地铁隧道施工邻域灾变评估理论与实践

第1章 绪论 进入21世纪，中国的大城市均在大力发展城市轨道交通，特别是地铁，由于其不受地面道路情况的影响，能够按照设计标准，快速、安全、舒适地运送乘客，具备运行效率高、无污染、大运量等特点，从而成为解决大城市交通拥堵的有效途径，是大城市发展绿色交通的首选模式。但是，城市地铁建设也随之带来对周边环境的影响和灾变。 1.1城市地铁建设与工程灾变 城市地铁的建设初期是较为缓慢的，单条地铁工程的建设周期也较长。20世纪末期，随着大城市的不断涌现，以及特大城市人口的过度集中，城市交通几近陷入困境，发展城市轨道交通成为解决城市交通问题的重要措施。世界上**条地下铁道是1863年1月建成的位于英国伦敦的大都会地铁，其干线长度约6.5km。进入20世纪后，各国地铁建设进入高潮时期。目前，全世界已有100多座城市开通了地铁，总长度超过7000km。中国**条地铁是北京地铁1号线，于1965年7月1日在北京西郊玉泉路开工，1969年10月1日完工通车，全长23.6km，共设17个车站，是中国地铁之首。截至2014年，北京市轨道交通运营线路17条，运营里程465km，正在施工线路共12条（段），线路全长约198.4km。到2015年北京市的地铁通车总里程达到561km，位居全世界各大城市首位。据《北京市城市轨道交通近期建设规划（2013—2020年）》可知，届时北京轨道交通线网运营线路将达30余条，运营里程达1000km。同时，自2000年以来，我国其他各大城市的地铁建设突飞猛进。今天的中国已是世界上隧道及地下工程规模*大、数量*多、地质条件与结构形式*复杂、修建技术发展速度*快的国家，技术水平与建设成就已走在世界前列（王梦恕等，2010）。修建地铁已是各大城市基础建设的必要内容，是现代化大都市的标志，中国城市地铁建设已经进入大发展的黄金时期。 城市地铁建设为人们带来舒适快捷的交通便利与巨大的经济效益，同时地铁建设也会对其邻域造成地质环境损伤，甚至发生灾变。事实上，任何地下工程的开挖与掘进，都是卸荷的力学过程，必然在周围岩土体产生应力场和位移场的变化，若控制不力，则会在邻域发生地面沉降、坍塌等灾变。地铁车站施工如此，区间隧道施工也如此。另外，对于已建成的地下空间结构，若有邻域建（构）筑物的施工，如基坑、竖井开挖，桩基施工等，也会对既有地下空间结构产生影响，如图1-1所示。这是两对矛盾体，在当前的城市地铁施工中都表现得特别突出。本书着重针对**个矛盾体开展详细研究工作，即地铁隧道施工对邻域建（构）筑物的影响及其控制对策。 图1-1地下工程与邻域建（构）筑物关系 在城市地铁建设中，由于地铁隧道施工难度巨大，影响因素众多，隧道施工必然会对周边环境造成重大影响。如隧道坍塌造成人员伤亡及重大经济损失，地面沉降过大造成城市道路凹凸不平、塌陷，周边建（构）筑物变形严重造成建（构）筑物开裂甚至倒塌，地下管线变形过大造成煤气泄漏、爆炸及水管爆裂形成水患，电缆断裂造成停电或通信中断等，这些隧道工程施工灾变问题在我国各大城市地铁建设中时有发生。 例如，2003年7月，在上海轨道交通4号线越江隧道施工过程中，因其作业面内有大量的水和流沙涌入，引起隧道部分结构损坏，诱发周边地区地面沉降，导致三栋高层建筑物严重倾斜、黄浦江防汛墙局部坍塌并出现管涌，造成巨大经济损失和不良社会影响。2005年1月，在北京市惠新南里附近，地铁隧道施工引发周边地面沉降，导致住宅内地板砖崩裂，引起办公人员与居民恐慌，造成很大不良社会影响。2005年11月，北京市中轴路熊猫环岛地铁隧道采用明挖法施工时，基坑周边突然出现坍塌，至少400m2范围的基坑塌陷10余米，原因是地铁施工引发周边地层变形，从而引起地下一根直径60cm的管道破裂出现涌水，造成交通堵塞和不良社会影响。2006年1月，在北京市东三环京广桥附近，地铁暗挖施工引起地下污水管道变形破裂、漏水，并导致路面塌陷，形成一个面积达200m2、深约12m的大坑，使污水灌入正下方的地铁10号线工地，造成灾害损失惨重、很大不良社会影响。