（岩土工程专业论文）北京地铁施工沿线地表变形安全控制研究.pdf

摘要 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼苎曼! 曼! ! 曼! 曼! 曼! 1 = 一= ； i 摘要 随着城市建设的发展，城市地下工程的修建日益增多。地铁隧道工程的施工 不可避免地会对周围地层产生扰动，导致地表发生沉降变形，引起地上或地下邻 近建筑物、构筑物的开裂、沉降、倾斜等问题。而对于地铁施工引起的地表沉降 的控制标准，目前我国还没有完全统一的标准，仅规定了城市地面变形为 “+ 1 0 n u l l 3 0 m m ”沉降( 隆起) 的基准以确保地面建筑物的安全，并且规定当最大 沉降大于1 5 m m 时，邻近建筑物的不均匀沉降应限制在1 5 0 0 的基础倾斜之内。 目前，这方面还缺少相应的规范、规程，还需要专家学者、工程技术人员等共同 努力，早日制定出建筑物能够安全承受的变形指标控制标准。因此认为，大力加 强这方面的研究是非常必要的。 本文在总结、统计及分析地表变形规律的基础上，主要对北京地铁施工沿线 地表变形的安全控制进行研究，然后以北京地区地铁施工典型盾构区间为例，在 该区间详细工程地质条件和设计参数的基础上，采用f l a c 3 d 工程分析软件对盾 构施工引起邻近建筑物基础变形规律与特征进行了数值模拟。并模拟了在地下连 续墙、隔离桩、注浆等不同的安全控制措施的情况下，地铁施工对邻近建筑物基 础的影响。最后对数值模拟的数据进行分析归纳，总结出针对北京地铁施工，对 现行的控制标准进行改进，提出针对北京地铁施工的控制标准提出一些建议。 关键词：地铁施工安全控制变形地表沉降 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i t yc o n s t r u c t i o n ，t h es u b s t r u c t u r ew o r k si n c i t i e sa r e i n c r e a s i n gg r a d u a l l y t h ee x e c u t i o no fs u b w a yt u n n e lw o r k sw i l lc a u s ei n e v i t a b t e d i s t u r b a n c et oa m b i e n ts t r a t u m ，i tw i l lr e s u l ti ns e d i m e n t a r yd e f o r m a t i o no fg r o u n d s u r f a c e ，a l s os p l i t ，s e d i m e n t a r yi n c l i n a t i o na n do t h e rs u c hp r o b l e m sw o u l do c c u rt o t e r r e s t r i a la n du n d e r g r o u n dn e i g h b o r i n gb u i l d i n g s n e v e r t h e l e s s ，s of a rt h e r ea r en o u t t e r l yc o n s i s t e n ts t a n d a r d si nc h i n a , w h i c ha r ec o n c e m i n gr e g u l a rs t a n d a r d so f g r o u n d s u r f a c es e d i m e n t a t i o nr e s u l t i n gf r o ms u b w a ye x e c u t i o n ，t h eg o v e m o rm e r e l y r e g u l a t e 也a tt h eb e n c h m a r ko fg r o u n d s u r f a c ed e f o r m a t i o ns h o u l db ec o n f i n e di nt h e s c o p eo f “+ 10 m m - - - - 3 0 m m ”t oe n s u r et h es a f e t yo ft e r r e s t r i a lb u i l d i n g s a n dw h e nt h e m a x i m a ls e d i m e n t a t i o ni sg r e a t e rt h a n15 m m t h eh e t e r o g e n e o u ss e d i m e n t a t i o no f n e i g h b o r i n gb u i l d i n g ss h o u l db ec o n f i n e di nt h ef u n d a m e n t a li n c l i n a t i o ns c o p eo f 1 15 0 0 s of a r , r e l e v a n ts t