吳懷娜，顧偉華，沈水龍

（1. 上海交通大學(xué)土木工程系，上海 200240；2. 上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3. 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司 上海 200122）

區(qū)域地面沉降對(duì)上海地鐵隧道長期沉降的影響評(píng)估

吳懷娜1,2，顧偉華3，沈水龍1,2

（1. 上海交通大學(xué)土木工程系，上海 200240；2. 上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3. 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司 上海 200122）

本文將上海地鐵隧道監(jiān)測(cè)值與上海地面沉降對(duì)比，揭示兩者之間相關(guān)性及其差異。通過對(duì)地鐵車站沉降規(guī)律的分析，提出了以地鐵車站作為隧道深度范圍的分層沉降標(biāo)的分析方法，并采用插值樣條曲線擬合隧道沿線下方的地層壓縮量，從而確定地面沉降引起的隧道沉降量。基于上述方法對(duì)上海地鐵一二號(hào)線由地面沉降及其它因素引起的地鐵沉降量進(jìn)行區(qū)分。結(jié)果表明2010年上海地鐵一二號(hào)線各區(qū)間隧道的最大累積沉降量中區(qū)域地面沉降的影響占60%左右。

地面沉降；地鐵隧道；互相影響；定量評(píng)估

上海地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工，其襯砌是由管片拼接并由螺栓連接而成的柔性結(jié)構(gòu)，在軟土地層中極易產(chǎn)生不均勻沉降。針對(duì)上海地鐵隧道持續(xù)不均勻沉降的現(xiàn)象，目前普遍認(rèn)為影響因素包括[1～5]：區(qū)域性地面沉降；盾構(gòu)隧道施工擾動(dòng)引起后期沉降；鄰近工程施工擾動(dòng)；隧道滲漏水及漏泥、漏砂；列車動(dòng)荷載引起下臥土沉降。這些因素相互影響、共同作用，使得隧道變形的原因往往難以區(qū)分。

地面沉降是上海市的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。自1921年開始監(jiān)測(cè)地面沉降以來，上海市地面平均累積沉降量已超過2m，其原因主要為地下水資源開采引起的深層含水層變形[4～6]。地鐵隧道的抗縱向變形弱，埋藏于地層當(dāng)中，不可避免會(huì)受到區(qū)域地面沉降的“拖拽”作用而發(fā)生變形。相關(guān)研究已發(fā)現(xiàn)地鐵隧道和地面沉降在時(shí)間和空間上存在著一定的相關(guān)性，但兩者之間的定量化關(guān)系尚不明確[1,2,5]。對(duì)于當(dāng)前所監(jiān)測(cè)到的隧道沉降量，地面沉降引起的隧道沉降量所占比例尚不清楚。隧道沉降往往與隧道底板以上的地層壓縮變形無關(guān)，而與隧道以下地層壓縮有關(guān)。分層標(biāo)在上海市范圍內(nèi)分布密度較小，且離地鐵隧道大多相距較遠(yuǎn)，因而無法準(zhǔn)確觀測(cè)隧道沿線下方地層的沉降量，地面沉降引起的隧道的實(shí)際沉降量不得而知。

針對(duì)現(xiàn)有研究和技術(shù)的不足，本文通過對(duì)地鐵車站沉降規(guī)律的分析，提出利用地鐵車站沉降監(jiān)測(cè)值確定地面沉降引起隧道沉降量的方法，并對(duì)上海地鐵隧道的影響因素進(jìn)行分析，以供相關(guān)工程借鑒。

