（岩土工程专业论文）浅埋暗挖地铁中的土体沉降规律及控制研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文摘要 摘要 随着我国城市交通事业的发展，城市地铁建设中出现的地下土体变形最为 人们所关注。本文基于大量前人的研究成果，借助北京地铁十号线光华路地铁 车站浅埋暗挖法旌工的调研资料，利用现场监控量测数据、理论分析和数值模 拟等多种手段，对土体变形的规律和影响因素进行了深入的分析，主要的研究 内容包括： l 、根据现场监控量测，特别是对于现场拱顶下沉和地表沉降监控量测的 研究，掌握了浅埋暗挖地铁中土体变形的特点，通过理论分析对浅埋暗挖地铁 中土体变形规律有了比较系统的了解。 2 、土体变形的影响因素很多，以地层条件和地下水的客观影响最大，地 层预加固、旌工：【艺等主观因素的优化要在工程实践中不断完善，根据现场旋 工条件、可操作性、安全性及经济性合理选择不同的加固措施，以期取得最佳 的经济和社会效益。 3 、根据数值模拟浅埋暗挖地铁施工开挖过程因其进尺不同而产生的土体 变形规律，并且对比实际监控量测的结果，以便找出旋工中的影响因素以达到 指导实际工程的目的。 关键词：浅埋暗挖法地铁隧道土体变形监控量测 北京交通人学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fu r b a nt m f ! f i ci no u rc o u n t r y ，s o l u md e f o r i i l a t i o ni st h e m o s ta t t e n t i o n - g e t t i n gi s s u et op c o p l ei nu r b a ns u b w a yt u n n e lc o n s t r u d j o n t b s t u d yt h i sp r o b l e m ，t h ed e e p l ya n a l y s i si sc a i r i e dt ot h en l l ea n di n n u e n c ef a c t o r so f s o l u mi nt h i sp a p e fb a s e do nv a s tp a s t r e s e a i hr e s u l t ，t h ei n v e s t i g a t i o nd a t ao ft l l e g u a n g l l u a l us t a t i o ni nt 王l et e n 】i n eo fb e i j i n gm e t r ow h i c hc o n s t r t l c t e d b ys h a l l o w t i i n n e ic o n s 仃u c t i o nm e t h o da n dv a r i o u sm e a s u r e ss u c ha si n s u i te x p e r i m e n t ， t h e o r ya n a l y s i sa n d 删m e r i c a ls i m u l a t j o n n ec o n t e n t si nt l l i st h e s i sa r ei n c l u d e d a sf o l l o w s ： f i r s t l y a c c o r d i n gt om o n i t o r i n gm e a s u r e m e no ft h ef i e l de n 舀n e e r i n gs p e c i a l l y g m u n ds u 1 a c es e n l e m e n ta n da r c hc r o w ns e t t l e m e n tt h es o l u md e f o 珊a t i o nr i l l e c a u s e d b ys u b w a yt u 衄e 1c o n s t r u c t i o ni ss y s t c l n a t i cr e a l i z e d s e c o n m y t h e r ea r em a l l yi n f l u e n c ef a c t o r st o s o l u md e f o 瑚a t i o n ，a n dt h e n a t i l r a lc o n d j t i o no fs o l u ma n du n d e r g r o u n dw a t e ra r et h em o s ti m p o r t a n tc x l e m a l i n f l u e n c ef a c t o r s s o m es u b j e c t i v ei j