地铁隧道穿越大范围地面沉降区域的影响及对策分析

摘要：随着城市轨道交通的发展，地铁建设也面临更复杂的地层条件，在西北某城市地面沉降十分活跃，且有加剧的趋势，地铁线路将穿越大范围沉降区，这给地铁的建设及建成后的安全运营留下重大安全隐患，变形控制及病害防治将是穿越沉降变形地段或区域的地铁建设成败的关键。本文通过对地面沉降原因分析、对区域地面沉降计算预测，对地铁隧道穿越大范围地面沉降区域的防治措施和工程对策提出要求及建议。

关键词：地面沉降；地铁；有限元；防治措施；工程对策

The Analysis and the Countermeasures on Subway Tunnel Crossing Wide Area of Land Subsidence

Ma Mingbo

（Xi’an Underground Railway Co.， Ltd.， Xi’an 710018， China）

Abstract： With the development of urban rail transit， subway construction also faces a more complex ground conditions， a city in northwest ground subsidence is very active， and there is increasing trend， the metro line will cross a wide range of the settlement area， which gives the construction and after the completion of the subway the security operation left a major security risk， distortion control and disease prevention will be cross settlement area or areas key to the success of subway construction. Based on the causes of land subsidence analysis of the regional land subsidence prediction is calculated on the subway tunnel through a wide range of ground subsidence control measures and projects proposed strategy on the regional requirements and recommendations.

Key words：Ground subsidence； finite element； subway control measures； Engineering Countermeasures

0 引言

自从上世纪五十年末以来，由于过量开采地下水，西北地区某城市出现了大面积的地面沉降，主要分布于城区和近郊区，最大累计沉降量达2680mm，最大沉降速率达300mm/a。大量监测资料表明，现今地面沉降还在不断发展中，某些地段地面沉降十分活跃，且有加剧的趋势，如果地铁工程穿越地面沉降区域不采取科学合理、安全可靠的处理措施，未来地面沉降发展以及由此引起的不均匀沉降将会给地铁安全运营构成严重危害！地面沉降的加剧会导致隧道地层不均匀沉降变形增大，隧道随之下沉引起衬砌结构纵向开裂破坏和隧道渗漏水等病害，同时一旦隧道衬砌结构出现下沉变形，轨道将出现相应变形，这不仅直接影响或中断地铁交通，而且还会引起严重交通事故的发生，进而可能引发较为严重的社会稳定问题。因此，变形控制及病害防治将是穿越沉降变形地段或区域的地铁建设成败的关键。本文基于实际工程，通过分析研究地面沉降原因、地面沉降有限元计算及沉降量预测，对地铁隧道穿越大范围地面沉降区域的防治措施和工程对策提出了建议[1][2]。

1 地面沉降原因分析

根据现场调查及相关分析，本地区发生地面沉降的主要原因包括：过量开采承压水、区域构造沉降、地面荷载、地表水渗入等。

1.1 过量开采承压水

在过量开采承压水的情况下，不仅使含水砂层被挤压，减少孔隙度，排出含水层中的部分水量而产生压密；同时，承压水位的大幅度下降，也使砂层和粘性土层原有的水力平衡被破坏，粘性土层中的孔隙水压力逐渐降低，随着孔隙水的排出，一部分原来由孔隙水承担的上覆荷载转移到粘土颗粒的骨架上，粘土骨架承受的有效应力增加，使土层原有的结构被破坏，并重新组合排列造成土层压密。这种粘性土层的释水压密特征与含水砂层的释水压密特征不同，是不可逆变形，它是产生地面沉降的最主要原因[3～5]。

图1.1 区域承压水头下降速率曲线图

图1.2 沉降量—时间曲线图

图1.3 累计沉降量—时间曲线图

对该区水位调查资料及地面沉降短水准累计沉降数据进行了相关性分析，结果如图1.4所示。分析结果表明，承压水头差与水准观测累计沉降量呈正相关关系，即沉降量随承压水头增大而增大。

图1.4承压水头差与沉降量关系曲线

1.2 区域构造沉降

造成地面沉降的另一个原因是区域构造沉降。本地区长期以来一直处于下沉状态，位于凹陷东南边界的断裂带进行着南升北降的活动，同时位于断陷北侧边界的断裂带进行着北升南降的活动，这两个断层的活动对本地区的地面沉降有一定影响。有资料表明，由于构造活动造成的区域沉降量，占总沉降量的3%左右[6][7]。