1 隧道沉降與地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果的相關(guān)性及其差異

圖1為不同時(shí)期上海地鐵一號(hào)線沿線隧道沉降量與中心城區(qū)地面沉降量對(duì)比圖。1995～2000年期間，上海市區(qū)域地面沉降較大，同期地鐵隧道沉降量也總體較為嚴(yán)重；2001～2005年上海市地面沉降較小，相應(yīng)的地鐵隧道沉降量也較小。對(duì)比地鐵隧道沉降、區(qū)間地面沉降特征，地鐵隧道總體沉降特征與中心沉降相吻合。地鐵隧道沉降明顯的區(qū)段也是同時(shí)期地面沉降漏斗區(qū)，區(qū)域地面沉降空間格局決定了地鐵隧道沉降總體趨勢(shì)。

上海地面沉降標(biāo)位于地表以下0.5m，地鐵隧道埋藏深度在9m以上，由于淺層土體受工程建設(shè)影響產(chǎn)生變形，地面沉降量與隧道沉降量也存在著差異。如上海地鐵4號(hào)線世紀(jì)大道站附近地鐵2009年6月～2010年12月間沉降約為1.2 ～3.0mm。與之鄰近的福山路淺式分層組標(biāo)(FS17)顯示該時(shí)期地面累積沉降量達(dá)20mm，沉降主要發(fā)生在隧道上方的第一軟土層及其以淺土層，其余土層基本沒有沉降或略有回彈。該地區(qū)地面沉降主要由周邊工程建設(shè)對(duì)淺部軟土層的擾動(dòng)以及對(duì)淺部土層的降排水引起，對(duì)隧道沉降影響較小。

綜上可知，隧道底板以上土層壓縮變形對(duì)隧道變形影響甚微，隧道下方地層的沉降對(duì)隧道沉降起著控制性的作用。當(dāng)前分層沉降標(biāo)組在上海分布較為稀疏，利用分層標(biāo)確定隧道沿線下方地層沉降量仍有困難。

2 基于車站沉降監(jiān)測(cè)的隧道下方地層沉降量計(jì)算方法

2.1 車站沉降與下方地層沉降的相關(guān)關(guān)系

地鐵車站在長期運(yùn)營中有著可觀的沉降量，究其原因主要包括以下兩點(diǎn)：區(qū)域性地面沉降；車站長期運(yùn)營中列車及人群荷載對(duì)下方土體產(chǎn)生的附加應(yīng)力，造成下方土體壓縮變形。下面以上海地鐵某地鐵站為例分析后者對(duì)車站長期沉降的影響。

圖1 上海地鐵1號(hào)線沿線隧道沉降與中心城區(qū)地面沉降對(duì)比Fig.1 Comparison of tunnel settlement and land subsidence along Line No. 1

該為地下3層島式站臺(tái)車站，車站全長170m。車站站臺(tái)中心線處基坑深度約19.6m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1000mm厚地下連續(xù)墻，墻深37m。南端頭井處基坑深度約為21.4m，端頭井墻深為38m，采用1000mm厚地下墻。圖2為地鐵車站中心處結(jié)構(gòu)橫斷面及場(chǎng)地地質(zhì)剖面圖。地下水水位為地下0.5m。地鐵車站施工前，土體為正常固結(jié)狀態(tài)。車站底板位于⑤黏土層內(nèi)。經(jīng)固結(jié)試驗(yàn)測(cè)得，⑤黏土層的壓縮指數(shù)Cc=0.295，回彈指數(shù)Cs=0.032。

（1）荷載分析

車站下方土體需經(jīng)歷以下荷載變化過程：基坑開挖使土體卸載回彈；車站施工后對(duì)下方土體重新加載；車站運(yùn)營后列車、人群荷載傳遞到土體的再加載。下面分別對(duì)各步驟荷載進(jìn)行計(jì)算。

基坑開挖土體卸載量為：

地鐵車站施工后加載量統(tǒng)計(jì)如表1所示，其中結(jié)構(gòu)重度按γ=25kN/m3計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，車站自重及上覆荷載共計(jì)5232.87kN/m。地鐵車站結(jié)構(gòu)所受浮力為Fstn=(15.087-3.7) ×10×25.5=4790.69kN/m。因此，施工完成后對(duì)下方土體的實(shí)際加載量為F =5232.87-4790.69=442.18kN/m，相當(dāng)于堆載Δp2=442.18/25.5=17.34kN/m2。