a n d a r d sa n dr e g u l a t i o n sa r ea b s e n t ，e x p e l sa n d e n g i n e e r si n t h i sf i e l ds h o u l dw o r kh a r dt o g e t h e rt oe s t a b l i s hd e f o r m a t i o ni n d i c a t o r sa n dr e g u l a t i n g s t a n d a r d st h a tm a k eb u i l d i n g st oe n d u r es a f e l y t h e r e f o r e ，a sf a ra sia mc o n c e r n e di t i sn e c e s s a r yt od om o r es t u d yi nt h i st o p i c 。 t 1 1 i sp a p e rm a i n l ys t u d i e ss e c u r i t yc o n t r o lo fs u i f a c ed e f o r m a t i o nr e s u l t i n gf r o m s u b w a ye x e c u t i o na n dr e g u l a t i n gs t a n d a r d so ft e r r e s t r i a ld e f o r m a t i o na l o n ge x e c u t i n g l i n e ，t h e nt a k e st h et y p i c a ls h i e l di n t e r v a li nb e i j i n gs u b w a ye x e c u t i o na sa l le x a m p l e ， a d o p t s f l a c 3 d e n g i n e e r i n gs o f t w a r ef o rd i g i t a ls i m u l a t i o nw h i c hi m i t a t e d i s c i p l i n a r i a n sa n df e a t u r e so fn e i g h b o r i n gb u i l d i n g sf u n d a m e n td e f o r m a t i o n r e s u l t i n gf r o ms h i e l de x e c u t i o n is i m u l a t ee f f e c t so fs u b w a ye x e c u t i o nt on e i g h b o r i n g b u i l d i n g sf u n d a m e n tw h e nc o n s t r u c t i o no fd i a p h r a g mw a l l ，s e g r e g a t i o np i l e s ，c a s t i n g a n do t h e rr e g u l a t i o nm e a s u r e m e n t sa r ea d o p t e d a t1 a s t ia n a l y z ea n di n d u c ed a t at h a t c o m ef r o md i g i t a ls i m u l a t i o n ，s u m m a r i z ei m p r o v e m e n t sc o n c e m i n gc u r r e n tr e g u l a t i n g s t a n d a r d si nt h ew o r k so fb e i j i n gs u b w a y , a l s oio f f e rp r o p o s a l so nt h i st h e m e k e yw o r d s ：s u b w a yc o n s t r u c t i o n ，s e c u r i t yc o n t r o l ，d e f o r m a t i o n ，s u r f a c e s u b s i d e n c e i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 r 签名：丝日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解i 塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 第1 章绪论 1 1 研究背景和研究意义 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 随着国民经济的高速发展，我国城市化水平正在快速提高，并带来了城市工 程建设的飞速发展。城市人口密度大交通阻塞成为我国“城市化”的突出问题。 