地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降控制标准的统计分析

地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降控制标准的统计分析

第25卷 第10期

岩石力学与工程学报 Vol.25 No.10

2006年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2006

地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降

控制标准的统计分析

姚宣德12，王梦恕1

，

(1. 北京交通大学 隧道及地下工程试验研究中心，北京 100044；2. 内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010020)

摘要：由于在地铁施工过程中不可避免地会对地层产生扰动，就必然产生不同程度的地面沉降，从而对地铁施工及周边环境的安全性产生不利的影响，例如对城市的道路、桥梁、地下管线和地面建构筑物等的安全性产生不利的影响。因此，科学合理地确定地表沉降控制指标，以减轻、消除和避免由于地表沉降产生的不利影响，是十分必要的。通过对众多工程实例的实地调研，并综合运用模糊聚类分析方法对实地调研数据进行统计分析，同时考虑工程建设的经济性，给出在目前工程条件下地表沉降控制值的建议值，这对指导地铁工程的施工有十分重要的意义。

关键词：岩土工程；地铁；浅埋暗挖；地表沉降；控制指标；模糊聚类；统计分析

中图分类号：TU 43 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)10–2030–06

STATISTIC ANALYSIS OF GUIDEPOSTS FOR GROUND SETTLEMENT

INDUCED BY SHALLOW TUNNEL CONSTRUCTION

YAO Xuande12，WANG Mengshu1

，

(1. Research Institute of Tunnelling and Underground Works，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；

2. Inner Mongolia Agricultural University，Huhehot，Inner Mongolia 010020，China)

Abstract：Because tunnel construction inevitably disturbs stratum，ground settlement with different degree is generated resulting in unfavorable effect on safety of subway construction and surrounding environment，such as roads，bridges，underground pipelines and ground buildings in urban districts. So it is necessary to define guideposts of ground settlement scientifically to reduce or avoid unfavorable effect caused by ground settlement. Based on many in-situ investigations of projects，statistic analysis for measured data with fuzzy cluster analysis，and consideration of economy of engineering construction，the method and controlling value for defining ground settlement guideposts are given，which is important to guide tunnel construction.

Key words：geotechnical engineering；subway；shallow tunnel construction；ground settlement；guideposts；fuzzy cluster；statistic analysis

1 引 言

1986年在修建北京地铁复兴门折返线工程中，

收稿日期：2005–09–20；修回日期：2005–11–11

针对在长安街的地下修建地铁工程这一特殊性，结合北京地区的水文地质条件和当时的施工技术水平、经济能力、交通条件等方面的因素，同时综合国外地铁工程的建设和管理经验，确定了地铁工程

作者简介：姚宣德(1964–)，男，1985年毕业于内蒙古农牧学院水利工程专业，现为副教授、博士研究生，主要从事地铁施工及风险评估方面的教学与研究工作。E-mail：yaoxuande@http://www.77cn.com.cn

地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降控制标准的统计分析

第25卷 第10期 姚宣德等. 地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降控制标准的统计分析 2031

施工量测数据管理标准(见表1)[1]。从目前工程建设的总体情况上看，将地面最大沉降量限定在30 mm以内，这一标准定得有些偏高。从目前的技术水平和施工能力上看，30 mm的控制标准是完全能够达到的；但从大量的调研情况来看，多数情况下没有达到这一控制指标，究其原因是多方面的。要想达到这一控制指标，就需要增加许多辅助的工程技术手段，由此也相应增大了工程的投资，不利于节约建设成本；况且在一些地区或区域内，使用这样严格的控制标准，也是不必要的。

表1 国内外地铁工程施工量测数据管理标准对照表[1] Table 1 Contrast table of measured data managerial standard

during subway construction at home and abroad[1]

标准 日本、法国、德国规范综合 我国的管理标准

30

1/500

5

20

50

50

1/300

5

20～40

75～229

地面最大地面沉降槽地层损失洞内边墙水洞内拱顶沉降/mm 拐点曲率

系数/%

平收敛/mm下沉/mm

[2]

2.1 横向地表沉降规律

横向地表沉降曲线与Peck公式或一系列修正的Peck公式所给出的地表沉降曲线吻合较好，沉降曲线可近似为正态分布曲线。其中Peck横向分布公式为

x2

S(x)=Smaxexp 2i2 (1)

式中：S(x)为距离隧道中心轴线为x处地表沉降值；

Smax为地表最大沉降量；i为地表沉降槽宽度系数，可通过回归求得，也可采用经验公式：

i=

H+R

(2)

o 2πtan 45

2

式中：H为覆土厚度；R为计算半径，对于矩形结构的等效半径为R = 0.29(a+b)，其中a，b分别为矩形结构的长短边，对于其他非圆形结构，其等效半径为R=

A/π，其中A为非圆结构的面积。

地表沉降曲线的反弯点i位于距中线(0.8～1.6)D(D为开挖跨度)处，随着所处围岩类别的提高而向中线靠拢，影响范围随之减少；横向影响范围约为5i；两条隧道开挖造成的横向地表沉降槽，可以认为是两条隧道单独开挖造成的沉降槽的叠加，车站的地表沉降情况同两条隧道的情况相同[4]。 2.2 纵向地表沉降规律