圖2 上海某地鐵站橫斷面Fig.2 Cross sectional view of railway station

表1 地鐵車站結(jié)構(gòu)自重和上覆荷載Table 1 Structure deadweight of station and overburden_

后期運(yùn)營中的荷載主要為人群荷載和列車荷載。人群荷載以設(shè)計(jì)荷載為準(zhǔn)，即站臺(tái)、站廳、樓梯、車站管理人員用房等部位按4kPa計(jì)，并且取準(zhǔn)永久值系數(shù)0.5[8]。列車荷載以上下行線列車同時(shí)進(jìn)站為準(zhǔn)，列車為8節(jié)編組A型列車(軸重16t)，并且取準(zhǔn)永久值系數(shù)0.6[8]。列車通過車站底板傳遞到土體的平均荷載為160×32/180×2/25.5×0.6=1.3kN/m2。因此，后期運(yùn)營對(duì)車站下方土體的總荷載約為Δp3=3.3kPa。

（2）基于e-logp關(guān)系的地基沉降計(jì)算

圖3為車站下方土體理想化的壓縮及回彈曲線，車站施工及后期運(yùn)營過程中下方土體孔隙比-應(yīng)力變化路徑為：車站施工前土體為正常固結(jié)土，初始自重應(yīng)力為147.94kN/ m2，即圖中A點(diǎn)；基坑開挖后對(duì)土體產(chǎn)生卸載作用，土體從A點(diǎn)沿著回彈曲線路徑移動(dòng)到B點(diǎn)，孔隙比增加至1.07，此時(shí)土體處于超固結(jié)狀態(tài)；車站施工后對(duì)土體重新加載，加載量為17.34kN/m2，土體從B點(diǎn)沿著再壓縮曲線移動(dòng)至C點(diǎn)，此時(shí)孔隙比為1.03。由于車站的加載量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開挖卸載量，此時(shí)車站下方土體仍處于超固結(jié)狀態(tài)；后期運(yùn)營中，土體受上方人群及列車荷載，從C點(diǎn)繼續(xù)沿再壓縮曲線移動(dòng)至D點(diǎn)，孔隙比略有減小，為1.027。

根據(jù)e-logp曲線和分層總和法可以計(jì)算出車站運(yùn)營過程中的長期沉降量。無側(cè)向變形條件下壓縮量的基本

公式為：

式中，Si=第i分層的壓縮量(m)；p0i=第i分層的平均應(yīng)力(kPa)；Δp0i=第i分層的應(yīng)力增量(kPa)；Hi=第i分層的厚度(m)；e0i=第i分層的初始孔隙比；Δe0i=第i分層的孔隙比變化量；Csi=第i分層的回彈指數(shù)。應(yīng)力增量隨深度的衰減可根據(jù)Osterberg(1957)給出的參照?qǐng)D計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，車站后期運(yùn)營中由人群荷載和列車荷載引起的沉降量約為1.87mm。

上述計(jì)算尚未考慮地下連續(xù)墻對(duì)附加荷載的分擔(dān)作用。實(shí)際上，車站內(nèi)部荷載一方面通過地下連續(xù)墻的側(cè)摩阻力傳遞到側(cè)邊土體，另一方面通過地連墻及抗拔樁底部傳遞到地基中。地下連續(xù)墻已到達(dá)第⑥硬土層，該層為上海樁基主要持力層。因此，實(shí)際車站由人群荷載和列車荷載引起的沉降量幾乎為零。換句話說，車站長期沉降是由整個(gè)上海區(qū)域性地面沉降引起的，車站沉降量等同于同等深度的地層沉降量。