l f l u e n c ef a c t o r s ，s u c ha sp r e - r e i n f o r c e m e n tt o s t r a t i l m ，c o n s t n l c t i 衄t e c h n i c s 柚ds o0 n ，s h o u l db eo p t i m i z e da i l dc o n s u m m a t e di n p r o j e c tp r a c t i c ec o n t i n u o u s l ya n da d o p t e dv a r i e dm e a s u r ei i lp u r p u s eo fo p t i u m e c o n o m i cp e r f o 加强c ea n ds o c i a lp e r f b m 锄c e t h j r d l y ，i l lr e s p o n s et os o l u md e f 0 i m a t j o n n l l ec a u s e dt h ed i f f c r e n c e o f f b o t a g ei ns u b w a yt u n n e lc o n s t f l l c t i o nb yd i 酉t a ls 曲u l a t i o n ，a n dm a t c ht h er e s u l t o fm o i t o r i n gm e a s l l r e m e ti l ls u i t ，t h ei n f m e n i n gf a c t o rb ys h a l l o wt u 衄e l c o n s t n i c t i o nm e t h o di sf m d e dj no r d e rt os u p e i s i n gt l l ep m c t j c a b l ec o n s t m c t i o n k e y w o r d ： s h a u o wt u 皿e lc o n s t m c t i o nm c t h o d ；m e t r ot u 仰e 1 ； s o l u m d e f b r m a t i o n ；m o n i t o r i n gm e a 锄r e m e n t 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着城市经济和建设事业的发展，城市地面交通的压力越来越大，单一的 地面交通己经无法从根本上解决城市交通拥挤的状况，迫切需要大力发展地下 快速轨道交通来从根本上解决交通拥挤的问题。1 8 6 3 年英国建成了世界上第 一条地下铁道，其后相继在纽约、布达佩斯、维也纳、巴黎、柏林、雅典、马 德里、东京、莫斯科等2 1 座城市修建了地下铁道。第二次世界大战后，由于 盲目发展私人轿车，给城市交通带来了灾难，人们逐步认识到只有发展以地下 铁道为骨干大运量快速公共交通系统才是解决城市客运交通问题的最根本的 途径。2 0 世纪5 0 年代以来，特别是7 0 年代以后，拥有地下铁道的城市迅速 增多，全世界已经建成的地铁线路达5 2 0 0 k m 。 我国大城市交通紧张状况，在改革开放初期就已经呈现出来。目前各大城 市道路交通条件严重恶化，车均道路面积每年以l o l5 的速度下跌，发达 国家所经历的机动车剧增，道路交通严重阻塞的僵局在中国大城市重演。这些 城市空气和噪声的污染严重超标，对居民的身心健康构成威胁。因此发展城市 快速轨道交通，在市中心区修建地下铁道，不仅可以缓解地面交通阻塞和居民 乘车难的问题，还有利于城市环境保护，而且也是唯一可行办法。我国大陆已 经在北京、上海、广州、南京建成了一定规模的地铁并投入了运营，目前为了 迎接奥运北京正在进行建设的地铁工程有：北京地铁四号线、北京地铁五号线、 北京地铁十号线，预计2 0 0 8 年底将全面建成。另外准备建设的地铁有天津地 铁、广州地铁、哈尔滨地铁、沈阳地铁、青岛地铁等。 1 2 本课题的研究目的及意义 城市地铁暗挖隧道工程是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，隧道 北京交通大学蟪士学位论文第一币绪论 的开挖施工将不可避免地扰动地下岩土体，破坏了原有的平衡状态，而向新的 平衡状态转化。地下岩土体的开挖会引起地表沉降和变形，地表沉降到一定的 程度将影响地面建筑物的安全和地下管线的正常使用。而地铁线路一般都会穿 过人口密集、地面建筑物林立、地下管网密布的市中心繁华地段，该区段对施 工产生的地表位移和变形的要求都很高，施工方法的选择如稍有失误，将会造 成不可估量的损失。因此隧道开挖施工时，要与保护城市中有历史意义和经济、 社会意义的设旎协调起来。地下开挖必然会引起的土体的沉降和变形尽管有时 十分微小，所造成的危害也不大，然而要完全制止变形是很困难的。