區域地面沉降對上海地鐵隧道長期沉降的影響評估

吳懷娜，顧偉華，沈水龍

（1. 上海交通大學土木工程系，上海 200240；2. 上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；3. 上海申通地鐵集團有限公司 上海 200122）

區域地面沉降對上海地鐵隧道長期沉降的影響評估

吳懷娜1,2，顧偉華3，沈水龍1,2

（1. 上海交通大學土木工程系，上海 200240；2. 上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；3. 上海申通地鐵集團有限公司 上海 200122）

本文將上海地鐵隧道監測值與上海地面沉降對比，揭示兩者之間相關性及其差異。通過對地鐵車站沉降規律的分析，提出了以地鐵車站作為隧道深度范圍的分層沉降標的分析方法，并采用插值樣條曲線擬合隧道沿線下方的地層壓縮量，從而確定地面沉降引起的隧道沉降量。基于上述方法對上海地鐵一二號線由地面沉降及其它因素引起的地鐵沉降量進行區分。結果表明2010年上海地鐵一二號線各區間隧道的最大累積沉降量中區域地面沉降的影響占60%左右。

地面沉降；地鐵隧道；互相影響；定量評估

上海地鐵隧道采用盾構法施工，其襯砌是由管片拼接并由螺栓連接而成的柔性結構，在軟土地層中極易產生不均勻沉降。針對上海地鐵隧道持續不均勻沉降的現象，目前普遍認為影響因素包括[1～5]：區域性地面沉降；盾構隧道施工擾動引起后期沉降；鄰近工程施工擾動；隧道滲漏水及漏泥、漏砂；列車動荷載引起下臥土沉降。這些因素相互影響、共同作用，使得隧道變形的原因往往難以區分。

地面沉降是上海市的主要地質災害之一。自1921年開始監測地面沉降以來，上海市地面平均累積沉降量已超過2m，其原因主要為地下水資源開采引起的深層含水層變形[4～6]。地鐵隧道的抗縱向變形弱，埋藏于地層當中，不可避免會受到區域地面沉降的“拖拽”作用而發生變形。相關研究已發現地鐵隧道和地面沉降在時間和空間上存在著一定的相關性，但兩者之間的定量化關系尚不明確[1,2,5]。對于當前所監測到的隧道沉降量，地面沉降引起的隧道沉降量所占比例尚不清楚。隧道沉降往往與隧道底板以上的地層壓縮變形無關，而與隧道以下地層壓縮有關。分層標在上海市范圍內分布密度較小，且離地鐵隧道大多相距較遠，因而無法準確觀測隧道沿線下方地層的沉降量，地面沉降引起的隧道的實際沉降量不得而知。

針對現有研究和技術的不足，本文通過對地鐵車站沉降規律的分析，提出利用地鐵車站沉降監測值確定地面沉降引起隧道沉降量的方法，并對上海地鐵隧道的影響因素進行分析，以供相關工程借鑒。

1 隧道沉降與地面沉降監測結果的相關性及其差異

圖1為不同時期上海地鐵一號線沿線隧道沉降量與中心城區地面沉降量對比圖。1995～2000年期間，上海市區域地面沉降較大，同期地鐵隧道沉降量也總體較為嚴重；2001～2005年上海市地面沉降較小，相應的地鐵隧道沉降量也較小。對比地鐵隧道沉降、區間地面沉降特征，地鐵隧道總體沉降特征與中心沉降相吻合。地鐵隧道沉降明顯的區段也是同時期地面沉降漏斗區，區域地面沉降空間格局決定了地鐵隧道沉降總體趨勢。

上海地面沉降標位于地表以下0.5m，地鐵隧道埋藏深度在9m以上，由于淺層土體受工程建設影響產生變形，地面沉降量與隧道沉降量也存在著差異。如上海地鐵4號線世紀大道站附近地鐵2009年6月～2010年12月間沉降約為1.2 ～3.0mm。與之鄰近的福山路淺式分層組標(FS17)顯示該時期地面累積沉降量達20mm，沉降主要發生在隧道上方的第一軟土層及其以淺土層，其余土層基本沒有沉降或略有回彈。該地區地面沉降主要由周邊工程建設對淺部軟土層的擾動以及對淺部土層的降排水引起，對隧道沉降影響較小。