圖3 車站下方土體理想化的壓縮及回彈曲線Fig.3 Idealised compression, swelling of soils under station

2.2 隧道下方地層沉降的插值樣條擬合

基于上述分析，本研究提出了一種隧道沿線下方地層沉降的計(jì)算方法：以車站作為隧道沿線土層的“沉降標(biāo)”，車站沉降量即為隧道埋藏深度土層的沉降量；以車站為型值點(diǎn)，通過三次樣條插值擬合法計(jì)算隧道沿線下方地層的沉降量。圖4為隧道沿線下方地層沉降的計(jì)算方法示意圖。

圖4 隧道沿線下方地層沉降的計(jì)算方法Fig.4 Calculation method of ground settlement under tunnel

隧道下方地層沉降主要是由深層含水層地下水抽取引起的，其沉降與地下水水位相協(xié)調(diào)，影響范圍往往較廣，不會(huì)在局部出現(xiàn)沉降突變的情況，因此隧道沿線下方地層的沉降曲線應(yīng)該是一條光滑曲線。由于地鐵車站沉降量等于隧道埋藏深度的地層沉降量，通過地鐵車站監(jiān)測(cè)可以在隧道沿線上獲得地層沉降數(shù)組S=[S1, S2, S3…]。上海市中心地鐵車站間距普遍為0.8～1.2km，一般小于地面沉降的變化范圍。因此，可以以地鐵車站沉降數(shù)組為型值點(diǎn)作平滑曲線擬合，該平滑曲線就是隧道沿線下方地層沉降曲線。

3 上海地鐵實(shí)例分析

3.1 上海1號(hào)線沉降成因分析

圖5為地面沉降引起的地鐵1號(hào)線縱向累積沉降曲線。如圖所示，1號(hào)線沿線隧道下方地層沉降量普遍小于地面沉降量，沉降格局與地面沉降的空間分布相近，表明本研究提出的計(jì)算方法具有一定的可行性。比較隧道下方地層沉降和隧道沉降量，下方地層沉降的不均勻性使得隧道在縱向上表現(xiàn)出不均勻沉降。各區(qū)間隧道下方地層沉降和隧道沉降趨勢(shì)總體一致。上海體育館區(qū)域地面沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于隧道下方地層沉降可能是該區(qū)域密集建筑施工引起的。衡山路站左右兩側(cè)隧道下方地層沉降量大于隧道本身沉降量，可能是由于：上方開挖卸載土體回彈；車站因上部堆載而沉降過大；地面或車站沉降測(cè)量存在誤差。受其它因素的影響，隧道局部還表現(xiàn)出劇烈的縱向變形。其它因素引起1號(hào)線的沉降量在-80～110mm區(qū)間。

圖5 上海區(qū)域地面沉降引起的1號(hào)線累積沉降量Fig.5 Tunnel settlement of Line 1 caused by land subsidence

3.2 區(qū)域地面沉降引起2號(hào)線沉降量

圖6為區(qū)域地面沉降引起的地鐵2號(hào)線縱向累積沉降曲線。2號(hào)線隧道下方地層沉降量與隧道沉降的空間分布總體一致。除個(gè)別區(qū)間外，隧道沉降量大于下方地層沉降量。圖7為其它因素引起的地鐵2號(hào)線累積沉降曲線。其它因素引起的沉降量約為-100～85mm，江蘇路-靜安寺區(qū)間、人民廣場(chǎng)-南京路區(qū)間最大沉降量超過50mm，分別為85mm、70mm。南京東路-陸家嘴區(qū)間區(qū)間隧道位于黃浦江河床底下，水的浮力較大，上覆土層厚度小，加上河床常年的沖淤作用使河床不穩(wěn)定，隧道浮力大于隧道本身自重及覆土重力而表現(xiàn)為上浮。無獨(dú)有偶，上?？萍拣^-世紀(jì)公園區(qū)間隧道約有20mm的上浮，上浮段正好位于世紀(jì)公園鏡天湖下方。