因而只能 根据要求，采取有效措施来减小变形，使得地面房屋、道路、管线等建( 构) 筑物不至受到损害，生态环境不至恶化。 浅埋暗挖法是基于岩石隧道新奥法( m 砌的原理在第四纪软土中开创出 的新方法，已广泛应用于世界各国的地铁隧道建设。浅埋暗挖法最初应用北京 地铁是在第四纪地层、无水、地表无建筑物的条件下，采用了“管超前、严注 浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测、速反馈”的施工原则成功应用的。1 9 8 7 年北京地铁首次采用暗挖法建成了复兴门车站折返线工程，由于其灵活多变、 适用复杂多变的地层及隧道断面结构、设备简单、不干扰交通及周边环境等众 多优点，随后“隧道及地铁浅埋暗挖工法”在全国广泛推广应用，经过多年实 践，目前该方法已成为我国城市地铁工程、市政等地下工程施工的重要技术手 段，成功应用于北京、广州、南京和深圳等已建成或在建地铁工程，同时也广 泛适用过街道、污水处理管道及铁路、公路浅埋隧道工程。实践表明，与明挖 法、盾构法相比，浅埋暗挖法有明显的优点，其可操作性、经济性以及对复杂 多变地层的灵活性都无可置疑。 对于从事地下工程建设人员来说，必须了解、研究工程施工时对周围环境 的影响程度，并在事先及施工过程中采取有效的保护措施，将环境影响降低到 最小程度。对这类问题的研究在问题的提出，对问题的定义和解决方法上都可 能与传统的土力学有所区别，引发上述岩土环境问题的原因是多方面的，有设 2 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 计参数选择不好和设计有误造成的，有施工不当造成的，也有井点降水造成的。 但有一个基本原则是共同的：对施工扰动引起周围土体工程性质的改变和施工 中结构与土体介质的变形、失稳与破坏的发展过程认识不足，或者己经意识到， 但是由于隧道施工方法的多样性和工程地质以及水文地质条件的复杂性，对这 个课题的研究无论是从系统性还是深度来说，都还很不深入，有关文献资料也 比较缺乏。 多年的工程实践丰富了浅埋暗挖法的理论，对于城市地铁施工引起的土体 变形问题也做了很多的研究，提出了很多切实可行的措施，但由于土体物理参 数性质的不确定性以及周围环境的复杂性，如何把握土体的变形规律，提高浅 埋暗挖法的适应性，保证地铁隧道的施工安全与稳定，以及针对土体变形的影 响因素提出控制措施，对设计、施工都有深远的意义。 1 3 国内外土体变形的研究现状 1 3 1 国外土体变形的研究现状 城市地铁隧道开挖是从地表以下取走部分岩土体，从而使地层从原来的平 衡过渡到一个新的平衡，此时原始地应力场发生变化，在岩土体应力变化过程 中，地应力从地表往下传递到隧道结构，而土体变形则从拱顶延伸到地表，土 体内部和地表较大范围内将产生位移和变形。 研究岩土开挖引起的土体变形问题可以将岩土体视为连续介质，如弹塑性 体，采用连续介质力学方法分析；也可以将岩土体视为非连续介质，如散体等， 采用非连续介质力学方法分析。地铁隧道开挖时单个岩块或土体颗粒的运动十 分复杂，但大量的实测结果表明，岩土体的总的运动趋势有着明显的规律性。 这种运动特性使得传统的连续介质力学的广泛应用受到限制，统计性的研究有 了一定的发展。波兰学者李特威尼申“j ，仃j 距朋) 提出了随机介质理论， 该理论将岩土体视为一种“随机介质”，将开挖岩土体视为一种随机过程。随 机介质理论在煤矿开采地表移动预计中获得了广泛的应用，并发展应用到地表 北京交通人学硕卜学位论文第一苹绪论 开挖等地下岩土工程中。 地铁隧道开挖引起土体变形是一个三维动态过程，图1 1 为典型的浅埋暗 挖台阶法施工隧道上覆地层中埋深力处土体的三维变形状态剖面图，横断面图 ( 左) 中，土体的竖向位移( 以) 和横向水平位移( 以) 随着掌子面的开挖不 断增长并最终趋向稳定，而纵断面图( 右) 中纵向水平位移( 以) 则随掌子面 的前进动态变化，掌子面通过前后位移方向相反。隧道开挖过程中最关心的是 土体的竖向位移( 以) 和横向水平位移( 以) ，而由现场实测可知，一般情况下 咏 5 b 时1 次1 周 项 应设置监测断面 目 精密水准周围建( 构) 筑物的沉降和 周围 建 仪、铟钢根据建( 构) 筑倾斜监测频率与地表沉降的 ( 构 尺、倾角 o 1 m m 物的沉降、倾斜、观测频率相同外，建( 构) ) 筑 计、经纬仪 1 ” 裂缝的不同内容筑物裂缝，监测频率按照控 物变 或全站仪、分别布置，详见制两次观测期间裂缝发展不 裂缝观测相应的条文 宜大于o 1 m 及裂缝所处位 形 仪置而定 地下精密水准 地下管线每1 0 管线仪、经纬仪 0 1 m 1 5 m 一个测点，管 与地表沉降相同 1 ”线接头处，位移 变形或全站仪 变化敏感部位 北京交通大学确士学位论文 第一章浅埋暗挖地铁中的监控量测技术 类监测 监测仪器监溯 别 项目及元件精度 