綜上可知，隧道底板以上土層壓縮變形對隧道變形影響甚微，隧道下方地層的沉降對隧道沉降起著控制性的作用。當前分層沉降標組在上海分布較為稀疏，利用分層標確定隧道沿線下方地層沉降量仍有困難。

2 基于車站沉降監測的隧道下方地層沉降量計算方法

2.1 車站沉降與下方地層沉降的相關關系

地鐵車站在長期運營中有著可觀的沉降量，究其原因主要包括以下兩點：區域性地面沉降；車站長期運營中列車及人群荷載對下方土體產生的附加應力，造成下方土體壓縮變形。下面以上海地鐵某地鐵站為例分析后者對車站長期沉降的影響。

圖1 上海地鐵1號線沿線隧道沉降與中心城區地面沉降對比Fig.1 Comparison of tunnel settlement and land subsidence along Line No. 1

該為地下3層島式站臺車站，車站全長170m。車站站臺中心線處基坑深度約19.6m。基坑圍護結構采用1000mm厚地下連續墻，墻深37m。南端頭井處基坑深度約為21.4m，端頭井墻深為38m，采用1000mm厚地下墻。圖2為地鐵車站中心處結構橫斷面及場地地質剖面圖。地下水水位為地下0.5m。地鐵車站施工前，土體為正常固結狀態。車站底板位于⑤黏土層內。經固結試驗測得，⑤黏土層的壓縮指數Cc=0.295，回彈指數Cs=0.032。

（1）荷載分析

車站下方土體需經歷以下荷載變化過程：基坑開挖使土體卸載回彈；車站施工后對下方土體重新加載；車站運營后列車、人群荷載傳遞到土體的再加載。下面分別對各步驟荷載進行計算。

基坑開挖土體卸載量為：

地鐵車站施工后加載量統計如表1所示，其中結構重度按γ=25kN/m3計算。經計算，車站自重及上覆荷載共計5232.87kN/m。地鐵車站結構所受浮力為Fstn=(15.087-3.7) ×10×25.5=4790.69kN/m。因此，施工完成后對下方土體的實際加載量為F =5232.87-4790.69=442.18kN/m，相當于堆載Δp2=442.18/25.5=17.34kN/m2。

圖2 上海某地鐵站橫斷面Fig.2 Cross sectional view of railway station

表1 地鐵車站結構自重和上覆荷載Table 1 Structure deadweight of station and overburden_

后期運營中的荷載主要為人群荷載和列車荷載。人群荷載以設計荷載為準，即站臺、站廳、樓梯、車站管理人員用房等部位按4kPa計，并且取準永久值系數0.5[8]。列車荷載以上下行線列車同時進站為準，列車為8節編組A型列車(軸重16t)，并且取準永久值系數0.6[8]。列車通過車站底板傳遞到土體的平均荷載為160×32/180×2/25.5×0.6=1.3kN/m2。因此，后期運營對車站下方土體的總荷載約為Δp3=3.3kPa。

（2）基于e-logp關系的地基沉降計算

圖3為車站下方土體理想化的壓縮及回彈曲線，車站施工及后期運營過程中下方土體孔隙比-應力變化路徑為：車站施工前土體為正常固結土，初始自重應力為147.94kN/ m2，即圖中A點；基坑開挖后對土體產生卸載作用，土體從A點沿著回彈曲線路徑移動到B點，孔隙比增加至1.07，此時土體處于超固結狀態；車站施工后對土體重新加載，加載量為17.34kN/m2，土體從B點沿著再壓縮曲線移動至C點，此時孔隙比為1.03。由于車站的加載量遠遠小于開挖卸載量，此時車站下方土體仍處于超固結狀態；后期運營中，土體受上方人群及列車荷載，從C點繼續沿再壓縮曲線移動至D點，孔隙比略有減小，為1.027。