向地下要土地、要空间己成为城市建设发展的必然趋势，显示了无比的优越 性【2 1 。我国及国外大城市的地下商业城( 街) 、地下车库、地下影剧院、地下铁道、 地下人防系统，是众所周知的城市地下工程，它们是未来城市建设的发展方向。 2 1 世纪将成为人类开发地下空间的世纪【3 1 4 1 。 然而，地下工程施工会引起地层移动而导致不同程度的沉降和位移，由于施 工技术及周围环境和岩土介质的复杂性，即使采用最先进的施工方法，其施工引 起的地层移动也是不可能完全消除的【5 1 。当地层移动和地表变形超过一定的限度 时就会造成地面沉陷、基坑垮塌、隧道破坏、周边建筑物损害、地下管线损害等 事故，导致严重经济损失并产生不良的社会影响，从而影响到隧道和地表建筑物 的正常使用和安全运营。尤其对于城市地铁，一般都穿越城市中心地带，因建筑 物密集、施工场地狭小、地质情况复杂、地下管网密布、交通繁忙、施工条件受 到限制，对环境的控制要求更为严格【6 1 。正确估计可能发生的地面变形，采用正 确的控制方法，选择最佳的施工技术，制定一套完善的控制标准以确保施工地区 楼房、建筑物与地下管线等重要设施的安全。 因此，研究城市轨道工程开挖过程中地表沉降的安全控制问题，对于地表环 境保护及轨道工程的安全施工都具有十分重要的意义。 1 1 2 研究意义 经过阅读大量的国内外研究文献可以看出，城市地铁盾构施工是在地层土 体内部进行的，无论其埋深大小，盾构的施工将会扰动，破坏原有土层土体的平 衡状态，而向新的平衡状态转化。盾构施工对土体的扰动是不可避免的，它包括 盾构对土体的挤压和松动、加载与卸载、孔隙水压上升与下降所引起土性的变异、 北京工业大学工学硕士学位论文 地表隆起与下沉等。由于受盾构施工扰动的土体物理力学性质与原状土物理力学 性质相比发生了深刻的变化，因而在盾构施工过程中及隧道建成后对周围环境的 影响一也将发生质的变化【7 】【引。 盾构推进过程中，开挖面土体向盾构内移动，引起隧道外围土体向隧道内移 动，产生地层损失。相当于从地层中挖去一块土体，形成一个空缺，上部土体在 自重作用下弥补这个空缺时产生了地层移动，引起岩土体及地表移动和变形。在 不考虑土体排水固结的情况下，认为土体的移动是一个随机过程。对于关于盾构 引起的纵向地表沉降可以分为四个或者是五个阶段，若按照五个阶段分的话有： 盾构到达前的地面变形、盾构到达时的地面变形、盾构通过时的地面变形、盾构 通过后的瞬时地面变形、地表后期固结变形，前面四项的总和称为地表沉降。国 内文献中对个别具体因素引起变形和位移的研究的较多，而对多个因素同时作用 时的效果研究的较少。但既有的理论都是建立在具体工程实例基础上，具有局限 性。而纯解析法得到的是理论解，精度高，计算量小，但解题范围有限。盾构施 工对岩土环境影响的研究，大多集中于地表面变形的经验预估、数值模拟方面， 而对引起地层移动和变形的土体扰动以及扰动土性研究较少。实验室中进行了一 些土样扰动的研究，但在理论上研究仍显不足且缺乏评价指标。 而对于地表沉降控制标准的研究情况在日本主要为隧道标准规范( 盾构篇) 及解说，我国主要是根据盾构施工中各地区实际工程经验设定地表沉降控制数 值，同时广州、上海、南京各地的盾构施工地表沉降控制标准根据隧道通过的实 际地质情况确定，当同时考虑地质情况及周围环境的影响时并没有全国统一、通 用的标准。因此，我们有必要加强这方面的工作，进一步研究地铁盾构施工的安 全控制方法，便于盾构技术在我国的广泛应用。 1 2 国内外研究现状 隧道施工引起的地表沉降进而促使建筑物损坏等问题早已引起了各国学者 的注意，尤其是在地面建筑设施密集的城区中进行隧道施工，一直是人们十分关 注的问题。沉降控制标准包含两方面的内容：其一是出于环境控制的需求，其二 是出于工程结构稳定本身的需要。实施的安全控制必须两者兼顾。 1 2 1 按照环境控制要求分析地表沉降的控制标准 地铁施工引起沉降对城市环境造成的危害主要表现在地面建筑物的过量倾 斜及地下管线的变形、断裂而影响其正常使用。通常在投标文件中给出的地面沉 降控制值即是出于对环境要求的考虑( 如北京地铁暗挖法地表下沉控制值为 第1 章绪论 3 0 r a m ) ，其根据主要来源于已有的建设规范及以往的工程实例。但是由于地面建 筑及地下管线种类繁多、结构等级各异，线路穿越的地层不同，若均使用统一安 全控制标准，难免产生对某些地段过于保守，造成经济损失；而对某些地段又出 现危害性沉降的弊端。为了保证给出的安全控制标准既能满足安全需要，又使建 筑成本较为经济，应使安全控制标准尽可能符合工程实际。 1 2 1 1 地面建筑的沉降控制标准 沉降对地面建筑的危害主要表现在地面的不均匀沉降引发的建筑物倾斜( 或 局部倾斜) 。在“建筑地基基础规范”中，对各类建筑物的允许倾斜值已作出明确 规定。因此，对建筑物而言，允许最大差异沉降( 不均匀下沉) 作为地面沉降的 控制条件。 ( 1 ) 建筑物相邻柱基l 小于或等于沉降槽拐点i 时： 由沉降槽曲线图可知，在拐点i 处，曲线斜率为最大。当建筑物处于l = i 位置时，差异沉降达到最大值。故以此极限条件下的坡度值极限坡度小于相 应建筑物允许倾斜值作为限制条件。即： s s f i ( 1 一1 ) 式中s 允许差异沉降： q 建筑物允许倾斜值； i 沉降槽拐点距隧道中线距离。 ( 2 ) 建筑物相邻柱基l 大于或等于2 i 时此时，沉降对建筑物的影响除倾斜外 还含有基础的受弯。当沉降过大时，有可能导致建筑物基础的断裂及上部结构压 性裂缝的产生。故以建筑基础的允许应变作为计算控制标准的极限条件： s = 】f + f ) 2 + f 2 ( 1 2 ) 式中， 】_ g e 【g 】基础的极限抗拉强度； e 基础弹性模量。 1 2 1 2 地下管线沉降控制标准 地下管线通常为供( 排) 水管、煤( 暖) 气管、工业管道及各种电线等。过 量的地表沉降会导致管线断裂，将影响其正常使用甚至引发灾难性事故，其后果 是极其严重的。由于各种管线对沉降影响的敏感性和耐受力因其材质、连接方式、 接口材料、使用上对变形的允许指标、施工质量、使用年限等因素的不同而有较 大差异。从安全角度出发，选择对沉降耐受力量低的砂浆接缝混凝土污水管作为 控制条。沉降槽上方的管线变形情况类似于建筑物地基梁l 2f 的情况，随着地 层的沉降其受力条件发生转化，这时可视为受垂直均布荷载的弹性梁考虑。根据 北京工业大学工学硕士学位论文 结构在正常使用时其承受的应力应小于或等于其允许设计应力这一标准，管道在 地层沉降时产生的变形应小于或等于其允许应力的相应变形范围。即： s = 】聊+ 聊) 2 一所2 ( 1 3 ) 式中，m 管道计算长度； 么肌管道极限伸长量( 么m = 占 m ) 。 当管道走向垂直于隧道走向时m = f ，此时s 值最小。故有： s = 】f + f ) 2 i( 1 4 ) 可见与( 1 3 ) 公式相同。 1 2 2 按地层及结构稳定的需要分析地表沉降安全控制标准 从保障地层与结构的稳定出发，地表下沉控制标准必然与当地的地质条件、 施工规模、埋置深度、结构尺寸和施工方法等有关，一般应根据模型试验、数值 方法所提供的分析结果加以确定。 1 2 2 1 通过拱顶下沉极限推算地表沉降控制标准 工程实践和理论分析表明，更多情况下控制浅埋地下工程稳定性的主要指标 是拱顶下沉值，而不是水平收敛值。在利用计算方法得的拱顶位移值与地表中线 位移值换算关系后，即可将拱顶下沉控制标准换算成地表下沉控制标准。目前， 国内外尚没有这方面明确的规定和科学的确定方法，国内外有些经验性规定可供 参考。如表1 1 所示： 表1 1 各国隧道拱顶允许变形 锚杆喷射混凝土技术规范( g b j 一8 5 ) ：拱顶允许相对下沉位移 备注 隧道埋深i 类围岩类围岩v 类围岩硬岩取较小值 5 0o 1 0 3o 1 5 o 50 2 0 8 软岩取较大值 法国工业部制定：拱顶处围岩允许下沉量c m备注 覆盖层厚度硬岩塑性地层 隧道断面 1 0 5 01 2 2 5 5 0 1 0 0 m 2 日本：新宇佐美隧道拱顶允许下沉量c m 备注 覆盖层厚度变质安山岩等温泉余土开挖半径3 4 5 m o 1 0 051 0 前苏联：拱顶允许最大变形值m m备注 万：1 2 b ( f 15 、，b 为隧道跨度m ，f 为普氏系数 经验公式 1 2 2 2 由地层极限应变推算地表沉降控制标准 由地层位移的实测结果知，在不考虑地下水的情况下，地层的位移是自洞室 临空面向地表逐渐延伸的，这意味着破裂面的形成也是由洞室周围向地表延伸。 第1 章绪论 鼍曼曼! ! 鼍苎詈! ! 曼! ! ! ! ! ! ! 曼! 孽i 一一一一i ! i 苎! 鼍曼! ! 鼍鼍苎詈! ! 曼! 鼍皇苎! ! 由于拐点( ( p e c k 曲线) 处剪应变最大，当地层 处于极限状态时该点剪应变达到极限值，成 为地层破坏的控制点，从保证施工安全的角 度，以隧道侧壁正上方控制点( 如图1 - 1 所示) 不发生坍塌时允许产生的最大地表沉降作 为控制基准。将地表沉降横断面正态分布曲 线( p e c k 曲线) 视为地层横向梁的挠度曲线， 采用地层梁理论导出的极限剪应变法来确 定该基准值【1 0 】。 图1 - 1 隧道上方坍塌破坏示意图 由弹性力学平面问题的基本理论可知，在笛卡尔坐标系中，地层中某点的剪 应变可写为： a u 锄 2 瓦+ 瓦 ( 1 5 ) 式中，娑为地层单元体垂直位移在x 方向的变化率；娑为地层单元体垂 o x 姒 直位移在y 方向的变化率。 若忽略水平方向的位移，则有： ：娑 ( 1 6 ) 2 _ l l 。o ， p e c k 公式描述了地表质点在垂直方向的位移规律，当x = i 沉降的最大斜率为 时，得出地表沉降的最大斜率为： 舻娑：_ 0 6 1 s ( 1 - 7 ) 。y = 一= 一 a xz 假定围岩的极限剪应变y 。与乃，相等，则地层坍塌破坏极限状态的地 表最大沉降量为： 5 。一2 而2 厂 式中，趾为地表最大沉降量； 剪应度，且t y ，= k t a nb 把式( 2 9 ) 代入( 2 - 8 ) 得： = u 6 l t _ _ _ l - k t a n f l ( 1 8 ) i 为曲线拐点到中心的距离； 为围岩的极限 ( 1 - 9 ) ( 1 1 0 ) 式中，k 为经验系数，在软岩中：k = ( 1 3 1 1 ) x 1 0 3 ，= 4 5 。+ q ，2 ，在硬岩中： k = l x 1 0 3 ，f l = 4 5 。