CN104965994A - 地铁隧道施工引起地表沉降特征参数的测定和估计方法 - Google Patents

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CN104965994A CN201510423612.6A CN201510423612A CN104965994A CN 104965994 A CN104965994 A CN 104965994A CN 201510423612 A CN201510423612 A CN 201510423612A CN 104965994 A CN104965994 A CN 104965994A
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于广明
王继亮
袁长丰
李冰冰
张洋
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青岛理工大学
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Abstract

本发明涉及地铁隧道施工引起地表沉降特征参数的测定和估计方法。步骤如下:(1)已挖地铁隧道勘察、施工及支护有关参数的确定;(2)已挖地铁隧道地表沉降的观测及沉降数据的记录;(3)已挖地铁隧道地表沉降特征参数的计算,包括沉降槽宽度、地层损失率、沉降槽宽度系数、影响角;(4)将已挖地铁隧道的资料参数和监测数据,以及拟合出的各个情况的地表沉降特征参数录入数据表格,寻找数据之间的关系及规律;(5)确定待挖地铁隧道勘察、施工及支护有关参数,从数据表格中寻找与已有参数一致或大致相似的,来估计待挖地铁隧道的地表沉降特征参数,再通过估计的特征参数,代入Peck公式绘制地表沉降槽曲线,估计影响范围,调整施工方案。

Description

地铁隧道施工引起地表沉降特征参数的测定和估计方法

技术领域

[0001] 本发明属于城市地下工程施工安全领域,设及一种地铁隧道施工引起地表沉降观 测资料综合分析、地表沉降预计和地表沉降控制的工作,特别设及地铁隧道施工引起地表 沉降特征参数的测定和估计方法。

背景技术

[0002] 在很多大城市,城市人口密度的增加引发了一系列的社会问题,如人口膨胀、交通 拥堵、住房紧张,合理开发和利用地下空间是一个非常有效的解决方案。城市地铁的修建极 大的缓解了城市交通压力,而且具有安全可靠,方便,舒适等优势,同时它占据的±地少,基 本不破坏地面景观。但是,地铁的开挖又会不可避免地引起上覆岩±层的位移、变形甚至塌 方等环境效应,该些效应波及到地面,又会使地面发生沉降、地面突发塌陷等地质危害,从 而对地面建(构)筑物等构成不同程度的损害,甚至威胁人民的生命安全。因而,在新的地 铁开挖前或开挖中实时监测其地表沉降特征W规避风险极为必要,目前对地表沉降的预测 均为定性预测,准确度不高。因此亟需开发一种定量的预测方法,对已有地表沉降观测资料 进行综合分析,求取地表沉降特征参数(如地层损失率、沉降槽宽度、沉降槽宽度系数、影 响角等),获得对地铁隧道施工引起地表移动形式、特征的定量描述,进而利用求取地表沉 降特征参数,对未开挖地铁隧道将来施工引起的地表沉降进行预先计算(预计),W指导地 铁设计、施工、安全保护,避免地表沉降事故的发生。但是,目前对于地表沉降特征参数估计 研究不足。因此,研究一种地铁隧道施工引起地表沉降特征参数估计方法,来预计未来的地 表沉降特征和量值是十分必要的。

发明内容

[0003] 本发明针对地表沉降特征参数计算方法的不足,基于现场工程实际测得的地表沉 降数据和peck公式的原理,特提出地铁隧道施工引起地表沉降特征参数估计方法,预计未 开挖地铁隧道将来施工引起的地表沉降特征和规模,W便为地铁隧道设计、施工、影响评价 和安全防护提供科学与有效的依据。

[0004] 本发明的步骤如下:

[0005] 第一步:本地区已挖地铁隧道勘察、施工及支护有关参数的确定;

[0006] 第二步:本地区已挖地铁隧道地表沉降的观测及沉降数据的记录;

[0007] 第=步;本地区已挖地铁隧道地表沉降特征参数的计算,包括沉降槽宽度、地层损 失率、沉降槽宽度系数、影响角;

