城市地铁隧道的整体下沉及其控制

维普资讯 http://www.cqvip.com ＧＥＯＴＥＣＨＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＷＯＲＬＤ　ＶＯＬ　５　Ｎ０　９　………’………………………………………ｌ…………………………………………………………………，……－　城市地铁隧道的整体下沉及其控制　孔恒王梦恕张德华　（北方交通大学隧道与地下工程试验研究中心）　摘要提出隧道地层整体下沉现象及其下沉效应问题。籍助弹塑性理论，指出隧道底板中心线上存在　零应变点，零应变点以上的底板地层主要出现拉应变，零应变点以下的地层主要承受压应变。另　外给出了控制隧道整体下沉的若干技术措施。“隧道地层整体下沉”和“零应变点”等新概念将　有助于深入认识隧道地层的变位规律。　关键词　隧道　整体下沉零应变点　控制措施　修建城市地铁隧道引起的地表下沉及环境公害　已１３益受到关注。但目前普遍关注的是隧底以上地　布力。　０（ｆ）ｄｆ　层的变位规律及相应的控制措施，对隧道底部以下　地层的变位规律却少有问津。尽管隧道开挖引起的　底板上抬变形被普遍关注，并无一例外地采取了仰　拱措施，但对底板上抬变形与隧底以下地层之间的　相互作用仍少有解释。实践表明，不论是用浅埋暗　挖法还是盾构法，其隧道地层都不同程度地存在整　体下沉现象（即隧道较深部地层仍存在着不同程度　的下沉现象）。据对北京地铁隧道的监测，一般主　断面量测的地中位移点仅布置在隧底以下２ｍ处，　但该处仍有较显著的地层变位，远不是一般认为的　静止状态　，国外也类似　。盾构法开挖的上海地　铁隧道，其ｌ号线区间隧道在建成通车后的２年内　平均下沉了２０　ｍｍ　。即使隧道在岩层中也存在着　图１计算简图　设荷载集度为Ｑ（　），为求隧道底板Ｍ点的应　力，令Ｍ点的坐标为（　，Ｙ），在ＡＢ段上距坐标原点０　点为　处，取微段　，将其上作用力看作一个微小集　中作用力，则图１中的Ｍ点与微小集中力的垂直和　水平距离分别为　和Ｙ一　。Ｑ（　）　在Ｍ点引起的下　沉为：　一　整体下沉现象。文献［３］列举了大量运行隧道岩层　下沉存在的问题；文献［４］中现场监测结果亦表明，　地下岩层中６０ｏ　ｍ深处的岩层巷道，仍有整体下沉。　隧道地层整体下沉使地层变位加剧，地表下沉增加，　底板上抬变形加大，不仅影响隧道开挖时的稳定性　以及其后的正常运行，而且因其地表下沉引起的环　Ｑ（　）　｛（１一ｇ）ｌｎ［　２＋　】）＋，　（１）　境公害也更加突出。尤其是随城市的现代化发展，　未来的地铁隧道必将相互交叉、平行或重叠，工程地　质及水文地质条件必将更加复杂，因此研究探讨隧　底以下地层的变位规律，不仅对目前地铁隧道的建　设，而且对软弱地层和承压水上修建地铁区间隧道　都有意义　（ｙ一　）　＋　式中：Ｅ　一底板地层弹性模量和泊松比；，一　待定常数。　为了求出全部分布力所引起的下沉７／，只须将　所有各微小集中力所引起的下沉叠加，即对式（１）　积分：　叼一　ｌ　隧道底板地层的下沉分析　１．１　地层任一点的下沉和应变解析解　隧道开挖引起应力重新分布。若视隧道底板为　ｒ｛（１　ｌｎ　＋（ｙ　］＋　）Ｑ（　）ｄ　＋，（６一。）　（２）　半平面体　（图１），则在其边界的ＡＢ一段必受分　隧道底板　点垂直方向的应变等于（２）式对　的偏导数：　［收稿日期］２００２－０５—０２　①铁道部第十六工程局等．城市松散含水地层中复杂洞群浅埋暗挖施工技术研究．１９９９　４２　维普资讯 http://www.cqvip.com 壬　…妻；．妻一兰　舅………………………………………………………………………………………………………　ｉ　辜蟊蚕　暮　ａ　ｎｌ＋８　＝＝一仃Ｅ／ｚｒ｛（　一　）　南　０④　ｄ　（ｆ）ｆ　ｆ　Ｄ　ｄｕ．