+ 纺2 ；为弱面走向与水平面夹角；纺为弱面内摩擦角。 北京工业大学工学硕士学位论文 曼曼曼曼曼! 曼曼! ! ! 曼曼曼! 曼曼曼皇! 曼曼! i i ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼! ! 曼寰! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼! 曼曼! 皇曼曼曼! 曼 综上所述，控制基准值的确定首先应分别计算出建筑物允许沉降值、管线允 许沉降值、地层允许沉降值，取其中最小的允许沉降值作为最后的控制基准值。 1 2 3 沉降槽宽度参数法安全控制标准 国内现有的一些城市地铁施工引起的地面沉降允许值往往由专家们根据经 验规定，通常都采用“+ 1 0 m m 3 0 m m ”沉降( 隆起) 的基准以确保地面建筑物的安 全的控制标准，这一指标是为了控制地下工程开挖对地面环境的不利影响而定 的。据调查咨询，国外在市区修建的地铁工程，普遍是将3 0 5 0 m m 作为地表沉降 控制的标准，沉陷曲线拐点的斜率不大于1 3 0 0 ，地层损失系数不大于5 t 纠。 在工程施工中，鉴于工程条件、地质情况的复杂性，特别是来自施工细节的 不确定因素，为保障地面建筑及地下管线的安全与使用，以及围岩与结构的稳定， 还应当针对每一个具体工程提出一个地表下沉控制量( 或叫地表下沉控制基准 值) 作为施工监测指标。表1 2 列出国内外一些地区的地表下沉控制标准。 表1 2 各地区地表沉陷控制标准 国外闹市区西单地铁车站 西单地铁车上海地铁一号线盾构法 地区 按调查咨询 投标文件、深圳站控制标准施工控制标准 得到 地铁投标文件 地表沉陷控4 8 ( 实测最大施工期：隆起量：+ 1 0 沉 制标准 2 0 5 0 3 0 值4 2 )降量：3 0 ；施工后半年： ( mm )隆起量：+ 2 0 沉降量：+ 5 0 1 2 4 不同国家规定的建筑物地表沉降、沉降差的允许值 不同结构类型的建筑物在不同沉降差下的反应如表1 3 所示。建筑物承受地 表沉降、沉降差或地表角变位的允许值在一些设计规程或手册中都有所规定，本 文经过收集、整理，按照不同国家和部门作了如下归纳，以资参考： 表1 3 不同结构类型的建筑物在不同沉降差下的反应 建筑结构类型6 化( 工为建筑物长 建筑物反应 度，6 为差异沉降) 一般砖墙承重结构，包括有内框架分隔墙及承重砖墙产生相当 的结构：建筑物长高比小于1 0 ；有圈 达1 1 5 0 多的裂缝，可能发生结构性破 梁( 天然地基) 坏 达1 1 5 0发生严重变形 一般钢筋混凝土框架结构 达1 5 0 0开始出现裂缝 高层刚性建筑( 箱型基础、桩基) 达1 2 5 0可观察到建筑物倾斜 有桥式行车的单层排架结构的厂房桥式行车运转困难，不调整轨 ( 天然地基或桩基) 达1 3 0 0 面水平难运行，分隔墙有裂缝 有斜撑的框架结构达1 6 0 0处于安全极限状态 第1 章绪论 nmmm 一般对沉降差反应敏感的机器基础 达1 8 5 0 机器使用可能会发生困难，处 干可运行的极限状态 由于地基不均匀等因素产生的变形，对于砌体承重结构应有局部倾斜控制，砌体承重结构沿纵墙6 1 0 m 内基础两点的沉降差与其距离的比值，对中、低压缩性土为0 0 0 2 ，对高压缩性土为o 0 0 3 ：对于框架 结构和单层排架结构应有相邻柱基的沉降差控制，单层排架结构( 柱距为6 m ) 柱基的沉降量为2 0 0 r a m ，框 架结构对中、低压缩性土的沉降差为0 0 0 2 l ，对高压缩性土的沉降差为o 0 0 3 1 ( ，为相邻柱基的中心距离， 单位为m m ) ；对于多层或高层建筑或高耸结构应有倾斜值和沉降量控制；必要时应控制平均沉降量，对于 体型简单的高层建筑基础的平均沉降量的限制为2 0 0 m m 。 1 2 4 1 国内评价方法 国内评价地表沉降对建筑物的影响主要采用的是建筑物基础变形控制的地 表允许沉降标准：我国建筑地基基础设计规范g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 提出的地基变形 允许值如表1 4 所利1 2 】： 表1 4 我国建筑地基基础设计规范g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 提出的地基变形允许值 变形特征地基土类别 中低压缩性土高压缩性土 砌体承重结构的局部倾斜 0 0 0 20 0 0 3 工业与民用建筑相邻桩基的沉降差 ( 1 ) 框架结构 0 0 0 2 l0 0 0 3 l ( 2 ) 砖石墙填充的边框柱 0 0 0 0 7 l0 0 0 1 ， ( 3 ) 当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构 0 0 0 5 l0 0 0 5 l 单层排架结构( 柱距为6 m ) 柱基的沉降差 1 2 02 1 0 桥式吊车轨面的倾斜( 按不调整轨道考虑) 纵向 0 0 0 4 横向 0 0 0 3 多层和高层建筑基础的倾斜h g 盈4 0 0 0 4 2 4 h g 0 0 0 0 5 