[0008] 第四步;将本地区已挖地铁隧道的资料参数和监测数据,W及拟合出的各个情况 的地表沉降特征参数录入数据表格,寻找数据之间的关系及规律。

[0009] 第五步;本地区待挖地铁隧道地表沉降特征参数的估计;确定待挖地铁隧道勘 察、施工及支护有关参数,根据第四步得到的规律,从数据表格中寻找与已有参数一致或大 致相似的,来估计待挖地铁隧道的地表沉降特征参数,再通过估计的特征参数,代入化ck 公式绘制地表沉降槽曲线,估计影响范围。

[0010] 所述本地区指一个地铁规划区域内,如青岛地区地铁规划,收集的资料也是W本 地区为主的,更有针对性,估计效果更准确。

[0011] 所述第一步的具体工作内容为:

[0012] (1)、收集地铁隧道穿越线路有关水文、地质资料,查明地铁隧道穿越线路水文地 质条件与类型,确定地表水与岩层含水层及地质结构的分布特征;

[0013] (2)、确定地铁隧道结构的参数,包括地铁断面尺寸参数和地铁开挖深度参数,所 述地铁断面尺寸参数包括地铁洞径、地铁洞高、地铁轮廓线、地铁实际开挖轮廓线,所述地 铁开挖深度参数包括地铁埋深,地铁实际开挖埋深;

[0014](3)、确定地铁隧道施工的参数;包括支护方式、开挖方式、开挖速度、开挖进尺、振 动速度。

[0015] 所述支护方式包括衬搁、衬搁+全断面注浆、衬搁+大管棚;开挖方式包括上下台 阶开挖法、全断面开挖法、=台阶走步开挖法、中隔壁法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法。

[0016] 所述第二步的具体工作内容为:

[0017] (1)、建立观测站:

[0018] ①设站地区,在观测期间不受邻近开挖的影响;

[0019] ②观测线设在地表沉降的横主断面上;

[0020] ⑨观测线的长度大于地表沉降的范围;

[0021] ④观测线上设置数个测点,根据开挖深度设置测点的密度;

[0022] ⑥观测站的控制点设在沉降槽范围W外,埋设牢固;在冻±地区,控制点底面应在 冻±线0. 5mW下。

[0023] (2)、观测站的监测方法和内容

[0024] ①根据设计文件有关资料和现场情况在施工前布设基准点,利用布设GI^S点和导 线点在隧道附近布设=个基准点,形成系统的水平、垂直位移观测网;基准点布置在离隧道 施工沉降区大于30m施工影响范围外的稳定面上,且保证相邻点位的通视;沉降观测采用 闭合路线或附合路线进行,便于测量精度检核,=个基准点便于自身稳定性检测;②利用基 准点布设测点,沿隧道纵向开挖洞室中线每10~20m且垂直中线布置沉降观测断面,每个 观测断面布置15~20个测点,测点间距根据洞室埋深而定,横向间距范围为2~5m,隧道 中线附近的测点密度大于远离中线处;测点统一编号,并作初始观测值的测定;沉降观测 开始后对每一工程按既定观测频率,用同一编号的观测仪器进行观测。

[00巧]每次观测记录沉降数据的同时,记清数据对应的地铁隧道勘察、施工及支护有关 参数。

[0026] 基准点与测点的确定采用电子精密水准仪(配铜钢尺),测量精度为±0. 5mm。

[0027] S个基准点的位置随机选择,保证每两个基准点都能够互相监测到,距离不小于 4m,用W验证基准点是固定不动的。

[0028] 所述第=步的具体工作内容为;

[0029](1)、化ck地表沉降分布的预计公式;

[0030]

Figure CN104965994AD00061

[0031]

Figure CN104965994AD00071

(2)

[003引式中S(x)--距隧道中屯、轴线为X处地表的沉降值;

[0033]V,一一隧道开挖引起隧道单位长度的地层损失;

[0034] --隧道中屯、线处地表最大沉降量;

[0035]A一一隧道横断面面积;

[0036] i--地表沉降槽宽度;

[0037]i=KZ做

[0038] 式中Z--为隧道轴线埋深;