测点布置监测频率 每5 3 0 m 一个断 拱顶精密水准面，每断面l 3 ( 部仪、铟钢尺 个测点，对于浅 由开挖面距监测断面的距离 应 ) 沉( 或全站 o 1 和位移速度综合决定，详见 埋暗挖车站，每 测降 仪) 等个导洞均应布置 条文 项 一 断面 目 每5 3 0 m 一个断 净空 面，每断面卜一3 收敛收敛计0 1 m 根基线，对丁浅 由开挖面距监测断面的距离 埋暗挖车站，每 和位移速度共同决定，详见 位移 条文 个导洞均应布置 断面 岩体 爆破 地面 质点振速根据结 质点 声波仪 振动 及测振仪 构要求设点，噪 声根据规定的测 随爆破及时进行 速度 等 距设置 和噪 分层沉降 开挖面距监测断面前后2 b 围岩仪、测斜取代表性地段设时1 2 次l 天；开挖面距监 内部仪、多点位l m 一断面，每断面测断面前后5 b 时1 次2 位移移计( 洞内2 3 孔天；开挖面距监测断面前后 观测)5 b 时1 次l 周 围岩开挖面距监测断面前2 b 时 选 压力士压力盒、取代表性地段设1 2 次1 天；开挖面距监测 测 及支频率接收 o 1 一断面，每断面断面前5 b 时1 次2 天；开 项护问仪 ( f s ) 5 儿个测点挖面距监测断面前 5 b 时1 次 目 应力l 周 钢筋 格栅支柱压力 拱架计或其它每1 5 4 0 榀钢拱与围岩压力及支护间应力相 内力测力计、频 0 1 m p a 架设一对测力计 同 及外率接收仪 力 北京交通大学硕上学位论文第二章浅埋暗挖地铁中的监控量测技术 类监测监测仪器监测 测点布置监测频率 别项目及元件精度 初期 选支护 测( 喷 项射混 目凝 土) 、应变计 取代表性地段设 与围岩压力及支护间应力相 二次麻力计 o 1 m p a 一断面，每断面 衬砌 5 1 1 个测点 同 内应 力及 表面 应力 锚杆 ( 索 ) 、土 锚杆测力必要时进行。每 钊内计o 1 k n1 0 0 根抽取1 3 与围岩压力及支护间应力相 力、及拉拔器 根做内力监测 同 抗拔 力 衬砌 地质雷达 拱部每隔5 m 一个在一次衬砌和二次衬砌完成 背后 等l o m环向断面，每断 后各作一次测定，注浆后作 空隙 物探仪器 面5 个测点 。 一次检验 监测 钢管 柱混选择有代表性钢 开挖面距监测断面前2 b 时 凝土应力计、表 管柱进行监测， 应力面麻变计、一般每个车站应 1 次1 天；开挖砸距监测断 ( 浅频率接收 o 1 m p a 面前5 b 时1 次2 天；开挖 对至少不少于4 埋暗仪个钢管柱进行监 面距监测断面前 5 b 时1 次1 挖车测 周 站) 地下 电测水位 取代表性地段设 订、5 r 啪 1 次2 天 水位置 p v c 塑料管 注：l 、b 为隧道开挖跨度 2 、地质描述包括工程地质和水文地质 】3 j ! 室奎望查兰塑主兰垡笙兰墨三童塑塑堕堡些壁塑些丝墨型垫查 隧道监控量测通常分为施工前和施工中两个阶段，隧道开挖前的量测主要 进行原位测试，即通过地质调查、勘探，直接剪切试验，现场实验等手段来掌 握围岩的特征，包括构造、物理力学性质、初始应力状态等等。施工中监控量 测主要是对围岩与支护的变形、应力( 应变) 以及相互间的作用进行观测。 一般来说，浅埋暗挖地铁中监测项目分为应测和选测两类，其中应测项目 在浅埋暗挖施工的全部地段均应按照要求靠点监测，选测项目是根据现场地质 条件、浅埋暗挖施工断面形式、大小和周围环境等实际情况，由设计文件规定 在局部地段进行的监测项目。具体见表2 1 地铁浅埋暗挖法施工监控量测内容 总汇。 2 2 3 浅埋暗挖地铁中监控量测的方法 监控量测系统首先建立水平位移和垂直位移监测控制网。 水平位移监测网利用地面平面控制点做主控点，与监测网点组成平面控制 网，其形式依据结构布设成轴线形；垂直位移监控网利用北京市局部高程控制 网作为一级控制点，与地表沉降等观测点组成地表高程位移监控网，同时将主 控点高程通过竖井引测至地下，并在竖井壁上埋设水准基点( 并定期复测) ， 与结构监测点组成地下高程控制网。主控点埋设牢固、稳定，监控点可埋设在 原状土层中，并加设保护装置。 l 、围岩及支护状态观察 其观察内容包括： 1 ) 地层的工程地质特性及其描述； 2 ) 地下水类型，涌水量大小，涌水位置，涌水压力； 3 ) 丌挖工作面的稳定状态，有无剥落现象； 4 ) 初期支护完成后对喷层表面的观察、裂缝状况的描述和记录喷混凝土 是否产生剥离，要特别注意喷混凝土是否发生剪切破坏； 5 ) 对已施做完的二衬进行观察，有无开裂现象； 1 4 ! ! 重奎垩查兰堡主兰竺堡苎笙：三里堡堡堕堡些竺竺些垄苎型垫查 6 ) 锚杆有无被拉脱或垫板陷入围岩内部的现象； 7 ) 锚杆和喷混凝土施工有无质量问题； 8 ) 钢拱架有无被压曲和其他变形现象； 9 ) 是否有底鼓现象。 观察频率：对开挖后尚未支护的围岩应随时进行观察，对开挖后已支护段 的支护状态每天应观察1 次。 