地铁盾构隧道下穿高速公路路基沉降规律研究

・４６・　全国中文核心期刊　路基工程　２００７年第４期（总第１３３期）　

地铁隧道盾构施工地表沉降的预测分析　

吴张中　李丽平　（中国地质大学工程学院湖北武汉　陈少华　４３００７４）（内蒙古自治区地质调查院）　摘　要　总结并分析了地铁区间隧道采用盾构法施工中引起地表沉降的规律、过程及原因，同时　介绍了以经验法为主且目前广泛应用于变形分析的ｐｅｃｋ沉陷槽预测公式，并结合我国某城市地铁隧　道的修建过程中产生的地表沉降现象，验证了该分析方法的实用性和可借鉴性。　关键词地表沉降ｐｅｃｋ沉陷槽预测分析盾构法地铁隧道　

１前言　近些年来，盾构施工法普遍用于在松软含水土层　中修建隧道，在江河海中修建水底隧道，在城市中修　建地下铁道及各种市政设施。但是，当采用盾构法施　工时，一般会引起隧道上方地表沉降，这种现象在含　水的松软土层或其他不稳定地层中表现显著。尤其对　于城市地铁，盾构法区间隧道一般都会穿越城市中心　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　等，而对环境的控制要求更为严格。因此，预测可能　发生的地表变形，对工程的顺利实施极为重要。　本文通过调研国内外盾构施工地表沉降控制技　术，同时参考同行业盾构法施工实例，分析了地表沉　降的预测方法及盾构施工过程中地表沉降的规律、过　程和沉降原因。　

２地表沉降的规律　在软土层中采用盾构施工时，隧道横向所产生的　地表变形范围受隧道的埋深和其所处的地质土层状况　影响较大，基本上接近土的破坏棱体范围，大致上近　似于ｐｅｃｋ…提出的沉陷槽形状，即概率论中的正态分　布曲线。同时隧道纵向所产生的地表变形可分为五个　阶段　，即初始沉降、开挖面前的变形、盾尾沉降、　盾尾空隙沉降、后续固结沉降，见图１。　

隆　沉　

图１地表沉降规律纵断面图　（１）初始沉降。距开挖面还有几十米（通常为大　于２．５Ｄ，Ｄ为隧道直径）的地面观测点，从开挖面　到达该点之前所产生的沉降，是随盾构机掘进造成的　地下水流动和水位降低产生的。　（２）开挖面前的变形。自开挖面约几米（０～　２．５　Ｄ）时起直至开挖面到达观测点正下方之间所产　生的沉降或隆起现象，多由于土体的应力释放或盾构　开挖面的反向土压力、盾构机周围的摩擦力等的作用　吴张中，男，博士研究生。　而产生的地基塑性变形。　（３）盾尾沉降。从开挖面到达观测点的正下方　之后直到盾尾通过该观测点为止这一期间所产生的沉　降，主要是盾构扰动土体所致。　（４）盾尾空隙沉降。盾构机的尾部通过观测点的　正下方之后所产生的沉降，是盾尾空隙的土体应力释　放所引起的弹塑性变形。　（５）后续固结沉降。由于施工过程中对周围土体　的扰动，土中孔隙水压力上升，随着孔隙压力的消　散，地层会发生主固结沉降；在孔隙水压力趋于稳定　后，土体骨架仍会蠕变，即次固结沉降。　上述沉降阶段多非同时产生，且其表现形式也是　综合性的。地基条件和施工状况不同，沉降的类型也　会有所不同。　