[0039] K一一为沉降槽宽度系数,主要与地层条件和施工方法等因素有关;

[0040] 沉降槽宽度i采用W下经验公式求得:

[004。

Figure CN104965994AD00072

(句

[0042] 根据W上地表沉降的监测数据,反推出i

[004引

Figure CN104965994AD00073

(5)

[0044] 式中;C一一横坐标为测点距离隧道中线的水平距离的平方,纵坐标为In(S/ SmJ,进行线性拟合,提取拟合参数,即直线斜率。

[0045] (2)、在大量地铁隧道开挖施工引起的地表沉降实测资料的基础上,利用化ck方 法进行地表沉降拟合,确定横向地表沉降槽的形状,拟合具体过程为:

[0046] ①绘制同一断面所有测点X-S散点图,横坐标为测点距离隧道中线的水平距离的 平方,纵坐标为ln(S/SmJ;

[0047] ②进行线性拟合,提取拟合参数,即直线斜率写;

[004引⑨通过公式

Figure CN104965994AD00074

求得沉降槽宽度i,根据式(1)可得到地表沉降槽曲线。

[0049] (3)、地表沉降特征参数的计算

[0050] ①根据式(2)可得到地表沉降特征参数;地层损失率

[0051]

Figure CN104965994AD00075

(6)

[0052] ②根据式(3)可得到地表沉降特征参数;沉降槽宽度系数

[0053]

Figure CN104965994AD00076

0)

[0054] ⑨根据式(4)可得到地表沉降特征参数;影响角的正切值

[0055]

Figure CN104965994AD00077

[0056] 通过W上沉降特征参数的计算可W得出,每个特征参数都对应着特定的地铁隧道 勘察、施工及支护有关参数。

[0057] 所述第五步的具体工作内容为:

[0058] 当对某地铁开挖前,查对通过该线路的有关地质及地铁施工拟用的参数,通过数 据表格中信息,寻找与已有参数一致的或大致相似,来估计地表沉降特征参数,再通过估计 的特征参数,代入公式(1)、(2)绘制地表沉降槽曲线,估计影响范围,最后根据分析结果对 原设计和施工方案进行必要的调整,并反馈到施工过程,对下一阶段的施工过程进行分析 和估计,再通过具体实际情况,做出有效的防范措施。

[0059] 本发明针对地表沉降特征参数计算方法的不足,基于现场工程实际测得的地表沉 降数据和peck公式的原理,特提出地铁隧道施工引起地表沉降特征参数估计方法。现有技 术仅是定性预测地表沉降,而本发明是定量的对于地表沉降特征参数进行描述和估计,结 论更具体化,并且能够运用动态原理,实时对实测数据分析,得出地表沉降特征参数,预计 未开挖地铁隧道将来施工引起的地表沉降特征和规模,W实时改变开挖方法和施工工艺, 使地表沉降在可控范围内,W便为地铁隧道设计、施工、影响评价和安全防护提供科学与有 效的依据。

附图说明

[0060] 图1为本发明的系统框架图;

[0061] 图2为本发明的地铁隧道勘察、施工及支护有关参数的确定流程图;

[0062] 图3为本发明的地表沉降的观测工作流程图;

[0063] 图4为本发明的地表沉降特征参数的计算与估计流程图;

[0064] 图5为本发明设计的数据表格的形式;

[0065] 图6为本发明的地表沉降观测线布置图;

[0066] 图7为具体实施方式中横断面1、2的地铁支护和施工顺序图;

[0067] 图8为具体实施方式中地表沉降横断面1沉降槽图;

[006引图9为具体实施方式中地表沉降横断面2沉降槽图;

[0069] 图10为具体实施方式中横断面3、4的地铁支护和施工顺序图;

[0070] 图11为具体实施方式中地表沉降横断面3沉降槽图;

[0071] 图12为具体实施方式中地表沉降横断面4沉降槽图。

[0072] 图6中,1-基准点;2-观测点;3-地表沉降槽;4-地铁隧道轴线;H-埋深;0 -影 响角;0-隧道洞室中线。

[0073] 图7、10中,1-临时支撑;2-超前支护;3-错杆。

具体实施方式

[0074] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,W青岛某地铁站为例:

[00巧]第一步:本地区已挖地铁隧道勘察、施工及支护有关参数的确定;

[007引 1、车站概况

[0077] 该车站位于青岛市南京路与江西路交叉口上,沿南京路南北走向。站位所处位置 地面交通流量较大,市政管线密集;西侧为高层住宅楼,东侧为多层砖混结构住宅楼。为地 下两层岛式站台车站。车站采用暗挖法施工,拱顶埋深9. 3~10. 5m,覆岩2. 8~6. 4m,双 层大拱脚复合式衬搁结构,宽20. 6m,高14. 5m。车站设风井2座,出入口 4座。车站北端拱 顶有雨水暗渠斜切经过,根据施工单位对暗渠内水量的调查,暗渠内水量并不大。

[0078] 2、地质与水文情况

[0079] 青岛地质条件具有其独特性,地表W下2~6m多为第四系地层,7~15m多为强风 化花岗岩地层,中风化花岗岩地层较薄,仅2~3m厚,W下基本上都是微风化和未风化花岗 岩地层。强风化地层围岩承载力高,但较为松散;微风化地层岩石强度非常高,岩石完整性 也很好。

[0080] 此车站是典型的"上软下硬"青岛地层特点,上部依次为填±层(0. 5~2m)、粉质 粘± (1~4. 8m)、含砂粘性± (0. 9~2. 3m)、强风化(4~5m)、中风化(0. 6~7.Im)和微 风化花岗岩。江西路站拱顶埋深9. 3~10. 5m,覆岩2. 8~6. 4m。根据详勘报告,地下水类 型按赋存方式主要为:第四系松散上层孔隙水,基岩裂隙水。素填上,地下水贫乏,属中等透 水层。

[0081] 3、支护及施工情况

[0082] 图7为该车站大拱脚薄边墙结构型式,采用双侧壁导坑法,施工上部,上部拉通二 衬施做完毕后再劈槽爆破开挖下部,最后施做边墙及内部结构。具体施工步骤为:

[0083] 1、施做超前支护,分布开挖断面①、②岩体,并架立格栅拱架及临时支撑,断面①、 ②导洞错开不应小于15m。

[0084] 2、开挖断面⑨岩体,并架立格栅拱架及临时支撑。

[0085] 3、采用控制爆破技术,按④-⑨顺序开挖下半段面并及时施工初期支护。

[0086] 第二步:本地区已挖地铁隧道地表沉降的观测及沉降数据的记录;

[0087] 1、建立观测站,建站原则如下;①设站地区,在观测期间不受邻近开挖的影响;② 观测线设在地表沉降的横主断面上;⑨观测线的长度大于地表沉降的范围;④观测线上设 置数个测点,根据开挖深度设置测点的密度;⑥观测站的控制点设在沉降槽范围W外,埋设 牢固。

[008引 2、观测站的监测方法和内容

[0089] 根据设计文件有关资料和现场情况在施工前布设基准点,利用布设GI^S点和导线 点在隧道附近布设=个基准点,形成系统的水平、垂直位移观测网;基准点布置在离隧道施 工沉降区大于30m施工影响范围外的稳定面上,且保证相邻点位的通视;沉降观测采用闭 合路线或附合路线进行,便于测量精度检核,立个基准点便于自身稳定性检测。利用基准点 布设测点,沿隧道纵向开挖洞室中线每10~20m且垂直中线布置沉降观测断面,每个观测 断面布置15~20个测点,测点间距根据洞室埋深而定,横向间距范围为2~5m,隧道中线 附近的测点密度大于远离中线处如图6所示;测点统一编号,并作初始观测值的测定;沉降 观测开始后对每一工程按既定观测频率,用同一编号的观测仪器进行观测。基准点与测点 的确定采用电子精密水准仪(配铜钢尺),测量精度为±0. 5mm。每次观测记录沉降数据的 同时,记清数据对应的地铁隧道勘察、施工及支护有关参数。根据上述内容,开挖地铁按图 7的支护和施工顺序依次经过横断面1、2。