2 、地表沉降监测 地表沉降监测应利用城市中的永久水准点或施工时使用的临时水准点作 为基准点，其数目应不少于3 个。基准点应在沉降监测的初次观测一个月之前 埋设好。 测点布置一般应按照以下原则： 1 ) 地表沉降测点在纵向上沿左右线区间隧道的中线各布置一排监测点 ( 监测断面) ，沿车站中线增设一排监测点( 监测断面) 但其最外点应位于车 站结构外沿不小于3 0 m 处；监测断面沿隧道纵向的间距可参考表2 2 ，每个监 测断面布置7 11 个测点：在特殊地质地段和周围存在重要建( 构) 筑物时， 监测断面间距应调整为5 m 到2 0 m ，横断面上各测点的布置应依据近密远疏的 原则，一般在隧道中线两侧1 5 m 范围内，测点间距为2 5 m ；超过1 5 m 范围外， 测点间距为5 l o m 。 表2 2 地表沉降测点纵向间距 隧道埋深h ( m )测点纵向间距( m ) h 2 b 2 0 5 0 b l o m 天 0 l b l 2 次1 天 l o 5 i n 【l l 天 l 2 b 1 次1 天 5 l m 天 2 5 b 1 次2 天 5 b 时，1 次1 周。 在出现情况异常时，应增大监测频率。 5 、围岩压力及支护间应力监测 围岩压力及支护间应力一般用土压力盒进行监测。应在具有代表性的地段 选择应力变化最大或地质条件最不利的部位布置测点。监测仪器为土压力盒、 1 7 韭塞窒望查兰堡圭堂笪堡苎塑三雯些堡堕丝些丛生塑些丝里型垫查 频率接收仪，量测精度为0 1 ( f s ) 。监测频率若设计有特殊要求，则可按 设计要求进行，遇突发事件，则应加强监测。 6 、钢筋格栅拱架内力及外力监测 每1 5 4 0 榀钢拱架布置一对测力计，利用频率接收仪进行监测。监测仪 器为支柱压力计或其它测力计，量测精度为o 1 m p a 。钢架受力的监测工作， 应与围岩净空收敛监测工作同步进行。监测频率为： 当开挖面距监测断面前2 b 时，1 次1 天； 当开挖面距监测断面前5 b 时，1 次2 天； 当开挖面距监测断面前 5 b 时，1 次1 周。 在情况出现异常时，应增大监测频率。 2 2 4 浅埋暗挖地铁中监控量测值控制标准 表2 4 地铁浅埋暗挖法施工监控量测值控制标准 建议控制位移平均速度位移最大速度 序号 监测项目及范围 值u o ( 咖)控制值( m m d )控制值( m d ) 区间 3 0 l 地表沉降25 车站 4 0 区间 1 0 2 拱底隆起 车站 1 0 区间 3 0 3 拱项沉降 25 车站 4 0 区间 2 0 4 水平收敛 l3 车站2 0 注：1 、 位移平均速度为任意7 天的位移平均值：位移摄大速度为任意1 天的最大位移 值( 下同) 。 2 、本控制标准是针对北京地区地铁沿线重要区段、周围有重大建( 构) 筑物、地 下管线的区段而设置的控制标准，对于地铁沿线周围无重大建( 构) 筑物、地下管 线的区段，或者区域地质环境困难的区段，其控制值标准可以适当放宽。 地铁施工监控量测控制标准要根据地铁结构跨度、埋置深度、工程地质及 1 8 北京交通大学硕七学位论文第二章浅埋暗挖地铁中的监控量测技术 水文地质特点、施工工法等因素综合考虑确定。浅埋暗挖地铁中监测项目的实 测值或用回归分析推算的最终值一般均应小于表2 4 中所列数值。当位移速度 无明显下降趋势，而实测值已接近表中规定的建议控制值，同时支护混凝土表 面已出现明显裂缝，或者实测位移速度出现急剧增长时，必须立即采取补强措 施，并经设计、施工、监理和业主分析和认定后，改变施工程序或设计参数， 必要时应立即停止开挖，进行施工处理。 2 2 5 浅埋暗挖地铁中监控量测数据处理及反馈 随着工程施工的进度，监测工作在工程期间穿插进行。为了能够保证施工 的安全性，做到监控能时时指导施工，应及时将处理数据反馈给技术人。工程 中应制定报表制度，即监控资料按照图表格式进行整理，凡在当天监测得到的 数据，应当天处理完毕，并及时反馈给施工单位的工程技术人员。采取预警控 制法结合变形速率进行安全信息反馈，凡监测数据超过预警值或超过规范时， 监测人员应在当天的报表中标注出来，及时向技术主管部门进行汇报。每周将 本周的报表进行处理，进行一次汇总，做成成果表进行周报。根据以往经验， 采用铁路隧道施工规范( t b l 0 2 0 4 2 0 0 2 ) 的i i i 级管理制度作为监测管理方 式。管理等级见表2 5 。 表2 5 监测管理表 管理等级管理位移施工状态 i i i u u 0 2 ，3加强监测、发出警报并及时反馈 注：其中u 为实测值，u o 为最大允许位移值，即控制值。 每次量测后，应对量测面内的每个量测点分别作回归分析，求出各自精度 最高的回归方程，并进行相关分析和预测，推算出最终位移( 应力) 变化规律， 并由此判断开挖洞室的稳定性。 对每项量测，总变形量应在规范允许之内，且不大于预留变形量，否则应 1 9 苎塞銮墨查兰堡! 兰篁堕壅墨三兰望里堕丝些壁! 塑些笙墨型丝查 采取必要措施( 如及时跟进二次衬砌、注浆、打锚杆等) ，以减小变形量，防 止围岩过度松弛。