图1所示为地表沉降的纵向变化过程，可分为4个阶段[46]：

～

地表沉降控制标准是浅埋暗挖法施工技术水平和施工管理能力的综合体现，更主要的是工程投资大小的体现[3]。这是因为地表沉降值的大小，是由水文地质条件、结构形式、施工工法、辅助工法、施工人员素质、管理水平、技术装备等多方面的因素造成的。从理论上讲，如果投资足够大，再严格的控制标准也是可以达到的。但控制地表沉降主要是控制对工程结构本身的安全性和对城市的道路、地下和地面建构筑物等的安全性产生不利的影响。因此，作者认为在对地铁周边环境的安全性不产生影响或影响较小时，应当适当放宽这一控制标准。为此，作者在大量的实地调查研究的基础上，通过理论计算和统计分析，讨论在目前的施工技术水平和工程投资条件下，较合理的地表沉降控制标准值。

图1 地表沉降纵向变化规律

Fig.1 Variation regularity of longitudinal ground settlements

2 现状调查及分析

通过对国内多个城市地铁建设过程中，浅埋暗挖施工地表沉降规律的实地调查研究发现，虽然工程所在的地区、水文地质条件、施工方法和工程结构形式等有所不同，但由施工所引起的地表沉降规律基本一致，具体表现在下述几个方面。

(1) 微小变形阶段：当掌子面开挖到距测点 (－1～－2)D的距离时，即开始对地表产生一定的影响，造成一定范围的沉降，变形量约为总变形量的10%～15%，这主要是由于工作面的开挖导致的前方地层应力场发生变化及地下水的流失而引起的轻

地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降控制标准的统计分析

·2032· 岩石力学与工程学报 2006年

微变形。

进，距测点(－1～3)D时，地表沉降速率加速增强，变形量急剧增大，此阶段的变形量约占总变形量的60%～70%。该阶段变形主要是由于隧道的开挖而造成边界条件发生改变，对覆盖土体产生扰动，引起应力场的重分布，产生卸荷效应。此阶段为施工过程中的主要沉降阶段。

(3) 缓慢变形阶段：当掌子面向前开挖到超过测点3D的距离时，变形速率开始减缓，变形量缓慢增加，沉降曲线开始收敛，一直延续到5D。此阶段的变形量约占总变形量的10%～15%。 超过测点5D的距离后，沉降增长缓慢，直至延续到8D，地层趋于稳定状态，此阶段的变形量约占总变形量的5%。

纵向沉降曲线的发展趋势可以用对称的两条分段指数函数给予近似的描述；随着围岩类别的降低，沉降的纵向范围增大，沉降量增大，沉降曲线的变位点位置亦向后推移，沉降收敛的时间变长。

累积频率/% 发生频率/%

(2) 变形急剧增大阶段：随着掌子面的向前推

16

14 12 108 64 2 0

020406080

100120140160180200

地表沉降值/mm

图2 暗挖车站地表沉降累积频率统计图 Fig.2 Frequency statistical chart of ground settlement of

subway construction

(4) 变形基本稳定阶段：当掌子面向前开挖到

100 9080 7060 5040 30 2010 00

实测系列值正态分布

20406080

100 120 140 160180200

地表沉降值/mm

图3 暗挖车站实测数据和正态分布的累积频率曲线 Fig.3 Accumulative frequency curve of experience frequency

and normal distribution curve for measured data of subway construction

3 调查资料的统计分析

在对实地调研数据进行统计分析时，首先运用模糊聚类分析的方法对实地调研数据进行统计分析；然后进行发生频率的统计计算。统计数据主要是：暗挖车站中洞上方、侧洞上方和区间隧道轴线上方的地表沉降值。车站结构形式包括三拱两柱、单拱单柱、三跨两柱等多种形式和大跨渡线，施工工法包括CRD，CD和柱洞法等多种工法，覆土厚度5～15 m，车站结构跨度15.6～24.5 m；地层结构多以人工杂填土、黏土、砂土和砂卵石地层为主。

从目前的调查资料统计分析情况来看，存在如下统计规律：

(1) 由于地表沉降是受多种因素影响产生的，而且这些因素多是随工程建设地的不同在发生变化，且地表沉降的发生又是相对独立的，故以地表沉降值作为随机变量进行统计规律的分析是可行的；且其概率分布与正态分布吻合较好，实测数据的经验频率的累积频率曲线(大于某一沉降值时所发生的频率)和正态分布的累积频率曲线见图2～5。

