地铁隧道穿越既有车站的沉降预测及加固措施_黄合理

１００９－６５８２（２０１３）０２－０１１４－０５１序言２工程概况在加快城市轨道交通建设的今天，新建地铁线路不可避免地会穿越既有地铁车站。

地铁隧道施工中会对围岩土体产生扰动并引起地层变形，当变形达到一定程度时将影响到既有地铁车站的安全。

同时，地铁隧道施工超前加固措施控制不当时，可能引起既有地铁车站的沉降，甚至产生破坏性影响，严重时还将影响到相关人员的生命财产安全，尤其是在城市闹市区，如果出现这类问题，将产生非常恶劣的社会影响。

为了有效预防和控制地铁隧道施工对既有地铁车站的不均匀沉降的影响，有必要在具体工程地质状况下，对既有车站的沉降做出可靠的预测，以此来调整施工方案，并采取有效措施来控制沉降。

本文结合北京地铁７号线某区间地铁隧道施工的实例，采取经验法、分析法、数值模拟法对既有车站的地表沉降进行分析，通过地表沉降的分析预测既有车站的沉降，其成果可为同类工程的施工提供参考。

本段区间在里程Ｋ９＋１９１．０００￣Ｋ９＋２３６．１００范围下穿既有地铁车站主体，区间隧道拱顶埋深２３．５８ｍ，距既有车站结构底０．７０２￣１．２１５ｍ，与车站方向［１￣６］114修改稿返回日期：作者简介：２０１２－１２－１５黄合理（１９５６－），男，高级工程师，主要从事隧道及地下工程研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｔ１６ｈｈ１＠１６３．ｃｏｍ．摘要关键词7结合北京地铁号线某区间隧道施工工程实例，用经验法、分析法和数值模拟法预测了隧道施工穿越既有地铁车站引起的地表沉降；并提出地铁下穿既有车站时，采取深孔注浆、小导管注浆等方式来加固土体，以达到控制地表沉降值的目的，同时满足既有车站的行车安全。

地铁隧道下穿施工沉降预测加固措施文章在（中铁十六局集团公司，北京１０００１８）地铁隧道穿越既有车站的沉降预测及加固措施黄合理地铁隧道穿越既有车站的沉降预测及加固措施垂直，具体见图１和图２。

区间隧道在下穿既有车站段采用台阶法＋临时仰拱法施工。

根据新奥法原理，结合具体情况，以合理地利用围岩的自承能力，尽量减少开挖隧道对围岩的扰动为原则，以钢筋网、喷混凝土及钢架作为主要施工支护手段，模筑钢筋混凝土为二次衬砌，并通过现场监控量测指导设计和施工。

2.1工程地质该段地表至隧道的地质情况，从上向下依次图１新建区间隧道与既有车站位置关系平面示意Ｆｉｇ．１Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｔｈｅｎｅｗｌｙｂｕｉｌｔｒｕｎｎｉｎｇｔｕｎｎｅｌｔｏｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｓｔａｔｉｏｎ新建区间隧道新建车站115地铁隧道穿越既有车站的沉降预测及加固措施图２新建区间隧道与既有车站剖面单位：ｍｍＦｉｇ．２Ｐｒｏｆｉｌｅｓｏｆｔｈｅｎｅｗｌｙｂｕｉｌｔｒｕｎｎｉｎｇｔｕｎｎｅｌａｎｄｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｓｔａｔｉｏｎ（）为：炉灰、砂质粉土、粉细砂、中砂、粉质粘土、中粗砂、粉土、粉质粘土、卵石、粉质粘土、中粗砂，具体如图３所示。