[0090] 监测点经施工开挖线穿过横断面1、2的沉降数据如下表1、2所示。

[0091] 表1横断面1观测点沉降值

[0092]

Figure CN104965994AD00101

脚)9引第=步;本地区已挖地铁隧道地表沉降特征参数的计算,包括沉降槽宽度、地层损 失率、沉降槽宽度系数、影响角;

[0096] 根据发明内容第=步所做的工作W及上步中实测的沉降数据,将数据代入公式 (1)-巧),对2个断面的监测数据进行整理与分析,可W获得隧道开挖引起的两个断面地表 沉降槽,如图8、9所示。

[0097] 通过W上计算,横断面1的特征参数为Smsy= -68. 87mm,i= 7. 04,k= 0. 402, 0 =56. 9。,Vi= 4. 06。

[0098]横断面 2 的特征参数为Smax= -61. 17mm,i= 6. 80,k= 0. 388,e= 58. 9。,V; =3. 49。

[0099] 第四步;将本地区已挖地铁隧道的资料参数和监测数据,W及拟合出的各个情况 的地表沉降特征参数录入数据表格,寻找数据之间的关系及规律,见表3。

[0100] 表3本地区已挖地铁隧道的资料参数、监测数据及地表沉降特征参数

[0101]

Figure CN104965994AD00111

[0102] 从上表中可W看出,地铁隧道在穿过横断面1、2时,最大沉降分别为68. 87mm、 61. 17mm,沉降量较大。

[0103] 第五步;本地区待挖地铁隧道地表沉降特征参数的估计;确定待挖地铁隧道勘 察、施工及支护有关参数,根据第四步得到的规律,从数据表格中寻找与已有参数一致或大 致相似的,来估计待挖地铁隧道的地表沉降特征参数,再通过估计的特征参数,代入化ck 公式绘制地表沉降槽曲线,估计影响范围。

[0104] 综上分析,由于已挖隧道的沉降量较大,因此待挖地铁隧道段改变双侧壁导坑法 的施工顺序,如图10所示。修改后,经施工开挖线穿过横断面3、4的沉降数据如下表4、5 所示。

[0105] 表4横断面3观测点沉降值

[0106]

Figure CN104965994AD00112

Figure CN104965994AD00121

[0109] 将2个断面的监测数据代入公式(1)-巧),并进行整理与分析,可w获得隧道开挖 引起的两个断面地表沉降槽,如图11、12所示。

[0110] 横断面 3 的特征参数为Sm"= -47. 99mm,i= 6. 13,k= 0. 350,0 = 65. 3°,Vi =2. 46。

[01川横断面 4 的特征参数为Sm"=-42. 35mm,i=6.65,k= 0.379,e=60. 2。,Vi=2. 36。

[0112] 通过改变施工顺序之后,待挖的地铁隧道的沉降值减小,影响范围变小,地层损失 率减小。因而本发明是定量的对于地表沉降特征参数进行描述和估计,结论更具体化,并且 能够运用动态原理,实时对实测数据分析,得出地表沉降特征参数,预计未开挖地铁隧道将 来施工引起的地表沉降特征和规模,W实时改变开挖方法和施工工艺,W便为地铁隧道设 计、施工、影响评价和安全防护提供科学与有效的依据。

Claims (10)