2006年3月，北京地铁10号线苏州街站东南地表发生塌方事故，塌方区域地上、地下环境条件十分复杂，东侧紧靠居民楼，西北侧紧邻交通干道，北侧有四条电力管线，此次塌方造成了严重人员伤亡和重大财产损失。2007年3月8日，北京东三环路国贸桥向北方向桥下东侧辅路发生路面塌陷，塌陷面积约4m2、深度约2m，一辆途经此地的公共汽车车轮陷入；3月9日，该处再次塌陷，同时陷住一辆过路的402路公交车，公共交通再次受阻。2008年1月17日下午3点，广州地铁5号线大西盾构区间2＃联络通道在施工中突然涌水发生塌方，造成双桥路旁边花圃内的地面100m2塌方，事故过程中没有人员伤亡，地面交通局部(入城方向)被迫暂时封闭。2008年11月15日下午14：30左右，浙江省杭州市风情大道地铁1号线施工现场发生坍塌事故，八车道的风情大道塌下去100多米，塌陷宽度20m左右，边上的河水倒灌向塌陷的地铁坑道内，直接造成在此处行驶的11辆汽车下沉陷落，施工人员8人死亡、13人下落不明。2012年11月29日上午10点左右，南京地铁3号线与2号线的换乘站——大行宫站，由于施工地点处于秦淮古河道，富含水和砂，地质条件复杂，与2号线连接处出现涌水、涌沙，导致地面突然塌陷，促使南京一辆31路公交车在行驶到中山东路大行宫十字路口时车头陷入塌陷形成的大坑中。2013年1月28日，因修建广州地铁6号线文化公园站，导致附近地处广州*繁华区域的康王南路突然出现大面积地陷，使得2栋6间商铺塌陷坑内。 由上可见，城市地铁建设经常伴随着对邻域产生重大影响的工程灾害，虽然这些灾害*终得到了控制，并克服了施工困难，但是面对复杂的工程地质和施工条件，人们对于地铁隧道施工引发邻域灾变的机理和规律还不是很清晰，施工风险众多，相似的灾害仍然时有发生，突显出地下铁道工程建设的安全现状与当前形势极不适应。因此，本书针对地铁隧道施工邻域灾变机理、控制措施与安全性评估方法进行了详细研究，对优化地铁隧道工程设计方案、提升地铁隧道安全施工和监测技术、减少地铁隧道施工邻域的工程灾害具有重要意义和广阔的应用前景。 1.2地铁隧道施工邻域灾变研究现状综述 世界上地铁建设已经有150余年的历史，我国也有40余年的开发经验，因此在地铁隧道施工引起邻域灾变预测理论、方法和评价与控制措施方面的研究已经取得丰硕的成果，但由于我国各地工程地质条件差异性较大、施工条件复杂，相关的地铁隧道施工邻域灾变控制理论和方法、规范、标准等还不满足当前地铁建设的需要，因此有待进一步完善与发展。 1.2.1地铁隧道施工引发地表沉降估算理论与方法研究 正确估计因地铁隧道施工引发的地面（地层）变形，选择*佳的施工技术，制定一套完善的工程措施以确保隧道施工影响域内建筑物、桥隧与地下管线等重要设施的安全，成为各国学者*为关注的研究课题。纵观地铁隧道施工时地表变形预测的研究方法，可将其分为经验公式、解析法、相似材料模型试验法和数值模拟法等。 首先，在地铁隧道施工引发地表变形预测经验公式方面，*具代表性的就是Peck（1969）系统提出的地层损失的概念和估算隧道开挖地表下沉的实用方法，即Peck公式。Peck认为，在不排水的情况下，隧道开挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积；他总结了大量资料后，提出了地表沉降槽近似呈正态分布的概念，即所谓的Peck曲线。在Peck的研究基础上，很多外国学者针对不同的情况做了进一步的研究，主要有：Clough和Schmidt(1981)提出了饱和含水塑性黏土中的地面沉降槽宽度系数i；Attewell(1978，1981)假定沉降槽曲线为正态分布，对沉降槽宽度系数i进行了修正，提出了横向沉降槽宽度系数i取决于接近地表的地层强度、隧道埋深和隧道半径，并给出了估算地表沉降的新公式;O′Reilly和New (1982)整理英国大量的实测值后建议，对于在单一土层中隧道掘进引起的近地表沉陷，主要是Z0的近似线性函数，和隧道施工方法、隧道直径没有关系;Fujita(1981)分析了日本大量用不同盾构施工得到的观测数据，发现黏土中取i=0.5Z0和实际结果一致，和施工方法无关。