3.3 地面沉降引起的隧道沉降比例

圖6 上海區(qū)域地面沉降引起的2號(hào)線累積沉降量Fig.6 Tunnel settlement of Line 2 caused by land subsidence

圖7 其他因素引起的2號(hào)線累積沉降量Fig.7 Tunnel settlement of Line2 caused by other factors

取2010年各區(qū)間最大累積沉降點(diǎn)位置處的隧道沉降量和地面沉降引起的隧道沉降量繪制相關(guān)關(guān)系圖，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，2010年隧道總沉降量中約62.5%為地面沉降引起的。

圖8 地面沉降引起的隧道沉降量與隧道總沉降量關(guān)系Fig. 8 Relationship between tunnel settlement caused by land subsidence and the total settlement

4 總結(jié)

上海市地鐵隧道沉降與下方土體的沉降有關(guān)，與隧道上方土體的壓縮無關(guān)。通過對(duì)地鐵車站和區(qū)間隧道長期沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得出結(jié)論如下：

（1）對(duì)于無鄰近施工影響的地鐵車站，其長期沉降是由整個(gè)上海的區(qū)域性地面沉降引起的，車站沉降量等同于同等深度的地層沉降量。據(jù)此，本文提出一種計(jì)算地面沉降引起隧道沉降量的新方法：將地鐵車站作為隧道深度的分層沉降標(biāo)，以地鐵車站沉降量為型值點(diǎn)，采用三次樣條插值曲線進(jìn)行擬合，所得曲線即為隧道沿線下方地層沉降量。

（2）利用本文提出的方法對(duì)上海市地鐵1、2號(hào)線隧道沉降量進(jìn)行分析。結(jié)果表明，由于隧道下方地層在空間上表現(xiàn)出較大的差異沉降，隧道在縱向上差異沉降也較大。除個(gè)別區(qū)間外，隧道的累積沉降量總體大于下方地層沉降量。2010年各區(qū)間隧道的最大累積沉降量中約60%左右為區(qū)域地面沉降引起的。

（3）2010年上海地鐵1、2號(hào)線隧道沉降量中由其它因素引起的沉降量為-100～110mm。其它因素主要引起隧道下沉，局部江中段隧道受水浮力的影響會(huì)產(chǎn)生明顯的上浮。

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Evaluation of the influence of land subsidence on the long-term settlement of metro tunnels in Shanghai

WU Huai-Na1,2, GU Wei-Hua3, SHEN Shui-Long1,2
(1. Department of Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 3. Shanghai Shen tong Subway Group Co., Ltd, Shanghai 200122, China)

This paper presents the correlation and difference between land subsidence and tunnel settlement, based on field monitoring data. A method to evaluate tunnel settlement caused by land subsidence was proposed. The settlement of metro stations was assumed to be caused almost entirely by local land subsidence, and this was verified based on a load transfer analysis. Based on this assumption, the proposed method considers the stations as the layer-wise mark at the depth of tunnel and uses a cubic spline function to fit the line of the station points. The derived curve represents the ground settlement under tunnels, which is the tunnel settlement caused by land subsidence. With the proposed method, the tunnel settlement caused by land subsidence in Shanghai Metro Line No. 1 and No. 2 was analyzed. The results indicated that the tunnel settlement caused by land subsidence generally accounts for about 60% of the maximum settlement for each tunnel section in 2010.

land subsidence; subway tunnel; interaction; quantitative evaluation

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0009-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.003

2017-04-05

修回日期: 2017-05-04

吳懷娜(1987-),女,博士,助理研究員,主要從事隧道與地下工程研究.

電子郵箱: wu-hn@sjtu.edu.cn

聯(lián)系電話: 021-34204301

國家自然科學(xué)基金青年基金“考慮剪切錯(cuò)臺(tái)變形的軟土盾構(gòu)隧道縱向結(jié)構(gòu)計(jì)算模型研究”(51508323)