・隧道／地下工程・　张　舵一地铁盾构区问穿越既有铁路技术措施研究　

各土层物理力学性质指标见表ｌ。　

表１　物理力学性质指标　

２　路基沉降和轨道变形要求　

盾构施工对铁路的影响主要包括路基沉降和轨道　

变形，其中轨道变形是控制铁路行车安全的主要因素。　对于有砟轨道的路基沉降，可以通过回填道砟、补　

充注浆等方式予以补充，所以普通铁路路基沉降要求　

不高。《铁路路基设计规范》（ＴＢ１０００１－－２００５）　中　７．６．２条规定，一级铁路路基沉降量≤２０　ｃｍ、沉降速　

率均≤５　ｃｍ／年。《高速铁路设计规范（试行）》　（ＴＢ１０６２１—２００９）　中规定：对于有砟轨道，设计速度　

为２５０　ｋｍ／ｈ，一般地段工后沉降≤１０　ｃｍ、沉降速率均　≤３　ｃｍ／年；设计速度为３００、３５０　ｋｍ／ｈ，一般地段工后　

沉降≤５　ｃｎｌ、沉降速率均≤２　ｃｍ／年；　

对于无砟轨道的路基应遵循无砟轨道完工后的工　后总沉降△５，不允许危害铁路运营安全或产生损坏线　

路可使用性的轨道变位，也不能超过系统扣件竖向高　

度调整量的某一比例。《高速铁路设计规范（试行）》　（ＴＢ１０６２１—２００９）口　中规定，无砟轨道路基工后沉降　

不宜超过１５　ｍｍ；沉降比较均匀并且调整轨面高程后　

的竖曲线半径满足（Ｒ　≥０．４　）的要求时，允许的工　后沉降为３０　ｍｍ。　

在施工中以轨道沉降变形为实际控制标准，根据　

２００６年铁道部发布的《铁路线路修理规则》（铁运　［２００６］１４６号）　，适用于１　４３５　ｍｍ标准轨距和线路允　

许速度为２００　ｋｍ／ｈ及以下的线路。规则第６．２．１条　

规定了线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值　高速铁路还应遵守《高速铁路设计规范》的相关　

要求，同时应以铁路运营单位的实际轨道平顺性管理　

数据为准。如北京铁路局京铁工［２００８］２３８号文件　《京津城际铁路无砟轨道线桥设备维修规则（试　行）》　第７．１．１条之规定。　

３　计算分析　

山西青年　科技论坛　浅析隧道施工弓Ｉ起的地表沉降及变形测量　荀智翔　１．西南交通大学土木工程学院土木工程专业　摘要：地表沉降及变形是地铁盾构隧道施工过程中最需要重点关注　的问题，其直接影响周围地面建筑和地下设施的正常使用，因此，对地　表沉降及变形测量至关重要。论文首先分析了盾构掘进引起地表沉降及　变形产生的原因，重点探讨了地铁隧道施工引起的地表沉降及变形测量　方法。　关键词：沉降及变形；测量；地铁隧道；Ｙａ．．Ｔ－．－　盾构法隧道施工技术经过一百多年的发展，已经有了很大的进　步，由于盾构施工引起的周围建筑物的损坏也在减轻，但是盾构施　工还是会不可避免地引起地层的扰动，引起地层变形以及地面的沉　降及变形。地层扰动导致的土体强度和压缩模量的降低将会引起长　时间内的固结和次固结沉降及变形。当地层变形超过一定范围时，　就会危及到邻近建筑物和地下管网的安全，进而引起一系列的岩土　环境问题。由此可见，研究盾构施工产生地表沉降及变形的机理具　有重大的意义。　１　Ｊｌ构掘进弓Ｉ起地衰沉降及变形产生的原因　其原因不同的人看法不一样，虽然不同学者基于各自的出发　点提出了不同的盾构施工引起地表沉降及变形的机理，但是不可否　认的一点就是土体位移源于开挖引起的扰动及由此产生的地层损失　和扰动土的重新固结。①地层损失。所谓地层损失是盾构施工中实　际开挖土体体积和理论计算的排土体积之差。地层损失率以地层损　失体积占盾构理论排土体积的百分比来表示。地层损失一般包括盾　构开挖面的地层损失、盾构纠偏产生的地层损失、盾构沿曲线推进　时产生的地层损失以及盾壳外径和管片直径之间空隙弓ｌ起的地层损　失。引起地层损失的施工及其他主要因素有：盾构掘进时，开挖面　土体受到的水平支护应力小于原始侧向应力，则开挖面土体向盾构　内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降及变形；当盾构推　进时如作用在正面土体的推应力大于原始侧向应力，则正面土体向　上向前移动，引起地层损失（欠挖）而导致盾构前上方土体隆起。