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

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

本发明属于城市地下工程施工安全领域，涉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。

背景技术

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，同时它占据的土地少，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土层的位移、变形甚至塌方等环境效应，这些效应波及到地面，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以规避风险极为必要，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)，以指导地铁设计、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

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，以便为地铁隧道设计、施工、影响评价和安全防护提供科学与有效的依据。

本发明的步骤如下：

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Peck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，如青岛地区地铁规划，收集的资料也是以本地区为主的，更有针对性，估计效果更准确。

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。

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。

所述第二步的具体工作内容为：

(1)、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，根据开挖深度设置测点的密度；

⑤观测站的控制点设在沉降槽范围以外，埋设牢固；在冻土地区，控制点底面应在冻土线0.5m以下。

(2)、观测站的监测方法和内容

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。

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。

基准点与测点的确定采用电子精密水准仪(配铟钢尺)，测量精度为±0.5mm。

三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，用以验证基准点是固定不动的。

所述第三步的具体工作内容为：

(1)、Peck地表沉降分布的预计公式：

$S\left(X\right)=S_{max}\exp (-\frac{x^2}{2i^2})---\left(1\right)$

$S_{max}=\frac{A\·V_i}{i\sqrt{2\mathrm{\π}}}\≈\frac{A\·V_i}{2.5i}---\left(2\right)$

式中S(x)——距隧道中心轴线为x处地表的沉降值；

V_i——隧道开挖引起隧道单位长度的地层损失；

S_max——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  (3)

式中Z——为隧道轴线埋深；

K——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；

沉降槽宽度i采用以下经验公式求得：

$i=\frac{Z}{\sqrt{2\mathrm{\π}}tan\mathrm{\β}}---\left(4\right)$

根据以上地表沉降的监测数据，反推出i

$i=\sqrt{-\frac{1}{2\mathrm{\ξ}}}---\left(5\right)$

式中：ζ——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_max)，进行线性拟合，提取拟合参数，即直线斜率。

(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Peck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：

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_max)；

②进行线性拟合，提取拟合参数，即直线斜率ξ；

③通过公式求得沉降槽宽度i，根据式(1)可得到地表沉降槽曲线。

(3)、地表沉降特征参数的计算

①根据式(2)可得到地表沉降特征参数：地层损失率

$V_i=\frac{S_{\max }i\sqrt{2\mathrm{\π}}}{A}\≈\frac{2.5S_{\max }i}{A}---\left(6\right)$

②根据式(3)可得到地表沉降特征参数：沉降槽宽度系数

$K=\frac{i}{Z}---\left(7\right)$

③根据式(4)可得到地表沉降特征参数：影响角的正切值

$tan\mathrm{\β}=\frac{Z}{i\sqrt{2\mathrm{\π}}}---\left(8\right)$

通过以上沉降特征参数的计算可以得出，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。

所述第五步的具体工作内容为：

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。

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，以实时改变开挖方法和施工工艺，使地表沉降在可控范围内，以便为地铁隧道设计、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

图1为本发明的系统框架图；

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；

图3为本发明的地表沉降的观测工作流程图；

图4为本发明的地表沉降特征参数的计算与估计流程图；

图5为本发明设计的数据表格的形式；

图6为本发明的地表沉降观测线布置图；

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；

图8为具体实施方式中地表沉降横断面1沉降槽图；

图9为具体实施方式中地表沉降横断面2沉降槽图；

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；

图11为具体实施方式中地表沉降横断面3沉降槽图；

图12为具体实施方式中地表沉降横断面4沉降槽图。

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；β-影响角；O-隧道洞室中线。

图7、10中，1-临时支撑；2-超前支护；3-锚杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以青岛某地铁站为例：

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；

1、车站概况

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砌结构，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。

2、地质与水文情况

青岛地质条件具有其独特性，地表以下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，以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。

此车站是典型的“上软下硬”青岛地层特点，上部依次为填土层(0.5～2m)、粉质粘土(1～4.8m)、含砂粘性土(0.9～2.3m)、强风化(4～5m)、中风化(0.6～7.1m)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：第四系松散土层孔隙水，基岩裂隙水。素填土，地下水贫乏，属中等透水层。

