式。還有學(xué)者通過離心試驗(yàn)和有限元模擬，研究了復(fù)雜條件下的地鐵施工會造成的地表沉降^[2]。

2.對地鐵車站施工的實(shí)際調(diào)查結(jié)果

本文對某市的地鐵5號線、10號線的11個(gè)地鐵車站工程的施工進(jìn)行了調(diào)查研究，該車站主要使用暗挖法和明挖法兩種施工方法，主要是對暗挖法對地表沉降對影響進(jìn)行分析。

在地鐵車站淺埋暗挖法施工中，施工水平、埋置深度、施工方法、地層條件都會影響到地表沉降的特征。根據(jù)調(diào)查顯示，使用中洞法和洞樁法進(jìn)行施工，覆土厚度的范圍不超過1倍洞徑，具體為5至11米，為淺埋大斷面隧道。地層主要有卵石砂礫、黏性土、粉質(zhì)黏土、粉土、中粗砂和粉細(xì)砂^[3]。

在將其中數(shù)據(jù)不全、遮攔以及測點(diǎn)損壞的測線去除掉之后，從11個(gè)地鐵車站的有效測線的分析結(jié)果來看，地表最大沉降的均值變化在-105至-130米之間。地表沉降值在60毫米之內(nèi)的地車車站的比例約為70%。造成沉降超過100毫米的原因在于出現(xiàn)了地層空洞和地下水囊等比較復(fù)雜的地質(zhì)條件。

3.地層損失率以及地表沉降槽寬度參數(shù)

開挖對地表影響的范圍能夠在地表沉降槽反彎點(diǎn)距離中很好的反映出來，而開挖擾動地層的程度則能夠在地層損失率反映出來。因此這兩個(gè)參數(shù)基本上能夠?qū)M向地表沉降

槽的規(guī)律確定下來。為了能夠有效的進(jìn)行分析和容積，可以采用等效為圓形隧道的方式對不同形狀的隧道進(jìn)行處理，同時(shí)用等效軸線埋深對圓心水平處的埋深進(jìn)行定義。因?yàn)楸敬握{(diào)查的車站在都具有相差不大的等效直徑，因此無法對其地表沉降槽反彎點(diǎn)的影響進(jìn)行考慮，二而且在分布范圍上等效軸線也表現(xiàn)出比較集中的特點(diǎn)，如果選擇i=az_t+b這個(gè)公式對其進(jìn)行擬合，就會由于較少的統(tǒng)計(jì)樣本而導(dǎo)致偏差過大的情況。通過高斯分布曲線對其實(shí)施擬合，能夠使程序的精度要求得到充分的滿足，并且可以在允許的范圍內(nèi)對擬合誤差進(jìn)行控制，因此說明隧道開挖引起的橫向地表沉降槽曲線與高斯分布相符合^[4]。

在具有相同的隧道埋深的情況下，相對于洞法而言，由于洞樁法施工導(dǎo)致的地表沉降槽比較寬，主要是由于扣拱施工以及導(dǎo)洞開挖階段施工這兩個(gè)階段的施工是導(dǎo)致地表沉降的最為主要的原因，而由于后續(xù)施工導(dǎo)致的地表沉降則并不是很明顯。位于地鐵車站主體的兩側(cè)的導(dǎo)洞在開挖的過程中都導(dǎo)致出現(xiàn)各自的沉降槽，最終使鐵車站開挖對地表產(chǎn)生了較大的影響范圍，中洞施工部分是其中中洞法施工引起的地表沉降主要發(fā)生點(diǎn)，其在主體結(jié)構(gòu)的中部，具有相對較小的影響范圍。

結(jié)語

在該地區(qū)砂粘土與粘性土互層的特定地質(zhì)條件下，地鐵車站施工會導(dǎo)致覆土厚度小于 1 倍洞徑的地表沉降，其主要具有以下的幾個(gè)特征：①施工方法與沉降槽寬度參數(shù)具有十分密切的關(guān)系，洞樁法施工車站大約具有 0.61—0.82的 K 值，中洞法具有 0.40—0.65的 K 值;②其中地表沉降值在60毫米之內(nèi)的地車車站的比例約為70%。造成沉降超過100毫米的原因在于出現(xiàn)了地層空洞和地下水囊等比較復(fù)雜的地質(zhì)條件。其分析的結(jié)果將科學(xué)的依據(jù)提供給了地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的制定工作;③不同的施工方法會導(dǎo)致不同的地層損失率，比如洞樁法會導(dǎo)致產(chǎn)生0.49%—1.03%的地層損失率，洞樁法會導(dǎo)致產(chǎn)生 0.39%—1.41%的地層損失率。在地鐵車站淺埋暗挖法施工中，施工水平、埋置深度、施工方法、地層條件都會影響到地表沉降的特征，可以對地表最大沉降值進(jìn)行初步的預(yù)測，并且將相關(guān)依據(jù)提供給施工環(huán)境的預(yù)測。

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