②　在盾构暂停推进时，由于盾构推进千斤顶漏油回缩，可能引起盾构　后退，使开挖面土体塌落或松动，造成地层损失。⑧由于向盾尾后　面、隧道外围建筑空隙中压浆不及时、压浆量不足或压力不适当，　使盾尾后坑道周边土体失去原始三向平衡状态，而向盾尾空隙中移　动，引起地层损失。在含水不稳定地层中，这往往是引起地层损失　的主要因素。　２控制后构Ｉ蹦蕾施工地面沉降及变形测量方法　沉降观测按部位可分为表层沉降观测、深层（分层）沉降观测和　断面沉降观测。经过多年的发展，沉降观测方法不断完善，观测仪　器类型也越来越多，但不同的观测方法和观测仪器适用于不同的工　程地质条件。目前，沉降监测常用的方法有：监测桩、沉降杯、沉　降板、磁环沉降仪、水压式剖面沉降仪和水平测斜仪等。接下来，　将对以上这些方法做一个简单的介绍。　２．１监测桩　用木桩和钢钎钉入土中，用水准仪持平，即可测量土体表面的　沉降量。一个监测桩只能观察路面上一点的沉降，若要进行整个断　面的沉降测量，必须埋设多个监测桩。在不同位置埋设的监测桩的　尺寸有着不同的要求。此方法最简便，但只能测定建筑物表面的沉　降值，无法测试土体内部某一位置的沉降，对填土施工有干扰。　２ｌ２沉降水杯测量　监测路基内部变形最有效、最经济的手段之一是沉降水杯测　刘依霞　２．西南交通大学公共管理学院国际金融与贸易专业　量。沉降水杯利用连通器原理，把路基内部某一点的高程映射到路　基外部，故测量路基外部该映射点的高程即可知道路基内部观测点　的高程。通过一定时间段监测该映射点高程的变化，即可清晰点绘　出路基内部观测点的形变历程。而这些形变历程是研究路基变形机　理及规律的基础数据。其优点在于观测方法原理简单、浅显易懂、　造价低廉。缺点是根管的埋设要求比较高，如果埋设不平顺，容易　形成气泡阻塞水管，使测试无法进行：在比较寒冷的地区也不适应：　直接目测观测水杯读取液面刻度值，精度较低（士１ｍｍ）。该方法用　于室内试验观测比较容易，用于实际工程观测时，由于现场条件复　杂、天气变化异常、实际操作比较困难，一般较少使用。　２．３沉降板　沉降板一般用于观测软土地基总沉降。测试地基面在不同处理　措施、不同荷载条件下地基面的沉降分布。沉降板作为沉降动态观　测的方法之一，以其代价低、设置方法简单、易观测被广泛采用，　取代了一些地区使用仪器观测，但数据的准确性和精确性容易受影　口向。沉降板底座随着路基沉降，通过与底座相连的测杆．可以测　得底座埋设处的路基沉降值。　２．４　ＰＶＣ管测斜仪　ＰＶＣ管测斜仪（也称测斜仪）是一种测定钻孔倾角和方位角的原　位监测仪器。ＰＶＣ管沉降仪按使用方式不同，可分为滑动式测斜仪　和固定式测斜仪。固定式是将测斜仪测头固定在土体内某点位移的　位置，用传输信号电缆引出地面进行观测。　２　５磁环沉降仪　磁环沉降仪是分层沉降仪中运用最为广泛的一种。磁环沉降仪　的工作原理磁环沉降仪所用传感器是根据电磁感应原理设计。将磁　感应沉降环（沉降标）预先通过钻孔方式埋入地下待测的各点位置，　当传感器通过磁感应环时，产生电磁感应信号送至地面仪表显示，　同时发出声光报警（一般是蜂鸣器发出信号）。读取孔口标记点上对　应钢尺的刻度数值，即为沉降环的深度。一般每次测量值与前次测　值相减即为该测点的沉降量。但是实际测量中可以根据条件。选择　孔１３标高或最底层沉降标位置作为监测基准点，通过对不同时期测　量结果的对比分析，可以确定各土层的沉降（或隆起）结果。　３结语　总之，城市隧道地质条件一般很复杂，一般都处于松散、软弱　土层中，因此对地铁隧道施工引起的地表沉降及变形的观测尤为重　要，目前沉降及变形的测量的方法诸多，对于实际工程中某种方法　的采用应该结合实际情况来选定地表沉降及变形的测量方法。　参考文献：　［１］杨海朋．施工过程中浅埋隧道自身性状及上部建筑物沉降变形的　数值分析【Ｄ１．湖南大学硕士论文，２００７．　【２］王新定，孙宝俊，畲才高．地铁建设对城市环境的影响及其对策盯］．　城市轨道交通研究，２００４，（３）：８８—８９．　ｆ３］王占生，王梦恕．盾构施工对周围建筑物的安全影响及处理措施卟　中国安全科学学报，２００２，１２（２）：４５—４９．　Ｉ　