当变形超过规范要求时，应修改施工方案，确保以后施工部 分的稳定性。从变形速度、加速度方面考虑，当出现加速或异常加速时，则表 明围岩可能出现失稳或支护出现裂纹，此时应密切监视围岩状态，并加强支护， 必要时应停止开挖。 2 3 本章小结 本章主要介绍的内容如下： 1 、介绍了浅埋暗挖旌工中监控量测的目的，阐明了监控量测的重要性。 2 、详细介绍了浅埋暗挖施工中的监测内容，包括应测项目和选测项目两 部分，并且介绍了监测仪器、测点布置和监测频率等。 3 、对浅埋暗挖地铁施工中监控量测的方法进行了详细的阐述，主要包括 围岩及支护状态观察、地表沉降监测、隧道拱顶( 部) 沉降及净空收敛位移监 测、邻近建( 构) 筑物变形监测、围岩压力及支护问应力监测、钢筋格栅拱架 内力及外力监测六个方面，并且对各个方面进行了进一步的阐述。 4 、针对浅埋暗挖地铁中监控量测值控制标准进行了介绍，给出浅埋暗挖 地铁中地表沉降、拱顶沉降、拱底隆起、水平收敛在车站和区间中的建议控制 值。 5 、介绍了浅埋暗挖地铁中监控量测数据处理并反馈，这样有利于篪工安 全顺利的进行。 北京交通大学硕十学位论文 第三章浅埋暗挖地铁中土体变形规律分析 第三章浅埋暗挖地铁中土体变形规律分析 3 1 引言 随着城市建设的发展，北京的地铁建设为了迎接2 0 0 8 年奥运会进入了一 个大发展时期，地铁四、五、十号线已丌工建设，图3 1 是北京地铁四、五、 十号线( 含奥运支线) 规划图。我国的地铁隧道一般都是浅埋隧道，隧道施工 图3 1 北京地铁四、五、十号线( 含奥运支线) 规划图 会引起土体变形，在地表建筑密集，地面交通繁忙的地段，施工隧道必须严格 控制地表沉降，确保地面建筑和地下管线的安全，因此，有必要开展隧道施工 对土体变形分析的研究，这方面的研究工作，也已经取得了一定的成果，但是 ! ! 塞壅望查兰堡! ：兰垡望兰塑三兰鎏堡堕丝些墼! 圭堡奎堡塑堡坌堑 仍然缺乏系统性和前瞻性的研究。本文以北京地铁十号线光华路地铁车站作为 工程背景，将计算结果和实测资料有机的结合起来来研究浅埋暗挖地铁中土体 变形规律，能够对今后的地铁的施工起着一定的指导作用。 3 2 隧道上覆土体变形的一般规律分析 3 2 1 土体变形一般规律 脂出教授在1 9 6 9 年提出的高斯( 印“船妇，1 ) 分布曲线( 图3 2 ) 是经验方 法的基础，国内外许多学者提出的经验方法都是在此基础上派生出来的，其基 本表达式为： 沪。x 七蔷) b 。 s t 去一去 b z ， 其中，s ，垂直沉降；s 隧道中心线处最大沉降；z 到隧道中 心线的水平距离；y 地层损失；f _ 一横向沉降槽宽度系数( 隧道中心线 到曲线反弯点的水平距离) ：z 一地面至隧道中心的深度； 卜1 _ 譬眵：磊点 、。j 、 止。7 、最大曲率点 z 、 、l 一。7 反弯点 l - ，撞 图3 2 高斯分布曲线 图3 2 中b 为沉降槽体外缘至隧道外侧起拱点连线与垂直线的夹角； 式3 2 表示的沉降曲线，其反弯点在x = i 处，该点出现最大沉降坡度s 怎； 北京交通大学硕士学位论文第三章浅埋暗挖地铁中土体变形规律分析 在工= 3 f 及z ；f 处，出现最小曲率半径p 。这两处沉降量分别为o 2 2 s 一及 s 啪。 沉降槽宽度系数i 的确定可根据已知地质条件、地面至隧道中心深度z 、 及隧道半径r 来确定沉降公式3 1 中i 值。 z ”忑雨 。3 云t a n f 4 5 。一里) 7 式中舻土的内摩擦角，对于成层土取加权平均值。 肘n f ，( 1 9 9 3 ) 根据世界范围内的现场观测资料和离心试验，i 的确定通过 f = 虹确定；其中对粘土而言k = 0 5 ；对砂土和细粒土k = 0 2 5 ；i 与z 的相互关系 可以通过( 3 4 ) 确定： 。( 去) ” 协。， r l2 r 其中，一f 把w p 盯( 1 9 7 7 ) 等建议： q = 1 ，n = 1 c f d 哪和 m 胁( 1 9 8 1 ) 建议： a = 1 ，n = 0 8 肠g 酊p 细( 1 9 8 7 ) 建议： = 1 ，n 一 同时， 如扣提出了一种预测地面以下各土层的横向沉降槽范围和沉降曲 线的方法，见式3 5 ，3 6 所示 t = 七( z 。一z )( 3 5 ) 这里女= 所以： 叭m 2 s ( 卜丢) 1 一二 北京交通大学硕士学位论文第三章浅埋暗挖地铁中土体变形规律分析 s 。“ 旦 ( 3 6 ) r 叭，s + o s z s k ) o 1 7 5 + 0 3 2 5 l1 一= - i ” z 。隧道深度；t 是常数；z 为在地表下某点所要求的沉降深度； s 。，：o 3 1 3 擘：d 隧道直径； 求得各参数后代入式3 1 即可。 在经验方法中，沉降槽宽度i 是一个非常重要的参数，i 瓜和h ( 2 r ) 的关 系可从下式中看出： 扣s ” b ， r i2 rj 肋6 甜对一些经验方法和半经验方法进行了讨论，这些方法近来得到了较 为普遍的应用，所获得的预测值比较接近测量值，但都有其缺陷。