１　一　［　＋（ｙ一　）　］币　Ｊ¨　ｌＱ（　）　（３）　’Ⅳ　１．２隧底地层内部的变形分析　　１这里以微小集中力作用为例，讨论隧道底板地　层的垂直应变及位移的分布规律。　图２隧道底板地层的零应变点　由式（１）得：　所以零应变点以上的地层易遭到破坏。从隧道整体　ｄ８　＝　——　＝一—　：一　　一ｌ（，　考　ｄ考ｘ　）　稳定性上看，隧道地层整体下沉增大将导致零应变　｛Ｌ　＿＋（ｙ一　）　［一　器Ｙ　＋（　一　　）　］　）Ｊ　　㈩　、　点以上地层的拉应变值增加，出现剧烈破坏和上抬，　同时也使隧道侧墙压入底板量增大，隧道拱顶出现　令上式等于零，得到：　较大下沉，隧道稳定性减弱。这种状况对软弱地层　［（１一　）　一ｔｚ（ｙ一　）　］＝０　（５）　更加严重。因此，零应变点的工程实践意义就是：在　式（５）有３个实根，即：　充分重视隧道底板以上地层变位并采取控制措施的　ｒ　ｌ＝０　同时，不可忽视隧道底板以下地层的变位；它不仅对　隧道修建期间有影响，更重要的是会影响隧道结构　，＝±Ｉ　ｙ一　Ｉ　的耐久性，降低其可靠性和服务年限。　因　为负值时不合题意，故舍去。　３　控制隧道整体下沉的技术措施　由于ｄｕ　在　。和　两点对ｘ的二阶偏导数，　Ｏ￣ｄ——ｕｘ　Ｉ　：０　３．１　促使零应变点上移或消失　０ｘ　Ｉ　ｘ＝ｘ，　（１）提高地层的承载强度：在隧道开挖前，针对　０２ｄｕ　ｌ　—ｆ＜０（Ｑ（ｓｃ）　＞０）　地层条件选取适宜的辅助工法，如预降水、地表钻孔　０ｘ　ｌ　：　，　【＞０（Ｑ（　）　＜０）　注浆、小导管超前注浆、管棚超前注浆以及超前锚杆　说明在　＝　点，微小位移ｄｕ　存在极大值或　支护等，提高地层的自承载能力。　极小值。　（２）减少对地层的扰动：在技术经济合理的前　由此可见，在微小荷载作用下，只要水平方向与　提下，优先选用盾构法。采用浅埋暗挖法时，一般人　作用点存在一定的水平距离，即ＩＹ一　Ｉ＞０，则在　工开挖对地层的扰动较小，但必须严格遵守“管超　前、严注浆、短进尺、快支护、紧封闭、勤量测”的１８　＝　Ｉ’，一　Ｉ的点的微小应变等于零，微小位移　ｌ一　。　字施工方针。　ｄｕ　为极大值或极小值（图２）。这一微小应变为零　（３）改善应力重分布：严格执行开挖步骤程序，　的点，定义为零应变点，记为，ｖ点。它的意义是：当　明确每一步的力传递作用和效果。对应力重分布相　微小作用力Ｑ（　）　为压力时，Ｎ点以上的应变为拉　对剧烈的台阶法应保证留设核心土的大小和长度；　应变，该范围内地层主要受拉应力作用；，ｖ点以下的　增加锁脚锚管数量并及时打设，增加上台阶拱脚的　应变为压应变，该范围地层受压应力作用。，ｖ点的位　承载能力；加大拱脚处纵向连接筋密度并保证焊接　移值为隧底地层中的最大下沉值。当微小作用力为　质量；必要时增加临时仰拱等措施。　拉应力时，隧底地层中的应变和位移则与上述情况　３．２控制开挖尺寸　相反。很明显，若已知荷载分布，根据上述计算式很　由隧道底板地层的下沉分析可知，在隧道底板　容易求得隧底地层位移的变化规律。在工程应用　中心线上引起的最大下沉点都在底板表面以下，而　中，为简单计，可把荷载分布假设为一次方程，并据　不是在底板表面。最大下沉点距离表面的距离与各　实测确定参数即可求解。　区段距隧道底板中心线的距离值越大，下沉也越大，　２零应变点的工程实践意义　但下沉量的最大值却减小。因此为有效控制开挖尺　寸，对浅埋暗挖法必须考虑其具体的施工方法选择。　零应变点的提出揭示了隧道底板地层的分布变　据多年实践以及数值分析，从控制变形考虑，施工方　化规律，明确了零应变点以上为拉应力区，它造成隧　法的优先排序为：眼镜工法，ＣＲＤ工法，ＣＤ工法，上　底上抬变形。