根據e-logp曲線和分層總和法可以計算出車站運營過程中的長期沉降量。無側向變形條件下壓縮量的基本

公式為：

式中，Si=第i分層的壓縮量(m)；p0i=第i分層的平均應力(kPa)；Δp0i=第i分層的應力增量(kPa)；Hi=第i分層的厚度(m)；e0i=第i分層的初始孔隙比；Δe0i=第i分層的孔隙比變化量；Csi=第i分層的回彈指數。應力增量隨深度的衰減可根據Osterberg(1957)給出的參照圖計算。經計算，車站后期運營中由人群荷載和列車荷載引起的沉降量約為1.87mm。

上述計算尚未考慮地下連續墻對附加荷載的分擔作用。實際上，車站內部荷載一方面通過地下連續墻的側摩阻力傳遞到側邊土體，另一方面通過地連墻及抗拔樁底部傳遞到地基中。地下連續墻已到達第⑥硬土層，該層為上海樁基主要持力層。因此，實際車站由人群荷載和列車荷載引起的沉降量幾乎為零。換句話說，車站長期沉降是由整個上海區域性地面沉降引起的，車站沉降量等同于同等深度的地層沉降量。

圖3 車站下方土體理想化的壓縮及回彈曲線Fig.3 Idealised compression, swelling of soils under station

2.2 隧道下方地層沉降的插值樣條擬合

基于上述分析，本研究提出了一種隧道沿線下方地層沉降的計算方法：以車站作為隧道沿線土層的“沉降標”，車站沉降量即為隧道埋藏深度土層的沉降量；以車站為型值點，通過三次樣條插值擬合法計算隧道沿線下方地層的沉降量。圖4為隧道沿線下方地層沉降的計算方法示意圖。

圖4 隧道沿線下方地層沉降的計算方法Fig.4 Calculation method of ground settlement under tunnel

隧道下方地層沉降主要是由深層含水層地下水抽取引起的，其沉降與地下水水位相協調，影響范圍往往較廣，不會在局部出現沉降突變的情況，因此隧道沿線下方地層的沉降曲線應該是一條光滑曲線。由于地鐵車站沉降量等于隧道埋藏深度的地層沉降量，通過地鐵車站監測可以在隧道沿線上獲得地層沉降數組S=[S1, S2, S3…]。上海市中心地鐵車站間距普遍為0.8～1.2km，一般小于地面沉降的變化范圍。因此，可以以地鐵車站沉降數組為型值點作平滑曲線擬合，該平滑曲線就是隧道沿線下方地層沉降曲線。

3 上海地鐵實例分析

3.1 上海1號線沉降成因分析

圖5為地面沉降引起的地鐵1號線縱向累積沉降曲線。如圖所示，1號線沿線隧道下方地層沉降量普遍小于地面沉降量，沉降格局與地面沉降的空間分布相近，表明本研究提出的計算方法具有一定的可行性。比較隧道下方地層沉降和隧道沉降量，下方地層沉降的不均勻性使得隧道在縱向上表現出不均勻沉降。各區間隧道下方地層沉降和隧道沉降趨勢總體一致。上海體育館區域地面沉降遠遠大于隧道下方地層沉降可能是該區域密集建筑施工引起的。衡山路站左右兩側隧道下方地層沉降量大于隧道本身沉降量，可能是由于：上方開挖卸載土體回彈；車站因上部堆載而沉降過大；地面或車站沉降測量存在誤差。受其它因素的影響，隧道局部還表現出劇烈的縱向變形。其它因素引起1號線的沉降量在-80～110mm區間。

圖5 上海區域地面沉降引起的1號線累積沉降量Fig.5 Tunnel settlement of Line 1 caused by land subsidence