1. 一种地铁隧道施工引起地表沉降特征参数的测定和估计方法,其特征在于,步骤如 下: 第一步:本地区已挖地铁隧道勘察、施工及支护有关参数的确定; 第二步:本地区已挖地铁隧道地表沉降的观测及沉降数据的记录; 第三步:本地区已挖地铁隧道地表沉降特征参数的计算,包括沉降槽宽度、地层损失 率、沉降槽宽度系数、影响角; 第四步:将本地区已挖地铁隧道的资料参数和监测数据,以及拟合出的各个情况的地 表沉降特征参数录入数据表格,寻找数据之间的关系及规律。 第五步:本地区待挖地铁隧道地表沉降特征参数的估计:确定待挖地铁隧道勘察、施 工及支护有关参数,根据第四步得到的规律,从数据表格中寻找与已有参数一致或大致相 似的,来估计待挖地铁隧道的地表沉降特征参数,再通过估计的特征参数,代入Peek公式 绘制地表沉降槽曲线,估计影响范围; 所述本地区指一个地铁规划区域内。
2. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一步的具体工作内容为: (1) 、收集地铁隧道穿越线路有关水文、地质资料,查明地铁隧道穿越线路水文地质条 件与类型,确定地表水与岩层含水层及地质结构的分布特征; (2) 、确定地铁隧道结构的参数,包括地铁断面尺寸参数和地铁开挖深度参数,所述地 铁断面尺寸参数包括地铁洞径、地铁洞高、地铁轮廓线、地铁实际开挖轮廓线,所述地铁开 挖深度参数包括地铁埋深,地铁实际开挖埋深; (3)、确定地铁隧道施工的参数:包括支护方式、开挖方式、开挖速度、开挖进尺、振动速 度。
3. 根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述支护方式包括衬砌、衬砌+全断面注 浆、衬砌+大管棚;开挖方式包括上下台阶开挖法、全断面开挖法、三台阶七步开挖法、中隔 壁法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法。
4. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第二步的工作内容包括建立观测站: (1) 设站地区,在观测期间不受邻近开挖的影响; (2) 观测线设在地表沉降的横主断面上; (3) 观测线的长度大于地表沉降的范围; (4) 观测线上设置数个测点; (5) 观测站的控制点设在沉降槽范围以外,埋设牢固。
5. 根据权利要求1或4所述的方法,其特征在于,所述第二步的监测方法和内容为: (1)根据设计文件有关资料和现场情况在施工前布设基准点,利用布设GPS点和导线 点在隧道附近布设三个基准点,形成系统的水平、垂直位移观测网;基准点布置在离隧道施 工沉降区大于30m施工影响范围外的稳定面上,且保证相邻点位的通视;沉降观测采用闭 合路线或附合路线进行,便于测量精度检核,三个基准点便于自身稳定性检测;(2)利用基 准点布设测点,沿隧道纵向开挖洞室中线每10~20m且垂直中线布置沉降观测断面,每个 观测断面布置15~20个测点,测点横向间距范围为2~5m,隧道中线附近的测点密度大于 远离中线处;测点统一编号,并作初始观测值的测定;沉降观测开始后对每一工程按既定 观测频率,用同一编号的观测仪器进行观测。
6. 根据权利要求5所述的方法,其特征在于,每次观测记录沉降数据的同时,记清数据 对应的地铁隧道勘察、施工及支护有关参数。
7. 根据权利要求5所述的方法,其特征在于,基准点与测点的确定采用配铟钢尺的电 子精密水准仪,测量精度为±0. 5mm。
8. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第三步所用的计算公式为:
Figure CN104965994AC00031
式中S(X) -一距隧道中心轴线为X处地表的沉降值;Vi-一隧道开挖引起隧道单位长 度的地层损失;Smax 隧道中心线处地表最大沉降量;A 隧道横断面面积;i 地表 沉降槽宽度; i=KZ 式中Z-一为隧道轴线埋深;K一一为沉降槽宽度系数; 沉降槽宽度i采用以下经验公式求得:
Figure CN104965994AC00032
式中:e一一横坐标为测点距离隧道中线的水平距离的平方,纵坐标为In(S/S_),进 行线性拟合,提取拟合参数,即直线斜率。
9. 根据权利要求1或8所述的方法,其特征在于,所述第三步需首先确定横向地表沉降 槽的形状,利用Peek方法进行地表沉降拟合,拟合具体过程为: (1) 绘制同一断面所有测点x-S散点图,横坐标为测点距离隧道中线的水平距离的平 方,纵坐标为ln(S/S_); (2) 进行线性拟合,提取拟合参数,即直线斜率I;
Figure CN104965994AC00033
沉降槽曲线。
10. 根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述第三步地表沉降特征参数的计算方 法为:
Figure CN104965994AC00034
Figure CN104965994AC00041
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