经验方法的 主要不足包括：经验方法的适用性比较有限，因为本身是基于个别隧道相关 数据提炼出来的，具有一定的主观性；只能适用于那些与经验方法提出时类 似的隧道工程；对隧道周围的土体和隧道构造特性考虑很少；没有考虑不 同的施工方法的影响；提供的隧道周围土体位移的信息有限。工程实际需要 一种具有实用性、合理性的隧道设计方法。肋6 d 在2 0 0 1 年提出了在浅埋隧 道周围地层变形解析方法。这种方法只适用于浅埋隧道和土体饱和状态。肋抛f 对2 8 个隧道进行了分析计算发现该方法所取得的预测计算结果和实际测量结 果吻合良好。 勘施f 在2 0 0 1 年给出了隧道浅埋和土体饱和条件下的求解方法。该方法 是基于弹性假设的，没有完全考虑土体的特性。为了便于突出影响影响隧道设 计的主要因素，对一些参数做出了如下假设( 参考图3 3 ) ： 1 ) 隧道截面半径为r ； 2 ) 在隧道垂直方向上满足平面应变条件； 苎塞窒堡查兰堡主兰垡丝苎兰三童垡里堕垫些塾! 圭堡錾堑望堡坌堑 3 ) 隧道与衬砌之间没有摩擦力； 4 ) 隧道的埋深与隧道半径比大于1 5 ： 5 ) 土体各向同性； 6 ) 衬砌厚度远小于隧道半径，即：t r 0 ； 7 ) 在开挖过程中空隙水压力的消散很小，士体渗透性很小；即隧道开挖 在不排水条件下进行。 地表 ：水位线 h 图3 。3b o b e t 浅埋隧道 在图3 3 中，u ，和u 。分别为隧道周围土体径向和切向位移；t 为衬砌厚 度；e 和e 。分别为隧道周围土体和衬砌的弹性模量；u 和u 。分别为隧道周围 土体和衬砌的泊松比；r 0 为隧道内径：h 为隧道埋深。 该方法必须满足平衡方程、应变协调方程和边界条件：7 砌d 妇蹦勋和 g d 砌盯在1 9 7 0 年应用a i r y 应力函数得出了一般解： 巾。l n r + 妙2 + v 2 l n r + 咖冶+ 啪+ ：町ps j n 口+ g 矿+ 廿。+ 廿l n ，) 蚶一：叩日c 0 + 3 + 幸4 + 毋l n r ) s i n 日+ 妻眩，+ 岛一+ 办1 + 跏“) c 。趴日 3 8 + 4 + 吨，“+ 靠1 + d c ：，“) s i m 口 忍 其中a 0 ，b o ，c 0 等都可以通过下列边界条件确定。 北京交通大学硕十学位论文第三章浅埋暗挖地铁中土体变形规律分析 i 。，：= 玑i 。m = o u 6 k = u h g q 6 k ；q h 0 。6 k o 。k = o0 日i m 4 0 8r i r 0 2 u q i ，一。= 一( y 。+ y 。) ( 一y ) 吒i = 七盯：+ y 。( ，k y ) ( 3 9 ) 在符号的上标有g ，l 分别代表土体和衬砌的相关值；s 。s 籼s 她u e ，u ，为 在极坐标系总的应力和位移，s 。，s ，为直角坐标系下的应力，s 为有效应力，g 为间隙参数，丫b 为土体的浮重度，k 为土压力系数，h 为隧道埋深，h 。为地下 水位线高度。 因为假设土体不排水，土体体积不发生变化，衬砌的应力位移关系可以用 式3 - 1 0 表示( 胁g 班，1 9 6 6 ) ： 等+ 攀：g 警鹕z ( 3 - 1 0 ) d 日。d e ”7 其中，cf 分别是压缩比和弹性比，定义如下： c ；生q ：! ! f ：熊g 二颦 ( 3 - 1 1 ) e 4 ( 1 一y 2 ) 巨l ( 1 一，。) e 和v 为土体的弹性模量和泊松比，e s 和v s 为衬砌的弹性模量和泊松比。 a s 和i 。为衬砌横截面面积和惯性矩。其中： k ，3 2 【( r 0 + t ) 4 - r 0 4 】 ( 3 - 1 2 ) 围岩“支护需求曲线”与支护结构“支护补给曲线”是按弹塑一粘性理论 等推导公式后以隧道周边位移为横坐标、支护反力为纵坐标绘制的表示围岩受 力变形特性的洞周收敛线。图3 4 曲线1 、2 表明：相同刚度的支护结构架设 时间越早，支护结构与围岩达成最终应力平衡时间则越短，即支护结构参与围 岩土体相互作用时间越快，从而能较更有效地控制围岩纵向变形大小与横向变 形范围，初期支护必须贯彻“宁强勿弱”、“宁早勿迟”的作业指导方针。这也 北京交通人学硕士学位论文第三章浅埋暗挖地铁中十体变形规律分析 是城市地铁浅埋暗挖法施工的原理，同时也是地层沉降控制的基本出发点。 p 咖p a ) 1 、 2 3 p 一一一也4 b 寸 ， o 。1 - 击可_ 一一u ( m ) 图3 4 围岩收敛一约束特征曲线 浅埋暗挖法施工的工作面是开式的，因此，其施工对地层的扰动较盾构法 要大，而且只是在超前预加固的前提下利用围岩的自稳能力旌作支护，从而约 束地层的变形。