地鐵施工中地下建筑物對地表沉降的控制標準

呂龍博

（西安市地下鐵道有限責任公司工程三處，陜西 西安 710018）

1 地表沉降形成原因及對房屋結構的影響

伴隨著我們西安地鐵工程二號線的運營，一號線、二號線南延段、三號線全線及四號線試驗段的建設，隨之而來也產生了一些有待解決的難題，其中之一就是在地鐵工程施工過程中帶來的地表沉降和對上層建筑物結構穩定性的影響。地鐵工程受自身工程特點的限制，多存在于人口密集、建筑物存在緊密的經濟發達區域，又因為施工強度較大，在巖土開發過程中，對土體本身造成一定的影響是不可避免的。這就會引起洞室周圍的地表產生形變，當這種形變累計到一個特定的限度時，就會對周圍建筑物、道路、管線產生安全威脅。這其中影響最為嚴重的就是對房屋結構，總結歸納下來大體可以分為三個方面：第一是對房屋上部結構的損壞。在地下開挖過程中產生的不規則沉降對結構內力產生影響，可能導致房屋建筑物開裂，嚴重的甚至會造成結構失穩而坍塌；第二就是對建筑物地下結構的損害，尤其是基礎部分。地下作業導致的土體變形不僅僅體現在沉降一個方面，同時還會在水平方向產生拉壓應力，如果不加以控制，可能對基礎的穩定性產生不可估量的危害。第三則是由于對土體的擾動破壞，可能會導致土體松弛，大大減少地基承載力。因此在城市地鐵規劃方面，應該做好事先的調查工作，盡量避免土體開挖對周圍造成干擾，有效控制沉降。根據以往地鐵建設經驗來看，目前的地鐵施工技術還有待進一步完善，地表沉降造成的大小事故仍然屢見不鮮，一旦發生了建筑物開裂、傾斜、管道破裂等事故，就會對市民的正常生活造成影響，甚至威脅生命財產安全，這就與地鐵工程服務百姓的目的背道而馳。事故產生所造成的經濟影響和工期拖延則會增加地鐵施工的成本，所以一定要對地表沉降提高重視程度，把沉降控制在標準的安全范圍之內。

2 地表沉降的控制標準

2.1 按照地表環境的基本要求分析沉降的控制標準

地層的不均勻沉降地下建筑物的影響，主要體現在對結構的影響方面，土體的橫向拉壓應力會對地下建筑內部的應力造成影響，引發建筑物的傾斜、失穩、或者坍塌。根據我國相關規范對建筑物傾斜度的限制，砌體結構的建筑承重基礎的局部傾斜應控制在百分之三以內，多層和高層民用建筑的基礎局部傾斜程度要控制在百分之一到百分之四之間，根據高度不同嚴格進行規范。依據這些規范所給出的傾斜標準，加上實際工程施工中的測量結出的沉降寬度，就可以通過計算，得出地表沉降最大的下沉允許值。根據以往的施工經驗，地表的橫向沉降規律可以近似于著名的peck曲線來進行計算，公式:距離隧道中心的軸線為x處的地表沉降值S(x)等于Smaxexp[-x2/(2i2)]。m，i是地表沉降槽的寬度大小。它的曲線為沉陷槽形狀，類似于概率論中的正態分布曲線。

假設地下建筑物相鄰梁和柱之間的間距，小于或者等于沉降槽拐點，因為地下建筑的下部產生的傾斜值應該小于或者等于有關規范的允許傾斜值，所以差異沉降值ΔS與地下建筑相鄰梁和柱的距離L的比值，應該小于或者等于地下建筑物規范中允許的傾斜值。根據peck的曲線走勢可知，在拐點處的曲線斜率應該最大，在這種極限條件約束下的坡值應該小于或者等于相應可允許傾斜值。可根據極限條件得出地表能允許的最大沉降值為:S等于拐點的最大斜率i比0.61，再乘以地下建筑允許傾斜值。

另一種情況，當建筑物臨近的柱間距很大，達到或者超過地表沉降槽的寬度i的兩倍時，沉降對于地下建筑物的影響就不僅僅局限在傾斜這一個方面，隨之而來的還有承載受力的梁和柱的彎曲形變。當沉降量超于一個極限值的時候，可能會導致地下建筑物的梁和柱因承擔不了彎曲形變而產生斷裂，或者底板結構因擠壓而產生裂縫，影響結構安全。若根據地下建筑物結構的允許應變作為計算極限的控制基準，則地下結構的梁、柱、板所能承受的應變[ε]等于梁板的極限抗拉強度[σ]與所用材料彈性模量E的比值。這種情況下，沉降量在地下建筑物梁。板與隧道縱向成90度時，取值最小。

2.2 在地表環境條件約束下分析地表沉降控制標準

2.2.1 根據拱頂的下沉最大極限來推算地表沉降標準值。經過多年的施工現場經驗和累計的理論分析表明，決定淺層地下工程穩定程度的條件，拱頂下沉極限值起到的作用一般比水平收斂極限值起到的作用要更為明顯。梳理好拱頂位移大小和地表中線位移大小的換算關系以后，就可以將拱頂的控制標準，經過計算，換算成地下沉降標準來使用。

2.2.2 根據地層極限變形推算地表沉降標準值。地層終極破壞極限狀態的最大沉降量Smax應該等于曲線拐點到中心的距離比0.61，乘以周圍巖體的極限剪性應變γp，或者乘以經驗系數K和弱面走向和水平面夾角β的乘積。

2.2.3 根據車站的安全運營系數來確定地表沉降標準值。根據鐵路部門相關的維修規則規定：若存在兩股鋼軌頂面水平偏差，正線的偏差不得大于4毫米，其他的站線不得大于5毫米。但是如果有水平差大于等于4毫米的三角坑存在于延長不足18米的距離之內時，則有可能會地鐵較少荷載或者軌道懸空，會產生地鐵出軌的可能。按照曲線的發展趨勢，由于軌道高低不平所得出的地表沉降允許值Smax等于鐵路的軌道允許10m弘量的最大值[δ]與測量弦長L的比值的二倍。

由以上幾方面可以得出的幾個地表沉降標準值中，在建筑物允許的沉降值和地層允許的沉降值之間，選擇比較小的一個作為沉降控制標準值，然后再考慮軌道上有車輛運行的時候，根據實際情況再次修改沉降標準。

結語

地鐵隧道開挖導致的土體形變以及地面沉降現在看來是無法避免的，當地表沉降達到一定的程度時，就會對上層建筑或下層基礎造成影響，所以地鐵隧道的施工對于沉降的控制就顯得尤為重要。在發展施工技術水平的同時，要做好人為可避免的工程事故，從而確保在建筑物結構整體安全的情況下，完整有序的進行施工。

[1]陽軍生，劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動及變形[M].北京:中國鐵道出版社.2002.

[2]王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論[M].合肥:安徽教育出版社.2004.