6 0 1 0 0 0 0 0 1 5 高耸结构基础的倾斜h g 2 0 0 0 0 8 2 0 h g 0 0 0 0 6 5 0 h g5 1 0 0 0 0 0 5 1 0 0 h gs 1 5 0 0 0 0 4 1 5 0 h g 三2 0 0 0 0 0 3 2 0 0 h g 叟5 0 0 0 0 2 高耸结构基础的沉降量h g _ 1 0 0 4 1 0 1 0 0 h g 叟0 0 ( 2 0 0 ) 3 3 0 2 0 0 h g 2 5 0 2 1 0 注：l 本表数值为建筑物地基实际最终变形允许值； 2 有括号者仅适用于中压缩性土： 3 ，为相邻柱基的中心距离( n u n ) ；h g 为自室外地面起算的建筑物高度( m ) ； 4 倾斜指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值； 5 局部倾斜指砌体承重结构沿纵向6 1 0 m 内基础两点的沉降差与其距离的比值。 一7 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 4 2 国外评价方法 ( 1 ) 英国国家煤炭局规定地面应变的损害等级如表1 5 所示，其中以结构的 长度变化作为控制标准【1 3 】： 表1 - 5 地面应变的损害等级 损害等级结构长度改变( c m )典型损害情况 l 、很轻微， 3 内部墙体、天花板有轻微开裂， 或可忽略但外部裂缝不可见 2 、轻微3 6内部轻度开裂，门窗不能关闭 内外均辁发升裂，门面个能关闭， 3 、中度 6 1 2 给排水管道及煤气管道受到损害 管道破坏，墙体裂透，门窗变形， 、 4 、严重 1 2 1 8 + 地板明显倾斜，墙体倾斜，楼板 翘曲，梁支座有部分脱落 ( 2 ) 美国出版的基础工程设计手册综合有关资料，提出建筑物能够承受均地 表沉降值用角变位觇表示，表1 - 6 所示【1 4 】：( l 为二点之间的距离，如相邻柱距， 6 为沉降差) 表1 - 6 美国基础规范中建筑物允许角变位 筏板基础( 厚约1 2 ) 上的钢筋混凝土多 1 7 5 0 层刚性框架 带斜撑框架的危险限值 1 6 0 0 不允许开裂的房屋安全限值1 5 0 0 ( 抹灰开裂) 1 6 0 0 吊车故障 1 3 0 0 圆( 环形) 筏基础上的高耸结构 1 5 0 0 墙板发生初裂限值 1 3 0 0 高层刚性房屋倾斜，目测可见 1 2 5 0 一般房屋建筑的结构危险损害 1 1 5 0 柔性砖墙的安全极限( 上胁4 ) 1 1 5 0 ( 3 ) 上述手册中综述的结构物允许沉降值或沉降差的又一组数据为，表1 7 所示： 表1 7 美国基础规范中建筑物允许沉降值 下水道 1 5 3 0 c m 总沉降 砌体墙结构 2 5 5 c m 框架结构 5 1 0 c m 烟囱、筒仓、伐基7 5 3 0 烟囱o 0 4 h ( 月，_ 高度) 倾斜 吊车轨道 o 0 3 l ( 厶一距离) 地面排水 0 01l o 0 2 l 高的连续砖墙 0 0 0 0 5 l - - o 0 1 仁1 3 0 0 ) 单层砖厂房建筑( 墙体开裂) o o1 l - o 0 2 l 不均匀沉降 抹灰开裂0 0 1 l ( 1 6 0 0 ) 钢筋混凝土框架房屋 0 0 2 5 - 4 ) 0 0 4 l ( 1 5 0 0 - 1 1 7 0 ) 钢筋混凝土墙板房屋 o 0 0 3 三 简单钢结构 o 0 0 5 三 第1 章绪论 以上数据中取较高的限值对于较规则的沉降和承受不均匀沉降能力较高的 建筑相反情况则取较低的限值。 ( 4 ) 美国海军装备部设计手册中概括的地面变形限值与上面所列的相刚1 4 1 。 此外对无筋承重墙( 长l ，高从基础到顶为h ) ，提出能承受的a m a x l 或卢值为： 变形下凹时：当l h 5 分别为( u 3 5 0 0 - - - 1 2 5 0 0 ) 和( 1 2 5 0 0 1 1 2 5 0 ) ； 变形下凹时：当l h = 1 3 和l h = 5 分别为1 1 5 0 0 0 和1 2 5 0 0 ； ( 5 ) 据b r a u n e r 综述，各国煤矿部f - j x 寸地下采矿引起的地表变形允许值为， 表1 8 所示【1 5 1 ： 表1 8 各国煤矿部f - j x 寸地下采矿引起地表变形的允许值 英 国 地表应变1 ( 长3 0 m 房屋) 法国地表应变1 - - 2 ( 压) ，o 5 ( 拉) 德国地表应变0 6 ( 压) ，0 6 ( 拉) ；倾斜度1 2 波兰地表应变1 5 ( 压) ，1 5 ( 拉) ；倾斜度2 5 前苏联地表应变2 ( 压) ，2 ( 拉) ；倾斜度4 1 2 5 地表变形的控制方法 地铁隧道由于处于特殊的位置，其结构设计和施工方法的考虑与一般山区或 其它条件下的软土隧道有着一定的区别。由于隧道开挖对地层变形的影响，势必 会对临近建、构筑物产生一定的影响，可能出现一些沉降、变形和裂缝等情况【1 1 1 。 从保护建筑物的角度来说，尽量要求建筑物不出现任何沉降、变形和裂缝等， 但实际上几乎是不可能的，一定的变形和裂缝已经是人们可以接受的材料特征， 关键在于如何将沉降、变形及裂缝控制在容许范围之内。 