零应变点以下为压应力区，它造成隧　台阶设临时仰拱闭合法，正台阶法。　道地层整体下沉。因地层承受拉应变的能力很小，　（下转第４７页）　４３　维普资讯 http://www.cqvip.com 岩土工程界第５卷第９期　４　１　Ｉ－Ｉ　ｌ１．　ｆ　Ｊ一　一　一　ＩＩ－ｔｔ．　ＩＩ－．．　＿－ＵＬ■Ｊ－＿ＪＬ＿＾－ＩＬ．－■Ｌ　Ｊ　－　ｔ　ｌ■＾．－Ｊ一　ｒ●＿－Ｉ一。　巴　＾一　－　ＴＩ—ｒｒ一●－　－　‘　。一　－　。　芝１　磊　８葛高愈　００高苫＝磊霉　８锚誉蓦　南　嚣簪　’一一　………’　…’’　ｊ　………　’’　…　…　…　…一　■　二　责　Ｖ—　Ｖ　‘　⑧、⑨地层　⑥、⑦地层　Ｉ⑧、⑨地层　－６　７　图３纵向地表沉降与注浆填充率关系曲线图　３　结语　［２］　程骁，张风祥．土建注浆施工与效果检测．上海：同济大学出版　盾构施工法在我国对隧道及地下工程而言是一　社，１９９８．１．　个性的转变。同步注浆技术是盾构施工法的重　［３］梁炯筠．锚固与注浆技术手册．北京：中国电力出版社，１９９９．　要组成部分，同步注浆的好坏直接关系到盾构隧道　９．　［４］　杜嘉鸿等．地下建筑注浆工程简明手册．北京：科学出版社，　的稳定性和地表环境的安全性，同时对其施工进度　ｌ９９２．１１．　也有一定的影响，相信不久的将来，随着盾构工程的　［５］　草野一人（Ｅ１）．地基加固和防水药液注浆设计施工手册．北　日渐增多，同步注浆技术也必将日臻完善。　京：中国铁道出版社，１９８９．１０．　参考文献　作者通讯地址：河南洛阳市陵园路３号，中铁隧道集团科研　［１］　尹旅超，朱振宏，李玉珍等．Ｅｌ本隧道盾构新技术．武汉：华中　所邮编：４７１００９　理工大学出版社．１９９９．７．　（上接第４３页）　下则出现压应变。　３．３提高隧底地基的承载能力　（３）隧道地层的整体下沉量可用隧道底板中心　对土质地铁区间隧道，一般仅考虑采用仰拱措　线上的最大垂直位移值表示，通过数值积分求得。　施，而较少考虑隧道底板范围内地基土的加固问题。　（４）减缓地层变位的措施不应仅限于隧底以上　而由其力学分析知，若地基土强度高，无疑拉应变区　地层；应重视对隧底以下地层的监测和控制，尤其是　的范围会减小甚至消失，隧底上抬变形相应也小，对　对隧底为软弱土层或距承压水层较近处，更不容忽　控制隧道的整体下沉极为有效。今后应重视此问　视。　题。目前可据地基土性状在隧底及两侧采用加设长　参考文献　锚杆、小导管注浆、区域注浆等措施来提高其强度。　［１］　韩瑞庚．地下工程新奥法．北京：科学出版社，１９８７，２０５～　２４７．　４结论　［２］　程中行，谢益民．盾构同步注浆系统几个问题的讨论．铁道工　程学报增刊，１９９８，４１７～４１９．　（１）隧道底板较深部地层的位移方向一般都指　［３］　方利成，杜彬等．隧道工程病害防治图集．北京：中国电力出　向下沉的方向。这种现象可称为隧道地层的整体下　版社，２００１，１０～２３．　沉。它加剧了隧道浅部地层的塑性破坏和体积膨　［４］　马念杰，侯朝炯．采准巷道矿压理论及应用．北京：煤炭工业　胀，尤其是隧道底板地基土的强度降低，隧底上抬变　出版社，１９９５．１０３～１３７．　［５］　孙幼兰译．岩土力学弹塑性解．徐州：中国矿业大学出版社，　形显著。　１９９０，１３２～２２１．　（２）隧道底板中心线上存在着垂直应变为零的　点（简称为零应变点）。该点垂直位移取得最大值。　第一作者通讯地址：北京西直门外上园村北方交通大学，隧　零应变点以上的隧底地层出现拉应变，零应变点以　道与地下工程试验研究中心　邮编：１０００４４　４７