累积频率/%

16 14 1210 8 6 4 2 0

102030

4050607080

地表沉降值/mm

图4 地铁暗挖区间隧道地表沉降累积频率统计图 Fig.4 Frequency statistical chart of ground settlement of

shallow tunnel

(2) 大多数暗挖车站的地表沉降值的变动范围为40～120 mm；地表沉降值小于40 mm和大于120 mm的发生的频率均不超过10%；96.7%以上的地表沉降值均超过了30 mm的控制标准。样本均值为79.76 mm；样本方差为33.34 mm。就目前的施工建设情况来看，在所有暗挖车站的地表沉降均超过标准控制值的情况下，无论是对工程结构自身，还

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第25卷 第10期 姚宣德等. 地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降控制标准的统计分析 2033

100

90 80 累积频率/%

70

实测数据累积频率正态累积频率

的范围内产生变形，形成一定的自稳能力后，再进行二衬的施工)；所以，地表沉降的最主要的影响集中在对地表建构筑物(包括路面)和地下管线的影响。通过大量的调查、分析和计算表明，除了如 图6(a)所示的特殊情况外，多数情况下，最大地表沉降值都在80 mm以上，所以以80 mm作为暗挖车站的地表沉降控制值对地表建筑物(主要是对

10

20

30

40

50

60

70

6050 40 30 2010 0 0

浅基础的建筑物)和地下管线的安全性影响不大。

80

90

地表沉降值/mm

图5 地铁暗挖区间施工地表沉降累积频率统计图 Fig.5 Accumulative frequency curve of experience frequency

and normal distribution curve for measured data of shallow tunnel

是对周边环境的安全性都没有造成很大的影响。

(3) 由于车站的开挖面积远大于区间，对土体的扰动较大或由于群洞效应等的作用，故车站的地表沉降要远大于区间的地表沉降，车站的地表沉降值约为区间的2～3倍。大多数暗挖区间隧道的地表沉降值的变动范围在20～60 mm；地表沉降值小于30 mm发生的频率不超过42%；58%以上的地表沉降值均超过了30 mm的控制标准。样本均值为34.3 mm，样本方差为15.18 mm。

(4) 根据现有的统计资料分析可以确定：以样本均值80，35 mm分别作为暗挖车站和区间的地表沉降的控制值，在一定程度上反映在目前的各种工程条件下，现有施工能力和水平的平均水平，较为经济合理，并且不会对地铁车站的施工和周边环境产生较大的影响(注：在显著性水平α=0.005下，① 所调查的样本空间远大于要求值，满足进行统计规律分析的需要；② 做样本均值和方差的假设检验也均满足要求)[7]。

式中：L为建构筑物相邻柱基础间距；[f]为建构筑物的允许倾斜，“[ ]”表示规范或实测值中的规定值或最大值，下同； S为差异沉降值。

以极限条件下的坡度值小于相应建构筑物允许倾斜值作为限制条件。由Peck曲线可知，当x = i (即

(a) (b)

图6 隧道施工对建筑物影响示意图

Fig.6 Sketch of effect of tunnel construction on buildings

4.1 地面浅基础建筑物对地表沉降控制标准的要求

根据节2.1中的论述，地表沉降规律(横向)可以采用式(1)描述。

(1) 当建构筑物相邻柱基间距小于或等于沉降槽拐点i时，设基础倾斜值K等于地表倾斜值，应小于相应建构筑物允许倾斜值(见图6(a))为

K= S/L≤[f] (3)

4 统计规律值的验证

地表沉降造成的危害主要表现在：(1) 对地面建构筑物(包括路面)的过量倾斜、开裂和变形等的影响；(2) 对地下管线的变形、断裂等的影响；(3) 对车站结构本身的可靠性影响。从目前的调查分析情况看，在地表沉降达到或超过80 mm时，对车站结构本身的可靠性并没有产生影响，这一点也是浅埋暗挖法的施工技术特点所致(其容许围岩在合理

[5]

L = i)时，在拐点i处曲线斜率最大，此时，差异沉降(不均匀沉降)达到最大，从而得

Kmax= Smax/i≤[f] (4)

由式(1)得出地表沉降曲线的最大斜率为

Kmax=

由极限条件：

0.61

Smax (5) i

0.61

Smax≤[f] (6) i

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·2034· 岩石力学与工程学报 2006年

并假定建构筑物最大允许倾斜与Kmax相等，此时，可以得出由差异沉降 S产生的建筑物倾斜，所允许的地表最大沉降量为

根据式(8)，对南京市浅埋暗挖大跨上方建筑物允许地表沉降值的计算结果见表3。

4.2 按地下管线对地表沉降控制标准要求的验证

对地下管线的验算，主要是验算地下管线由于地表沉降所引起的附加应力、变形和接缝允许张开值 (承插式管道)，是否在允许的范围内[8

，9]