隧道开挖对地层变形的影响范围较大，特别是城市地铁浅埋隧 道其影响范围更大，在隧道掌子面前方1 5 2 d 和横向3 5 d 范围内地层变形 已经产生( 如图3 5 ) ，随着掌子面的推进地层变形速率加快，通过后逐步趋 向稳定。拱顶下沉包括三部分：超前沉降( s 。) ，滞后观测沉降( 氐：) ，量测 沉降( 氐。) ；地表沉降包括超前沉降、通过阶段及稳定沉降，三者均可现场量 测。 地表 i _ _ ：_ r 7 _ _ 一一7 7 r 、地i m # 图3 5 地表、拱顶沉降一般规律 3 2 2 城市地铁开挖对周围环境的影响 任何地下工程，如暗挖、盖挖、明挖都是从原始地面以下取走岩土体，无 2 7 韭室茎望查兰堡主堂焦堡兰笙三! 婆塑堕丝些壁! 圭堡壅丝塑堡坌塑 论其埋深大小，均将扰动周边岩土体使之失去原有的平衡，而逐渐向新的平衡 转化，即由岩体的初始应力状态转向围岩的二次应力状态。在这个过程中地下 岩土体及地表面势必发生或大或小的位移及变形如果地面变形较大而不采取 适当的措施加以控制，则地面建筑物及交通系统将遭到损害。有时此类变形十 分微小，所造成的危害不大，然而企图制止变形是办不到的。因而只能根据地 表保护的要求，采取有效措旋来减小变形，以使地面建筑物不至造成损害，生 态环境不至恶化。应该指出，由于设计不周或施工措施不利而造成地面沉降及 基坑滑坡事故时有发生，造成严重经济损失和社会影响。开挖施工破坏了土体 的原有状态平衡状态，会造成地表下沉、水平位移、倾斜位移、净空收敛等土 体变形。因此近几十年来，岩土工程开挖所导致的岩土体及地面沉降预测普遍 引起重视。 3 3 地表沉降与拱顶下沉规律分析 地铁隧道开挖过程中最关心的是地表和拱顶的位移值，地表沉降一般都可 以测出实际沉降值，而工程施工中的拱顶量测设计和现场的具体实施情况有 定的差异，即拱顶上方围岩在掌子面到达之前已经发生了位移，直到掌子面通 过后一段时间才趋于稳定；而现场的量测一般滞后掌子面一定距离，所测得的 拱顶量值偏小。为保证隧道的旖工安全，实测和预计最终拱顶下沉是一个值得 关注的问题。 i 二= 右线挺面i 丽 f 一左线拱顶下沉f l = ! 地毒趣隆 图3 6 北京地铁+ 号线光华路地铁车站西北风道地表、拱顶沉降纵断面趋势 2 8 j ! 塞銮垄奎兰堡兰丝丝墨苎三皇垡堡堕丝些堡圭堡壅丝塑堡坌堑 从图3 6 北京地铁十号线光华路地铁车站西北风道地表、拱顶沉降纵断面 趋势可以看到拱顶下沉与地表沉降的相互关系，拱顶下沉基本小于地表沉降， 拱顶下沉往往是地表沉降的8 0 以下，这其中最关键的一点是拱顶下沉观测 滞后掌子面，一般滞后距离为l o m 左右，该现象对分析土体变形极为不利，违 背了开挖应力释放与位移传递的规律，因此f 确的分析两者的变形规律对工程 实践有非常重要的意义。 3 3 。1 工程概况 北京地铁十号线一期工程光华路站( 桩号k 2 0 十3 9 3 6 2 k 2 0 + 5 6 2 8 2 ) 的车 站主体部分、附属部分( 包括出入口及地下通道、风道和风亭等) 。光华路站 位于东三环中路与规划的商务中心区东西街交汇处，跨路口设置，车站主体为 南北走向。左右线站台分离布置在东三环中路的两侧辅路下，中洞布置在道路 中心线下，车站中心里程为k 2 0 + 4 8 l 。本站站位地面为北京市的朝阳区c b d 商 务中心区，现状地面建筑比较密集，东三环中路以东、规划的商务中心街的北 侧部分现状主要为多层居民住宅，南侧的燕赵家具城为平房( 规划为c c t v 用 地) 。三环路西侧为北京财富中心的旅工工地。 3 3 2 车站施作方法 本工程中洞施工采用洞桩法，用钻孔灌注桩作为侧墙围护结构。在小断面 导洞中施做钻孔桩，中洞拱部先施工两侧小导洞再施工中部，将中洞一跨分成 三部分开挖，进一步缩小了开挖跨度。拱部初期支护封闭后，直接施工结构拱 部二衬，并将二次树砌和桩顼纵梁浇注在一起，在水平钢支撑的支撑下开挖主 体直至结构底板，然后顺做结构，工作面宽敞，便于作业，是本工程的主要特 点。 车站侧洞和风道、出入口部分暗挖段施工采用中隔壁法施工( 见图3 7 ) ， 按照“小分块、短台阶、多循环、快封闭”的原则，自上而下步步为营，分块 成环，随挖随撑，及时做好初期支护，然后再自下而上旋作二次模筑钢筋混凝 北京交通大学顾士学位论文第三章浅埋暗挖地铁中十体变形规律分析 土内衬。该方法掘进与初期支护影响范围小，安全度高，沉降量小，质量高。 * t 鼢自i ，l # $ 目= 挺h 自日、* 日* i p ，- t u 髑$ 鼠= 撕h _ g 、* * 自鼎fr 制l i 戒e & = & 栉 图3 7中隔壁法施工顺序图 3 0 一一裔一q一自固 北京交通丈学硕士学位论文第三章浅埋暗挖地铁中十体变形规律分析 3 3 3 工程地质、水文地质与工程结构的关系 车站结构底高程1 6 6 3 9 ( 1 8 3 9 9 一o 5 6 1 2 ) ，结构初支外缘顶高程3 1 8 3 8 ( 1 8 3 9 9 + 1 3 4 3 9 ) ，结合以上地质条件，本站主要通过第四纪全新世冲洪积层 和第四纪晚