3、支护及施工情况

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：

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。

2、开挖断面③岩体，并架立格栅拱架及临时支撑。

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。

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；

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；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，根据开挖深度设置测点的密度；⑤观测站的控制点设在沉降槽范围以外，埋设牢固。

2、观测站的监测方法和内容

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。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(配铟钢尺)，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。

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。

表1 横断面1观测点沉降值

测点编号	与隧道中线距离(m)	横断面1沉降值(mm)
			DC23	-12.8784	-39.43
DC52	-7.84	-47.34
			DC53	-3.43	-53.86
DC49	0	-68.87
			DC66	4.53	-52.21
DC67	10.94	-46.18
			DC47	24.99	-7.83

表2 横断面2观测点沉降值

测点编号	与隧道中线距离(m)	横断面2沉降值(mm)
			DC24	-12.957	-0.77
DC57	-7.06	-43.87
			DC58	-3.43	-56.2
DC59	0	-61.17
			DC70	3.9	-50.91
DC71	10.96	-41.25
			DC48	16.61	-8.08

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；

根据发明内容第三步所做的工作以及上步中实测的沉降数据，将数据代入公式(1)-(8)，对2个断面的监测数据进行整理与分析，可以获得隧道开挖引起的两个断面地表沉降槽，如图8、9所示。

通过以上计算，横断面1的特征参数为S_max＝-68.87mm，i＝7.04，k＝0.402，β＝56.9°，V_i＝4.06。

横断面2的特征参数为S_max＝-61.17mm，i＝6.80，k＝0.388，β＝58.9°,V_i＝3.49。

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，见表3。

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

从上表中可以看出，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。

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Peck公式绘制地表沉降槽曲线，估计影响范围。

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。

表4 横断面3观测点沉降值

测点编号	与隧道中线距离(m)	横断面2沉降值(mm)
			DC38	-12.236	0.21
DC60	-7.006	-31.46
			DC61	-3.5	-42.19
DC62	0	-47.99
			DC72	4.16	-47.48
DC73	11.165	-38.91
			DC30	17.315	-2.14

表5 横断面4观测点沉降值

测点编号	与隧道中线距离(m)	横断面2沉降值(mm)
			DC74	-12.8044	-12.79
DC75	-7.0056	-19.55
			DC76	0	-42.35
DC77	6.5336	-30
			DC78	17.1424	-14.39

将2个断面的监测数据代入公式(1)-(8)，并进行整理与分析，可以获得隧道开挖引起的两个断面地表沉降槽，如图11、12所示。

横断面3的特征参数为S_max＝-47.99mm，i＝6.13，k＝0.350，β＝65.3°，V_i＝2.46。

横断面4的特征参数为S_max＝-42.35mm，i＝6.65，k＝0.379，β＝60.2°,V_i＝2.36。

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，以实时改变开挖方法和施工工艺，以便为地铁隧道设计、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Peck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：

$S\left(X\right)=S_{max}\exp (-\frac{x^2}{2i^2})$

$S_{max}=\frac{A\·V_i}{i\sqrt{2\mathrm{\π}}}\≈\frac{A\·V_i}{2.5i}$

式中S(x)——距隧道中心轴线为x处地表的沉降值；V_i——隧道开挖引起隧道单位长度的地层损失；S_max——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——为隧道轴线埋深；K——为沉降槽宽度系数；

沉降槽宽度i采用以下经验公式求得：

$i=\frac{Z}{\sqrt{2\mathrm{\π}}tan\mathrm{\β}}$

根据以上地表沉降的监测数据，反推出i

$i=\sqrt{-\frac{1}{2\mathrm{\ξ}}}$

式中：ζ——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_max)，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Peck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_max)；

(2)进行线性拟合，提取拟合参数，即直线斜率ξ；

(3)通过公式求得沉降槽宽度i，根据式可得到地表沉降槽曲线。

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：

地层损失率 $V_i=\frac{S_{\max }i\sqrt{2\mathrm{\π}}}{A}\≈\frac{2.5S_{\max }i}{A}$

沉降槽宽度系数

影响角的正切值