Smax=

i

[f] (7) 0.61

[4]

按式(7)对南京市浅埋暗挖大跨上方建筑物允许地表沉降值的计算见表2。

这种情况为工程建设的最为不利情况，但相对来说比较少出现，往往按照个案进行特殊处理。因此，不具有代表性，可以不作为控制标准制定的参考依据，但必须在制定的控制标准中予以说明。

。为慎

重起见，往往是以沉降耐受力最低的承插式砂浆接缝混凝土污水管作为地表沉降控制标准的验证对象，并以最为不利的正交方式为计算状态。

通过大量的计算[4

，10]

和实地调查，证明在地表

沉降达到、甚至超过80 mm时均未发现管线的破坏，少数管线的破坏也是由于地下管线在地表沉降区内有丁字接口，产生局部应力集中现象所至。 4.3 按路面对地表沉降控制标准要求的验证

虽然由地铁施工造成了路面的沉降，在短时间内会影响行车的舒适性，但不影响行车。另外，只要在地铁的施工过程中，加强施工管理不产生塌方事故或在路面以下不存在空洞，是不会对道路的安全产生影响的。而路面的修复所需时间也较短，路面修复的投入远小于地铁施工为控制地表沉降所需投入的费用；故此，认为在制定地表沉降控制基准值时，可以暂不考虑地表沉降对路面的影响。

(2) 建构筑物相邻柱基间距≥2i时

沉降对建构筑物的影响除倾斜外，还含有基础的挠曲变形(图6(b)表示了建构筑物基础受弯的最不利位置)，当沉降过大时，有可能导致建构筑物基础的断裂及上部结构压缩性裂缝的产生。由于不同建构筑物基础结构的受力条件、荷载分布、建筑等级等不尽相同，难以准确地加以描述，以建筑基础的允许应变作为计算控制基准的极限条件，即

S=(εi+i) i (8)

2

2

式中：ε=[σ]/E，其中，[σ]为基础的极限抗拉强度，E为基础弹性模量。

表2 南京市浅埋暗挖大跨上方建筑物允许地表沉降值计算表[4](按公式(7))

Table 2 Calculation results of formula(7) for admissible building settlement above the station with shallow tunnel construction

method[4]

计算半径 R/m

覆土厚度 H/m

岩土层内摩擦角

弱面走向与水平面的夹角

沉降槽宽度系数

i /mm

10 085 10 250

建筑物倾斜率

[ f ]/‰ 3.0 3.0

地表沉降值 S/mm

50.00 50.41

/ (°)

18.5 18.2

β / (°)

54.25 54.10

7.1 11.1 4.8 13.8

表3 南京市浅埋暗挖大跨上方建筑物允许地表沉降值计算表[4](按公式(8))

Table 3 Calculation results of formula(8) for admissible building settlement above the station with shallow tunnel construction

method[4]

计算半径 覆土厚度 岩土层内摩擦角 R/m

H/m

弱面走向与水平面的夹角

沉降槽宽度系数

i /mm 10 085

1.75(C25) 28 000 113.2 1.50(C20) 25 500 111.1

4.8 13.8

18.2

54.10

10 250

1.75(C25) 28 000 114.6 基础极限抗拉强度

[σ ]/MPa

基础弹性模量

E/MPa

地表沉降值

/ (°) 18.5

β / (°) 54.25

1.50(C20) 25 500 109.3

S/mm

7.1 11.1

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第25卷 第10期 姚宣德等. 地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降控制标准的统计分析 2035

5 结 语

由于最终的地表沉降值是由不同的水文地质条件、车站结构形式、覆土厚度、施工方法、施工能力和水平、周边环境(包括地表和地下建构筑物的结构形式、使用状况等)多种因素共同作用形成的，因此，地表沉降控制标准的制定应当是针对不同的地区、综合上述因素确定不同的控制值。作者仅对目前实际的施工情况进行了统计分析，粗略结论如下：

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(1) 现行30 mm的地表沉降控制标准偏于保守，将浅埋暗挖法的地表沉降控制值定在：车站80

mm以下、区间35 mm以下，不会对地表建构筑物(浅基础)和地下管线产生较大的影响；具体的控制标准，应当结合实际情况，通过分析计算来确定。

(2) 对浅基础的建构筑物相邻柱基间距小于或等于沉降槽拐点i时、桥梁和深基础的建构筑物，暗挖车站和区间的地表沉降控制值应当以个案方式通过分析研究工程的具体情况，由计算确定。

(3) 在地表建构筑物远离地铁结构边界30 m以外，可不考虑地表沉降对建构筑物的影响。

总之，本文的目的就是想引起广泛的研究和讨论，以便使浅埋暗挖法施工的地表沉降控制标准定得更加科学合理。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dmxi.html