3.2 區域地面沉降引起2號線沉降量

圖6為區域地面沉降引起的地鐵2號線縱向累積沉降曲線。2號線隧道下方地層沉降量與隧道沉降的空間分布總體一致。除個別區間外，隧道沉降量大于下方地層沉降量。圖7為其它因素引起的地鐵2號線累積沉降曲線。其它因素引起的沉降量約為-100～85mm，江蘇路-靜安寺區間、人民廣場-南京路區間最大沉降量超過50mm，分別為85mm、70mm。南京東路-陸家嘴區間區間隧道位于黃浦江河床底下，水的浮力較大，上覆土層厚度小，加上河床常年的沖淤作用使河床不穩定，隧道浮力大于隧道本身自重及覆土重力而表現為上浮。無獨有偶，上海科技館-世紀公園區間隧道約有20mm的上浮，上浮段正好位于世紀公園鏡天湖下方。

3.3 地面沉降引起的隧道沉降比例

圖6 上海區域地面沉降引起的2號線累積沉降量Fig.6 Tunnel settlement of Line 2 caused by land subsidence

圖7 其他因素引起的2號線累積沉降量Fig.7 Tunnel settlement of Line2 caused by other factors

取2010年各區間最大累積沉降點位置處的隧道沉降量和地面沉降引起的隧道沉降量繪制相關關系圖，結果如圖8所示。可以看出，2010年隧道總沉降量中約62.5%為地面沉降引起的。

圖8 地面沉降引起的隧道沉降量與隧道總沉降量關系Fig. 8 Relationship between tunnel settlement caused by land subsidence and the total settlement

4 總結

上海市地鐵隧道沉降與下方土體的沉降有關，與隧道上方土體的壓縮無關。通過對地鐵車站和區間隧道長期沉降監測數據的分析，得出結論如下：

（1）對于無鄰近施工影響的地鐵車站，其長期沉降是由整個上海的區域性地面沉降引起的，車站沉降量等同于同等深度的地層沉降量。據此，本文提出一種計算地面沉降引起隧道沉降量的新方法：將地鐵車站作為隧道深度的分層沉降標，以地鐵車站沉降量為型值點，采用三次樣條插值曲線進行擬合，所得曲線即為隧道沿線下方地層沉降量。

（2）利用本文提出的方法對上海市地鐵1、2號線隧道沉降量進行分析。結果表明，由于隧道下方地層在空間上表現出較大的差異沉降，隧道在縱向上差異沉降也較大。除個別區間外，隧道的累積沉降量總體大于下方地層沉降量。2010年各區間隧道的最大累積沉降量中約60%左右為區域地面沉降引起的。

（3）2010年上海地鐵1、2號線隧道沉降量中由其它因素引起的沉降量為-100～110mm。其它因素主要引起隧道下沉，局部江中段隧道受水浮力的影響會產生明顯的上浮。

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Evaluation of the influence of land subsidence on the long-term settlement of metro tunnels in Shanghai

WU Huai-Na1,2, GU Wei-Hua3, SHEN Shui-Long1,2
(1. Department of Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 3. Shanghai Shen tong Subway Group Co., Ltd, Shanghai 200122, China)

This paper presents the correlation and difference between land subsidence and tunnel settlement, based on field monitoring data. A method to evaluate tunnel settlement caused by land subsidence was proposed. The settlement of metro stations was assumed to be caused almost entirely by local land subsidence, and this was verified based on a load transfer analysis. Based on this assumption, the proposed method considers the stations as the layer-wise mark at the depth of tunnel and uses a cubic spline function to fit the line of the station points. The derived curve represents the ground settlement under tunnels, which is the tunnel settlement caused by land subsidence. With the proposed method, the tunnel settlement caused by land subsidence in Shanghai Metro Line No. 1 and No. 2 was analyzed. The results indicated that the tunnel settlement caused by land subsidence generally accounts for about 60% of the maximum settlement for each tunnel section in 2010.

land subsidence; subway tunnel; interaction; quantitative evaluation

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0009-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.003

2017-04-05

修回日期: 2017-05-04

吳懷娜(1987-),女,博士,助理研究員,主要從事隧道與地下工程研究.

電子郵箱: wu-hn@sjtu.edu.cn

聯系電話: 021-34204301

國家自然科學基金青年基金“考慮剪切錯臺變形的軟土盾構隧道縱向結構計算模型研究”(51508323)