在我国，刘建航等（1990，1991）以上海软土隧道施工实例为背景，提出了“负地层损失”的概念，并修正了预测地表纵向沉降的Peck公式；同济大学侯学渊和廖少明（1993）结合上海地区饱和土和盾构施工的特点，提出了考虑时效（即土体扰动后固结）沉降的修正Peck公式；阳军生和刘宝琛（2002）针对城市隧道施工引起的地表移动及变形提出了评价方法；刘波和陶龙光（2004，2006）对于地铁双孔平行隧道开挖，基于部分实测沉降数据的Powell*优化理论方法，实现了Peck法与随机介质法各自的多参数反分析预测，开发出了地铁隧道施工诱发地层环境损伤预测评价与控制设计的STEAD系统；韩煊等（2007）在 Mair 公式的基础上，着重讨论了沉降槽宽度参数随地层深度的变化趋势，并提出了修正计算公式；缪林昌等（2008）以矿山法施工为例，推导了隧道施工在新的状态下的土体内部孔隙水压消散的公式，进而考虑土体的固结引起的沉降变形。 由于土层条件的复杂性以及施工状况的多变性，迄今为止还没有完全精确的解析解。现有的解析解均是在简单假定条件下得到的，但不失一般性，可用来定性判断地表沉降的一般规律。例如，Sagaseta（1987）假设土层各向同性和不可压缩，提出了地表三维沉降公式，并进行了推广。Verruijt 和 Booker（1996）采用Sagaseta的方法，提出了匀质弹性半空间隧道变形引起的地表变形的解析解，他们给出的结果是对Sagaseta解的推广，不仅适用于不可压缩土的情况（泊松比为0.5），而且适用于泊松比为任意值的情况。Lognathan和Pooulos（1998）认为：地表位移是由地层损失引起的，但隧道径向位移是不均匀的，其形状近似椭圆形；地层的沉降主要发生在隧道轴线与水平方向夹角为45°的范围内，得出了横向地表沉降的解析公式。Bobet（2001）假设地层和衬砌都是完全弹性的，求出了衬砌和地层共同作用下的解析公式，该方法基于弹性假设，对土体的特性没有完全考虑。 在相似材料模型试验研究方面，作为一个重要的科学研究手段，可以十分形象地模拟隧道施工过程并揭示邻域灾变的演化规律。但由于岩土体的重力相似问题，模型试验大多采用离心机模型试验。Litwiniszyn (1957) 基于砂箱模型试验，用大小相同的球体模拟地层进行了模拟试验，其试验结果表明， 盾构掘进引起的地表沉降的沉降槽横向分布形式与概率形式相同。 Atkinson（1974）以砂和高岭土为介质，以橡皮膜敷于隧道内表面上进行了模拟试验，其试验结果表明，土的破坏面近似朗金主动破坏面，十分接近Peck曲线。Mair等（1983）用有限元和离心模型试验相结合的方法研究了浅埋隧道的地表沉陷规律，指出浅埋隧道的坍塌稳定率随埋深变化，且地表沉降在很大程度上取决于隧道周边的黏土的特性。Kuwahara等（1999）利用离心模型试验对盾构隧道盾尾空隙引起的地层变形进行了试验研究，分析了盾尾空隙导致地层变形的机理。Nomoto等（1999）利用离心机试验对干砂中盾构隧道掘进进行了大量的模拟试验，获取了试验过程中的衬砌应力、纵横剖面地面沉降和隧道周围土压力的大量试验数据，提出了基于盾尾空隙厚度和z／d（隧道埋深与洞径的比值）等参数的地面沉降经验公式等。近几年，我国在隧道相似材料试验方面也有较大进展。王戍平（2004）对于单拱破碎围岩隧道的构筑问题，设置了8个隧道模型，研究了开挖对不同隧道围岩压力分布的影响，揭示了洞周径向压力的松弛范围与洞径、围岩特性、裸露时间的关系；设计了4个连拱模型试验，研究了连拱毛洞开挖引起的应力场变化规律，对不同的连拱断面的衬砌受力差异进行了深