1.3 其他因素

黄土湿陷、地表水入渗和地面荷载作用等对地面沉降也有一定影响。

2 区域地面沉降计算及沉降预测

2.1 分层总和法沉降计算及预测

图2.1计算地层模型图

由于承压水抽取引起的地层压缩层共5层：第一层隔水层，第一层承压含水层，第二层隔水层，第二层承压含水层，第三层隔水层。

由于砂层与土层压密机理不同，因此对砂层采用公式（a）、土层采用公式（b）计算压密量：

（a）

（b）

其中， 为砂层层压密量， 为土层最终压密量， 为土层的压缩系数， 为土层的孔隙比， 为水的容重， 为承压水头降低值， 为弹性模量， 为层厚。

将计算的各层压密量相加即得到最终沉降量[8][9]。

按目前的降低速率，持续降低三年时间，其后随城中村拆迁，假定承压水头有两种变化趋势，其一为保持不变，其二为逐渐回升，如图2.2。

图2.2 承压水头预测曲线

图2.3 未来地面沉降预测曲线

如图2.3所示，根据分层总和法计算预测地面最终沉降值均小于1900mm。

2.1 有限单元法沉降计算及预测

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

本次计算工况选取情况见表2.1。

根据地层剖面建立计算模型，不同的颜色代表不同地层，承压水头差转换为应力边界条件，沉降计算模型如图2.4所示。

图2.4 地面沉降有限元计算模型

根据地区经验和试验结果选取有限元计算参数见表2.2。

计算采用专业岩土软件，采用弹性模型和弹塑性模型，对每种工况进行有限元模拟，根据模拟的结果绘制沉降量-承压水头差曲线图，如图2.5、2.6。

图2.5 弹性模型计算结果沉降量—承压水头关系曲线

图2.6 弹塑性模型计算结果 沉降量—承压水头关系曲线

3 地铁隧道穿越地面沉降区域的防治措施和工程对策

地面沉降是近代比较突出的环境工程地质问题，地面沉降对地铁工程的影响及防治对策方面尚无成熟的研究成果和经验。根据前篇关于地面沉降原因分析、区域地面沉降计算及沉降预测分析结果，结合本地区实际地铁工程案例，对地铁隧道穿越地面沉降区域的防治措施和工程对策，分别从地铁车站、地铁区间、轨道等方面提出建议[10][11]。

3.1 地铁区间结构的防治措施和工程对策

（1）变形缝设置：地铁区间采取分段结构进行设计，结构上可采取加密变形缝、沉降缝设置，采用柔性接头进行处理，以增加地铁隧道的适应地层的变形能力。

（2）加大隧道净空：地层沉降的趋势一般呈抛物线形，地层变形过程中，轨面线与隧道结构的变化趋势存在一定差异（如图3.1），可能导致轨面以上隧道净空不能满足限界要求，为此有必要对沉降范围内隧道净空适当加高，保证地铁列车运行的平顺性。

图3.1地层变形后轨面线与隧道结构位置关系示意图

3.2 地铁车站结构的防治措施和工程对策

（1）加大结构构件尺寸，增加结构的整体刚度：车站加大结构构件尺寸，沿车站纵向不设缝，提高车站结构抵抗变形的能力，以抵御地层变形过程中可能产生的差异沉降。

（2）加大结构净空，预留变形量：按区间预留变形量及线路调坡的需要，并考虑一定安全系数，加大车站站台层净高，保证地铁列车运行的平顺性。

3.3其他措施

（1）柔性碎石道床：为利于后期线路及轨道专业调坡，建议采用碎石道床。

（2）排水措施：在地层沉降过程中，轨道作为隧道结构的附着物，必然随地层的逐步沉降而沉降，導致线路坡度发生变化。前期设计过程中应充分考虑后期因线路坡度调整带来的排水问题。

（3）地面沉降处理：应向有关部门提出建议，减少开采地下水，降低地面沉降的活动性，控制沉降槽的发展趋势，从根本上消除地面沉降对地铁工程的不良影响。

5 结论及建议

通过以上的计算分析，对本地区地面沉降原因、沉降趋势以及地铁隧道应对措施得出以下几点结论及建议，如下：

1、本地区地面沉降主要是由过量开采地下水引起的承压水头降低所致。区域构造沉降对本地区地面沉降影响微弱，黄土湿陷、地表水入渗和地面荷载作用等对本地区地面沉降也有一定影响。

2、根据分层总和法及有限单元法计算模拟，预测了本地区沉降凹槽的最大沉降量、承压水头差与沉降量的关系等。

3、根据上述沉降原因及预测分析结果，提出了地铁工程应对地面沉降的工程处理措施如下：

1）在沉降凹槽影响范围内地铁去见采取的措施主要包括：加密设置变形缝；结构扩大断面预留净空量；增加地铁隧道的抗变形能力；采用柔性碎石道床；预留调坡条件，重视轨道坡度调整和排水措施。

2）在沉降凹槽影响范围内地铁车站主要采取的措施主要包括：加大站台层净空；采用柔性碎石道床；区间与车站接口预留调坡条件；加大车站结构尺寸；沿车站纵向不设缝，抵御差异沉降等。

对后续工程实施过程中，有如下建议：

1、建议在此段范围内开展长期地面沉降观测工作，包括水准测量、基岩标、分层标测量和地下水动态观测。 2、应向有关部门提出建议，减少开采地下水，降低地面沉降的活动性，控制沉降槽的发展趋势，从根本上消除地面沉降对地铁工程的不良影响。

参考文献

[1] 薛禹群，张云，叶淑君，李勤奋.中国地面沉降及其需要解决的几个问题[J].第四纪研究，2003，23（6）：586

[2] 杨国强.西安市地面沉降探讨[J].西安地质学院学报，1989，11（3）：49～56 [1] 李新生，王静，王万平，王鹏鹏等.西安地铁二号线沿线地裂缝特征、危害及对策[J].工程地质学报，2007年第四期

[3] 阎文中.西安地面沉降成因分析及其防治对策[J]. 中国地质灾害预防治学报，1998，9（2）：27～32

[4] 沈景文.西安市地下水资源枯竭与地面沉降[J].资源开发与保护杂志，1987，3（3）：27～31

[5] 李新生.西安地面沉烈环境问题研究[D].西安：西安地质学院，1994

[6] 彭建兵，张俊，苏生瑞等.渭河盆地活动断裂与地质灾害[M].西安：西北大学出版社，1992.

[7] 吴在宝，缪祥生，杨国强.西安地面沉降与地裂缝的关系[J].西安地质学院学报.1986，8（4）：118～28

[8] 土力学与基础工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1998

[9] 陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学[M].北京：清华大学出版社，1994

[10] 地铁设计规范 GB50157-2003. 北京：中国计划出版社，2003.

[11]《铁路隧道设计规范》，TB10003-2005J449-2005. 中国铁道出版社.

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