2.2水文地质勘查地表以下５０ｍ深度范围内，实际量测一层地下水，为层间潜水三。

地层中的粉质粘土⑧层及粉土⑧层为相对隔水层，由于区域性隔水层缺失，致使本层地下水与下伏卵石⑨层中的承压水连通。

本层地下水分布连续，含水层渗透系数大，为（）２强透水层。

区间隧道的开挖正好处于有水段，为施工造成一定的困难。

实际施工中设置降水井降低井内水位，使之处于无水施工状态。

在城市中修建地铁隧道穿越既有地铁车站时，准确预测隧道开挖引起的地表沉降非常重要，目前主要的预测方法有经验公式法、理论分析法和数值模拟法。

研究隧道开挖引起的地表沉降最常用的经验公式是由１９６９年Ｐｅｃｋ教授提出的。

Ｐｅｃｋ在大量实测资料的基础上，提出了隧道地面沉降量预测，认为隧道施工产生的地表沉降横向分布近似为正态分布曲线图４，并提出了如下Ｐｅｃｋ公式，具体见式１和式２。

（）（）（）［７，８］３沉降预测3.1经验公式法图４Ｐｅｃｋ法地面沉降槽曲线Ｆｉｇ．４ＣｕｒｖｅｏｆｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｔｒｏｕｇｈｂｙｔｈｅＰｅｃｋｍｅｔｈｏｄ反弯点s ｍａｘio沉降槽曲线s２．５ix（）（）（）（）（）（）（）１２式中：（）——距离隧道中心处的地表沉降ｍ；——隧道中心线上的地表沉降ｍ；——地表沉降槽宽度ｍ；——单位长度地层损失量ｍ；——隧道有效直径ｍ。

该公式的关键参数为地表沉降槽宽度和最大沉降，在运用Ｐｅｃｋ公式时，这两个参数是预测的关键。

最大沉降量主要与工程地质条件、水文地质条件、隧道施工方法、施工技术水平及工程管理经验等诸多因素有关；而在施工方法、技术及工程管s x x s i v D i s max max i３图３地铁隧道地质剖面Ｆｉｇ．３Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｆｉｌｅｏｆｔｈｅｍｅｔｒｏｔｕｎｎｅｌ116地铁隧道穿越既有车站的沉降预测及加固措施理等因素得到严格设计和控制的情况下，影响最大的因素主要是隧道穿越地层的工程地质条件。

根据Ａｔｔｅｗｅｌｌ和Ｆａｒｍｅｒ等人的研究，有如下公式。

３式中：——沉降槽宽度参数，主要取决于土的性质；——隧道轴线到地面的垂直距离ｍ；——隧道覆土厚度，取１５．３５ｍ；——隧道等效半径，取３．５０ｍ；——上覆土体平均内摩擦角。

Ｃｌｏｕｇｈ和Ｓｃｈｍｉｄｔ给出了的表达式：４式中：——隧道单位长度的理论体积ｍ——土的不排水抗剪强度ｋＰａ；——土的弹性模量ｋＰａ；——土的泊松比；——土体容重ｋＮ／ｍ；——开挖面支护压力ｋＰａ。

中国学者侯学渊、蔡少明１９９３结合上海地区饱和土地层的特点，提出了考虑施工间隙和固结影响的修正Ｐｅｃｋ公式。

王霆等２００７提出了浅埋暗挖法施工中采用不同工艺时的的取值范围。

韩煊、李宁２００７通过对我国８个地区观测数据的分析，给出了我国部分地区沉降槽宽度系数的初步建议值，北京地区类似本地质条件下的取值为０．３６￣０．６０，正常施工的地层损失率为０．２２％￣３．００％。

确定Ｐｅｃｋ公式中各个参数的取值后，然后根据公式１￣４，可以计算出距离水平轴线左右０、２ｍ、４ｍ、６ｍ、８ｍ、１０ｍ、１２ｍ处的地表沉降值，具体结果如表１所示。

ＬＯＧＡＮＡＴＨＡＮ和ＰＯＵＬＯＳ基于镜像法原理，结合等效土体损失参数，采用弹性半弹性半平面解法得到了隧道施工引起的土体垂直位移计算公式为：５（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）K Z H R V V C E P K K K ００i u ３３［９］［１０］f µ?µ3.2理论分析法式中：——计算点距隧道轴线的水平距离ｍ；——计算点距隧道轴线的垂直距离ｍ，向下为正；——隧道顶至地面的距离ｍ；——等效土体损失参数，可通过下式计算：本工程中的垂直位移正好与地表沉降值一致，故采用公式５可直接计算地表沉降值，具体数值如表１所示。