第２　８卷，第２期　２　０　０　７年３月　中　国　铁　道　科　学　ＣＨＩＮＡ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＣＩＥＮＣＥ　Ｖ０１．２８　Ｎ０．２　Ｍａｒｃｈ，２００７　

文章编号：１００１—４６３２（２００７）０２—００１２—０５　

软土地区盾构隧道下穿铁路干线　

引起的线路沉降规律分析　

吕培林，周顺华　

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海２００３３１）　

摘要：软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的上方铁路线路沉降规律与一般情况下盾构推进引起的地面　沉降规律有较大的不同。基于某地铁隧道工程实例，对隧道下穿铁路的施工期及其后续阶段的线路沉降进行观　测。根据观测数据，从沉降发展的时间历程、施工各阶段沉降量所占比例和地面沉降槽的特征３个方面进行了　分析研究。结果表明：此类工程的地表沉降规律特点主要是后续沉降量在总沉降量中所占比例相当大，并且其　沉降达到稳定需要的时间远比通常情况要长，最终沉降量的大小几乎完全由后续沉降决定；此外，其沉降变形　槽的深度和广度也更大，而且后推进的隧道上方沉降尤为显著。　

关键词：隧道施工；线路沉降；沉降观测；下穿铁路；盾构隧道；软土　中图分类号：Ｕ４５９．３　文献标识码：Ａ　

盾构法具有不影响地面交通、外运土方少、施　工速度快、适应软弱地质条件等优点，已经成为软　

土地区城市地铁隧道施工的最常用方法。工程界和　

学术界对盾构隧道施工引起地表沉降的规律进行了　大量研究［１。］，但关于软土地区盾构隧道下穿铁路　

干线的工程经验相对较少，对于隧道上部铁路线路　

在列车动荷载反复作用下的沉降规律是否与一般地　面沉降类似，尚缺乏可靠的资料和认识。　

隧道下穿铁路引起的铁路线路变形，加剧了轨　

道的不平顺，不仅加大了轮轨间的冲击力，加速轨　道结构和基床的破坏，对铁路运营安全也会产生严　

重影响　］。随着城市轨道交通如火如荼地建设，　

地铁盾构隧道下穿铁路干线的工程将越来越多。本　

文结合某地铁隧道工程实例，在其施工期及后续阶　段对铁路路基及其附近范围地表沉降进行了持续观