城市地表变形的极限值大小取决于地面构筑物的结构类型、结构所处环境条 件及它们运营的功能要求。变形极限值一般是指构筑物的不均匀沉降速率，变形 速率主要是根据结构极限状态、运营极限状态；结构裂缝极限状态三个极限状态确 定。就地表下沉来说，我国是将地表下沉量控制在3 0 m m 以内，认为可保证地面 建筑物和道路的安全使用。事实上，世界各国普遍是将3 0 一- - 5 0 m m 作为地表沉降 控制的标准。针对不同地层，采取相应措施，控制地表下沉不超过3 0 m m 是完全 可能的，已为众多地下工程的实践所证实【1 7 】。 我国城市地下工程建设起步较晚，随着人防、地铁、地下商场、仓库、影剧 院等大量工程的建设，特别是近年来的工程实践，城市地下空间开挖技术得到了 长足发展和提高。控制隧道开挖过程中对周边建筑物影响的措施，般可以分为 主动控制措施和被动控制措施两大类。 1 2 5 1 主动控制措施 主动控制措施是指通过对施工参数的优化，从隧道开挖的源头开始采取有关 北京工业大学工学硕士学位论文 曼皇皇! 曼! 曼! ! 曼i i i i 一一 i l l ! ! ! 曼曼曼皇! ! 曼曼! ! 曼蔓毫曼! 曼曼鼍曼曼皇曼! 曼曼! 鼍曼! ! ! 曼! 曼曼! 曼 措施来控制掘进对周边土层的扰动，以减少对建筑物的不利影响。在施工前，首 先根据经验选取施工参数，然后通过对地面变形和对建筑物影响的预测，优化选 取和本工程相适宜的施工参数；施工时，通过信息化施工，进一步优化施工参数， 精心控制地层变形，使其不至于影响周围建筑物的正常使用或安全。 1 2 5 2 被动控制措施 被动控制措施主要指通过诸如隔离桩、地下连续墙，托换、土体加固等工程 方法来保护周围建筑物。对于对地面变形比较敏感且影响后果比较严重的建筑 物，仅通过隧道施工本身的优化可能不能满足安全控制要求，故还需要采取有效 的工程保护措施。 1 2 5 3 一些国外的控制方法 ( 1 ) 全过程机械化。从护坡、土方开挖、结构施工，包括暗挖法施工的拱架 安装、喷射混凝土、泥浆配制和处理等工序的机械化。同时采用计算机技术进行 监控，从而保证了施工安全、快速施工和优良的工程质量【l 引。 ( 2 ) 盾构法得到较大发展。近3 0 年内英、美、法、日等国大量采用盾构施工 技术，日本已生产盾构近万台，用于地铁、铁路、公路，水工及管网施工，已出 现双联、三联、四联盾构，能完成三跨地铁车站，开挖宽度达1 7m 。日本正设想 设计直径8 0m 的盾构，在地下建造人造太阳和住宅区【1 9 1 。 ( 3 ) 微型盾构和非开挖技术己广泛应用。主要用于建造各种直径的雨、污水、 自来水管道和电缆管道。微型盾构就是直径2m 以下的盾构。刀盘掘进，遥控和 卫星定位控制方向和坡度，然后安装管片。非开挖技术就是采用微型钻机，通过 切割轮成孔，退回钻杆后安装管线或电缆【2 0 1 。 ( 4 ) 预砌块法施工技术。拱圈是在土方开挖后采用拼装机安装，管片上留有 注浆孔，衬砌拼装完成后，由注浆孔向壁后注浆，堵塞空隙，增强围岩与衬砌的 共同作用。法国用此法施工的最大单拱跨度达2 4 4 8 m 。 ( 5 ) 预切槽法施工技术。意、法等国制造了一种地层预切槽机，采用链条沿 拱圈将地层切割出一条宽1 5 c m ，长4 - 5 m 的槽缝，然后向槽缝内喷射混凝土， 并在其保护下开挖土方，做防水层及二次衬砌，形成隧道【2 1 1 。 ( 6 ) 微气压暗挖法。就是在具有1 个大气压以下的压缩空气环境下，按照“新 奥法”原理进行施工。优点是可以排出地下水，保证工作面干燥；由于气压存在， 可减少地面沉降；还可降低衬砌成本【2 2 1 。 ( 7 ) 数字化掘进，又称计算机化掘进( d a t ad r i l l i n g ，c o m p u t e r i s e dd r i l l i n g ) ，应 用于硬岩工程的开挖。在数字化掘进时，钻杆的推进是程序化的，从一个洞到另 一个洞也是自动的。掘进机手可以同时管理3 套钻杆，其作用是监督钻杆的运动， 第1 章绪论 必要时予以调整。孔位、孔深和掘进序列预先已在掘进机的计算机软件中安排， 掘进方向由激光束控制，实现了孔的严格定位，从而可以实现掘进工艺的最优化 以及曲线隧道的掘进。数字化掘进的优点是：控制隧道掘进的超挖；实现掘进方 案的优化；消除了工作面上的人 v n 量【2 3 1 。 1 2 6 存在问题 ( 1 ) 目前，由于盾构法隧道施工建造地铁只在我国少数几个城市实行，还没 有相关的沉降控制标准，也没有关于建筑物的评价标准，目前大多数国家都采用 英国在j u b i l e 地铁施工时的标准。而我国现有的一些城市地下施工引起的地面沉 降允许值往往由专家们根据经验规定延长线施工中对建筑物的评价原则和标准， 但此安全标准中没有将土体损失与建筑物损坏程度相结合，不能较好的指导工程 实践【2 4 】。 ( 2 ) 隧道开挖造成地面沉降的大小和范围及对邻近建筑物、管线产生的影响 与施工工艺密切相关，如何优化施工工艺，合理安排参数设置，以及在施上过程 中如何将信息化施上做好，将是一个发展方向。 ( 3 ) 在研究隧道施工引起地表沉降对邻近建筑物影响时，集中在基础上，同 时忽略了上部建筑物的存在，但由于建筑物与基础是一个整体以及上部建筑物存 在刚度，不能只考虑基础的存在来研究地表沉降。 ( 4 ) 目前，国内外关于隧道施工对地下构筑物影响的研究文献比较多，但是 在针对不同基础形式在地铁隧道施工过程之中是如何变形的，这方面的研究还有 待加强。 ( 5 ) 同样在地铁隧道施工的工程中，针对采用不同控制方法后，基础的变形 规律也应该是今后重点研究的方向。 1 3 本文研究内容、思路和方法 1 3 1 研究内容 地铁施工沿线地表变形安全控制是一个非常庞大的题目，涉及到地面建筑、 道路、管线等设施在地铁施工时所产生的损害。本文主要围绕地铁施工对周围环 境影响问题进行讨论，重点研究地铁隧道施工引起地表沉降对于上部建筑物基础 影响的问题。本文根据从北京地铁十号线施工区段获得的地表沉降实测数据，研 究了以下几个方面的内容：。 ( 1 ) 以地铁十号线为工程地质背景，在详细研究地质条件、施工、设计等资 料的基础上，建立地质模型、提出模拟方案，制定模拟方法。用f l a c 3 d 模拟地 北京工业大学工学硕士学位论文 铁施工对建基础的影响，主要分析其变形特征的研究。考虑的主要因素有：基础 与隧道的相对位置、空间位置、埋深、基础形式等北京地铁施工沿线地表变形控 制标准研究； ( 2 ) 在设计施工技术文件中给出的地表沉降主要是根据专家意见或经验笼统 地确定的，譬如，地表最大沉降为3 0 m m ，最大隆起量为1 0 m m 。实际上，不同 的环境条件和工程条件这个值是不一样的，实际工程实践也证实了这一点，本文 将采用数值模拟的结果与现行规范进行比对，提出建议； ( 3 ) 用f l a c 3 d 模拟在不同安全控制措施的情况下，其建筑物基础变形的结 果并对其结果进行分析研究，提出建议。 1 3 2 研究思路和方法 本文在进行上述研究中综合使用了以下的研究方法： 1 对北京地铁十号线，特别是亮马河站农展馆站区间调查研究，分析地质 报告，为下一步的数值模拟实验做准备； 2 参阅国内外文献，了解地铁隧道施工引发地表变形的原因、形式及影响因 素，对研究内容进行系统的理论分析； 3 针对不同的建筑物基础和安全控制措施建立数学模型，定量的分析地表变 形的规律。 1 4 总结 本章主要说明了课题研究的背景和意义，总结了地铁隧道施工引起地表变形 基本的破坏形式，介绍了国内外的研究情况，指出了存在的一些问题，提出了所 要研究的重要内容、思路和方法。 第2 章地铁施工引起地表变形的基本特征 第2 章地铁施工引起地表变形的基本特征 2 1 地铁施工地表变形的几种形式 在地铁工程施工中，隧道施工所引起的建筑物损害形式及损害程度与建筑物 的基础与结构形式、建筑物所处的位置，以及地表的变形性质和大小有关。地表 的基本损害形式主要有地表的沉降、地表的隆起、地表的水平位移、地表的倾斜、 地表的弯曲几种【2 4 1 。 2 1 1 地表沉降与水平位移 地表的均匀沉降使建筑物产生整体下沉，一般说来，这种均匀沉降对于建筑 物的稳定性和使用条件并不会产生太大的影响，但是过量的地表下沉，即使是均 匀的，也有可能从另一方面带来严重问题。地表的水平位移属于多发事故。由于 工程地质条件和施工方案的选择等因素影响，加之工程所处地段的特殊性，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。同时，沉降事故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。 2 1 2 地表隆起 地表隆起损害常见于盾构法和顶管法施工。对盾构法施工，当推进力大于 静止侧压力、机身与地层间的摩擦力之和时，前方土体受到挤压，形成地表隆起， 俗称负地层损失。顶管法施工也与之类似，管片在千斤顶的推力作用下，前方土 体受挤压，向上略微隆起。当邻近有建筑物时，会造成基础的上移，建筑物在地 表隆起作用下，亦会形成不均匀变形，可能产生裂缝等损害。 2 1 3 地表倾斜 地层的不均匀沉降会导致地表倾斜，倾斜最大值在拐点处。般地，由于 地下开挖使地基应力重分布，使部分基础受压切入地基，建筑物变形趋于均匀， 大多数建筑物的倾斜小于地表倾斜，但是可能会对建筑物产生危害。 北京工业大学工学硕士学位论文 隧道开挖引起的地表倾斜会造成荷载重心偏离基础底面的形心，将对地基 产生极大的偏心附加倾覆力矩，因而使底板压应力分布不匀，促使不均匀沉降现 象逐步加剧。尤其对于软土地区，地基工程事故大部分都是由沉降量或沉降差过 大造成的，特别是不均匀沉降对建筑物的危害最大。此外，地表倾斜对高耸建筑 物的影响更为严重，使其发生重心偏斜，引起附加应力重分布，使结构内应力发 生变化，严重时，使建筑物丧失稳定性而破坏。 2 1 4 地表曲率 在地层变形过程中，由于曲率使地表形成曲面，地表曲率对建筑物有较大 影响。在负曲率的作用下，建筑物中部沉降大，端部沉降小，建筑物中央部分悬 空，形成正弯矩，端部受剪，由于剪力形成的主拉应力使墙体形成正八字形裂缝 和水平裂缝。反之，在正曲率( 地表相对上凸) 的作用下，建筑物端部沉降大于中 部，建筑物两端将会部分悬空，形成负弯矩和剪力，而产生倒八字裂缝。 2 2 地表变形原因分析 地面变形的主要原因是土石地层应力出