１建立计算模型采用Ｐｌａｘｉｓ３ＤＴｕｎｎｅｌ有限元软件，分析上边界至地面，侧边界取５倍洞径，纵向取６００ｍ；侧面约束水平位移，底面约束垂直位移，地表为自由面。

隧道上方既有地铁车站约为３０ｍ×３０ｍ的正方形，为均布载荷２００ｋＰａ的十字交叉的条形基础，埋深７．５０ｍ。

三维有限元计算模型共划为５７９８个单元，模型及划分如图５所示。

x z h g （）（）（）（）（）3.3数值模拟法（）２数值模拟结果在区间隧道穿越既有地铁车站时，隧道顶部位于中粗砂层，根据相应的地层性质，研究地表沉降可采用土体的不排水抗剪强度。

区间隧道施工采用台阶法＋临时仰拱法开挖，上下台阶间距５ｍ。

先开挖右线隧道，格栅间距为０．５ｍ，左右线掌子面间距２０ｍ，在右线初期支护和二次衬砌施工完毕后，再开挖左线隧道。

根据叠加法，双线隧道施工图５计算模型及网格划分Ｆｉｇ．５Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌａｎｄｍｅｓｈｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ117地铁隧道穿越既有车站的沉降预测及加固措施表地表沉降计算结果1Table 1Calculated ground settlement results距离水平轴线／ｍx 经验法／ｍｍ解析法ｍｍ／数值法ｍｍ／距离水平轴线／ｍx 经验法／ｍｍ解析法／ｍｍ数值法／ｍｍ０－４２．２０－４０．７５－３９．６３＋８－３２．５２－３１．４７－３０．３８２－４１．０６－３９．１８－３８．６２－８－３１．７８－３１．０１－３０．６７－２－４０．８６－３９．４８－３９．１２＋１０－３０．６７－３１．７５－３２．０８＋４－３９．５３－３８．４２－３７．５９－１０－３０．１０－３１．２３－３１．４５－４－３８．６７－３７．９９－３７．２３＋１２－２９．２６－２８．５３－２７．４８＋６－３５．４９－３４．６７－３３．７４－１２－２８．５６－２８．１２－２７．５６－６－３５．１２－３４．１２－３３．９８／／／／引起的地表沉降为单个隧道沉降的叠加值。

在上述隧道支护条件下，现将经验法、解析法和数值模拟所计算的地表沉降列于表１其中左负右正。

根据表１的数据采用ｅｘｃｅｌ绘制图形，如图６所示。

（）图６地表距离水平轴线的沉降值Ｆｉｇ．６Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓ－５０－４５－４０－３５－３０－２５－２０－１５－１０－５０－１２－１０－８－６－４－２０２４６８１０１２距轴线距离左（－）右（＋）地表沉降走势图经验法数值法分析法由表１可以看出：１经验法、解析法和数值法三种方法计算得到的地表沉降值相差不大，相差最大的结果出现在距轴线８ｍ处，相差结果为７．０％。

故而在实际施工中可以采用经验法来预估算地表沉降值。

２经验法计算的结果随着离水平轴线的距离越大而变小。

３若没有经过地基的加固，此处地表沉降值过大，可能会造成既有线结构的沉降、底板变形过大、既有结构出现裂缝等情况，影响乘车安全和运行。

为了减小区间隧道施工对既有地铁车站的沉降影响，在施工过程中采用相应的加固措施，其技术参数如下：１过既有车站前，进行超前深孔注浆加固，加固范围为隧道量测开挖轮廓线各加３ｍ、底板向下加３ｍ，纵向加固长度大约为３５ｍ。

注浆后无侧（）（）（）（）４施工技术参数限抗压强度开挖面不小于０．５ＭＰａ、周边不小于１．０ＭＰａ、靠近底板３ｍ范围内不大于０．３ＭＰａ。

２对既有车站前后１０ｍ范围内隧道应采取加密格栅钢架及加密纵向连接筋等措施，在上台阶下部增加临时仰拱。

３开挖掌子面时每榀要打设２根锁脚锚管，同时注入水泥浆液，注浆压力为０．４￣０．６ＭＰａ。

４初期支护施工时拱部预埋背后注浆管，纵向间距３０００ｍｍ，横向间距２０００ｍｍ，梅花形布置，初期支护封闭成环后及时对初期支护背后压注水泥浆液，注浆压力控制在０．５ＭＰａ。

５施工中严格控制开挖进尺，严格限制超挖。

６在既有车站及其周边布设监测点，隧道通过期间应加密监测频率。

对监测数据及时反馈，必要时根据监测结果及时调整设计参数。